基于尺寸靈敏度的駕駛室振動(dòng)仿真與優(yōu)化

倪建華

(江蘇卡威汽車工業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212323)

基于尺寸靈敏度的駕駛室振動(dòng)仿真與優(yōu)化

倪建華

(江蘇卡威汽車工業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212323)

建立了駕駛室有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)剛度(扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度)和模態(tài)分析，了解其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。以駕駛室1階扭轉(zhuǎn)頻率為優(yōu)化目標(biāo)，以影響駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)鍵薄板件厚度作為優(yōu)化變量進(jìn)行了靈敏度分析。經(jīng)過優(yōu)化后的駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度提高了104%，整體1階模態(tài)頻率提高了4.85 Hz。研究結(jié)果為駕駛室或其他結(jié)構(gòu)件振動(dòng)特性研究提供了參考，具有一定的工程意義。

駕駛室；有限元；靈敏度；模態(tài)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

駕駛室是車輛的重要總成，是在車輛行駛中保證駕駛員舒適性的重要部件。研究駕駛室的動(dòng)態(tài)特性有利于分析提高駕駛室振動(dòng)舒適度的措施，減少由于機(jī)械振動(dòng)造成的疲勞破壞。

隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，有限元法已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)階段產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化的重要研究手段[1-8]。

本文通過建立駕駛室有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)剛度和模態(tài)分析。以駕駛室1階扭轉(zhuǎn)頻率為優(yōu)化目標(biāo)，以影響駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)鍵薄板件的厚度作為優(yōu)化變量進(jìn)行靈敏度分析，最終達(dá)到優(yōu)化駕駛室振動(dòng)屬性的目的[9-17]。

1 駕駛室有限元模型

某重型商用車駕駛室由許多薄壁鈑金結(jié)構(gòu)組成，在有限元模擬中采用具有厚度屬性的殼體單元。單元尺寸的大小根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的特征而定。為保證有限元模型求解的精度，單元尺寸控制在5～15 mm。單元形態(tài)以四邊形單元為主。

在實(shí)際操作過程中將駕駛室分為前圍、側(cè)圍、后圍、頂蓋及底板五大部分。模型包含駕駛室骨架(即白車身)，對(duì)車門和玻璃部件等對(duì)剛度貢獻(xiàn)度不大的部件不做考慮。對(duì)駕駛室的各組成部分采用批處理的方法進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。駕駛室有限元模型如圖1所示，共有節(jié)點(diǎn)241 192個(gè)和單元237 796 個(gè)，其中三角形單元占全部單元的3.1%。

駕駛室鈑金薄壁結(jié)構(gòu)通過焊點(diǎn)連接。焊點(diǎn)有限單元的模擬是影響整體模型精度的關(guān)鍵因素。Hypermesh軟件環(huán)境提供了較常用的焊點(diǎn)連接方式。RIGID雖在連接上具有一定的靈活性，但剛度不好調(diào)節(jié)；CWELD單元作為焊點(diǎn)，屬于柔性鏈接，可以進(jìn)行批處理，通過調(diào)整其材料屬性和焊點(diǎn)直徑來吻合實(shí)際駕駛室的剛度情況。駕駛室焊點(diǎn)模型見圖2，模型中含有CWELD 焊點(diǎn)單元2 705個(gè)。

圖1 駕駛室有限元模型 圖2 駕駛室焊點(diǎn)模型

2 駕駛室靜態(tài)剛度分析

駕駛室車身剛度是汽車駕駛室的性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一，用來衡量其在極限工況下抵抗變形的能力。駕駛室車身剛度主要包括扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。

2.1 扭轉(zhuǎn)剛度分析

在車輛實(shí)際行駛過程中，駕駛室通過凹凸不平的路面，左右輪受到一上一下垂直力，造成其發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。其變形的邊界條件如下[9-10]：在左右懸置區(qū)域施加垂直且相反方向的均勻分布載荷，大小為2 000 N，等效集中載荷力的間距根據(jù)實(shí)際駕駛室的懸置距離設(shè)定為1 062 mm；對(duì)后駕駛室兩個(gè)懸置點(diǎn)位置施加完全約束，模擬其在前排車輪受到極限力時(shí)后排由于車架約束不發(fā)生位移變形。圖3為載荷與約束的加載方式，其中箭頭為施加的載荷，三角形為施加的約束。得到扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室的變形云圖，如圖4所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況下載荷與約束的加載方式

