大客車后視鏡振動性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉旭宇，曾發(fā)林，李建康

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院； b.汽車工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

大客車后視鏡振動性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉旭宇a，曾發(fā)林b，李建康b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院； b.汽車工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

客車后視鏡是駕駛員判斷車周路況的重要依據(jù)，為提高客車行駛安全性，需采用有限元分析方法計算求解后視鏡的動態(tài)特性。采用Hypermesh軟件對后視鏡做約束模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的各階固有頻率及振型。利用LMS測試軟件，通過錘擊法測試計算系統(tǒng)的各階固有頻率及振型以驗(yàn)證仿真模型的有效性。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