圖4 扭轉(zhuǎn)工況下駕駛室變形云圖

計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度的公式如式(1)所示，其中：GJ為扭轉(zhuǎn)剛度；M為轉(zhuǎn)矩；F，L為所受到力和力臂；d為最大位移。

(1)

分析駕駛室的變形云圖，得到其最大變形處在駕駛員右側(cè)圍邊緣處，最大變形量為8.33 mm，從而計(jì)算駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度為 4 726 N·m/deg。

2.2 彎曲剛度分析

在駕駛室整體受到?jīng)_擊時(shí)，其內(nèi)部乘員和座椅由于重力作用與駕駛室有一個(gè)相對(duì)沖擊，會(huì)導(dǎo)致駕駛室產(chǎn)生彎曲變形。乘員質(zhì)量等效為75 kg，座椅質(zhì)量等效為30 kg，以靜態(tài)重力作為載荷邊界，均勻分布在座椅位置處。駕駛室具體載荷條件和約束描述如下：在駕駛室座椅的4個(gè)安裝位置之間和座椅中心處構(gòu)建MPC點(diǎn)，載荷使用集中力，MPC點(diǎn)連接周圍網(wǎng)格，以保證力能夠均布在支撐部位；在兩個(gè)駕駛室座椅處分別施加1 029 N的力來模擬駕駛員和座椅載荷；在駕駛室后懸置點(diǎn)處分別施加5個(gè)自由度的約束，釋放繞左右的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；在兩個(gè)前懸置點(diǎn)位置分別施加4個(gè)自由度的約束，釋放沿前后的方向自由度和繞左右的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。圖5為彎曲工況下載荷和約束的加載方式。有限元分析得到彎曲工況下駕駛室的變形云圖，如圖6所示。

圖5 彎曲工況下載荷和約束的加載方式

圖6 彎曲工況下駕駛室變形云圖

計(jì)算彎曲剛度的公式如式(2)所示，其中：EI為彎曲剛度；F為集中載荷；L為作用點(diǎn)處位移。

(2)

圖6表明：變形量最大的位置并不是在施加載荷的位置，而是在兩個(gè)座椅之間駕駛室地板中間位置。其最大的位移值為 0.141 mm。分析得到駕駛室彎曲剛度為13 900 N·mm-1。

3 駕駛室模態(tài)分析

了解駕駛室的動(dòng)態(tài)特性，從其模態(tài)特征出發(fā)，可以預(yù)測(cè)駕駛室受發(fā)動(dòng)機(jī)、路面以及其他激勵(lì)源的影響。尤其是低階模態(tài)，不僅表現(xiàn)了駕駛室的整體剛度性能，也是表征駕駛室振動(dòng)響應(yīng)特性的重要指標(biāo)。駕駛室前6階彈性模態(tài)頻率及其振型特點(diǎn)見表1， 1階模態(tài)如圖7所示。

表1 駕駛室前6階彈性模態(tài)頻率及其振型特點(diǎn)

圖7 1階模態(tài)振型

表1表明：駕駛室整體剛度偏軟，1階扭轉(zhuǎn)頻率較低，是駕駛室在動(dòng)態(tài)行駛過程中可能與路面頻率重合的階次。由圖7可見：右前圍立柱外板1、前圍擋板2、前圍外橫梁3、左前圍立柱外板4、上角連接板5所在結(jié)構(gòu)部分較為薄弱，變形量較大。

4 駕駛室板件靈敏度計(jì)算

4.1 靈敏度分析

由上述靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析能夠獲得駕駛室較為薄弱的部位是左右前圍立柱外板、前圍擋板、前圍外橫梁、上角連接板。為提高優(yōu)化計(jì)算的效率，不改變?cè)冀Y(jié)構(gòu)的外形尺寸，只以選用部件的厚度屬性作為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。

各個(gè)板件的靈敏度見表2，其中前圍立柱外板的靈敏度遠(yuǎn)大于其他的板件靈敏度?？紤]到駕駛室結(jié)構(gòu)零件的可制造性和最大限度地減少模具的改變量，降低改進(jìn)成本等工程應(yīng)用的實(shí)際，僅選擇前圍立柱外板的厚度進(jìn)行調(diào)整。

表2 1階頻率對(duì)板件厚度的靈敏度 Hz/mm

4.2 駕駛室板件尺寸優(yōu)化過程及結(jié)果分析

商用車的常用車速為30～70 km/h，引起的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)低于15 Hz。針對(duì)駕駛室內(nèi)的乘坐人員而言：人體內(nèi)臟器官的共振頻率為4～8 Hz，人的脊椎系統(tǒng)對(duì)在8～12.5 Hz 頻率范圍的振動(dòng)激勵(lì)非常敏感，因此駕駛室的1階模態(tài)頻率應(yīng)該避開這些頻率范圍。擬優(yōu)化的目標(biāo)為將駕駛室1階模態(tài)頻率提高到15 Hz以上[8]。

以前圍立柱外板的厚度為設(shè)計(jì)變量，以駕駛室1階扭轉(zhuǎn)頻率最大為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。當(dāng)駕駛室前圍立柱的厚度為3 mm時(shí)，目標(biāo)函數(shù)超過15 Hz。以模態(tài)扭轉(zhuǎn)頻率為優(yōu)化目標(biāo)是否對(duì)駕駛室的其他特性有所影響，這在優(yōu)化中無法全面考慮，因此以優(yōu)化模型重新計(jì)算駕駛室的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、模態(tài)特性。優(yōu)化后駕駛室整體靜態(tài)剛度計(jì)算結(jié)果為：

優(yōu)化前后的整體剛度提高了104%，優(yōu)化后駕駛室彎曲剛度與優(yōu)化前相比變化不大。

如表3所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后具有較好的振動(dòng)特性，同時(shí)，駕駛室本體質(zhì)量比原來增加不多，兼顧了輕量化的要求，其他靜態(tài)性能也能得到較好的保證。

表3 駕駛室結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

5 結(jié)論

1) 以CWELD單元作為薄壁件的焊點(diǎn)連接，可以更好地模擬駕駛室結(jié)構(gòu)特性，對(duì)于模型的修正有較好的靈活性。

2) 靜態(tài)的扭轉(zhuǎn)剛度、1階模態(tài)顯示了駕駛室剛度待加強(qiáng)的部位，可以作為下一階段靈敏度分析的基礎(chǔ)。

3) 進(jìn)行了基于尺寸的靈敏度分析，在不改變基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)前提下，有效地減少了計(jì)算量，具有很好的工程價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Vibration Simulation and Optimization of Cab Based on Size Sensitivity

NI Jian-hua

(Jiangsu KAWEI Automotive Industry Group Co., Ltd., Zhenjiang 212323, China)

Through the establishment of the cab finite element modeling, this paper analyzed its static rigidity (torsional rigidity and bending stiffness) and modal analysis to understand the static and dynamic characteristics. This paper also took the cab first order torsional frequency as the optimization goal to influence the cab torsion stiffness of the key sheet thickness as optimization variables and to conduct sensitivity analysis. Finally, by comparison, the vibration characteristics of the cab through the optimized have a 104 % increase on torsional rigidity and the first-order mode frequency of cab improves 4.85 Hz overall, thus it effectively improves the vibration characteristics of the cab. Methods and conclusions of this paper can be used as an important reference optimizing the cab or other structures in some engineering significance.

cab; finite element; sensitivity; modal; structural optimization

2015-05-20 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405221)

倪建華(1973—)，男，江蘇寶應(yīng)人，主要從事車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。

倪建華.基于尺寸靈敏度的駕駛室振動(dòng)仿真與優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(9):38-41.

format：NI Jian-hua.Vibration Simulation and Optimization of Cab Based on Size Sensitivity[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(9):38-41.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.09.006

U463

A

1674-8425(2015)09-0038-04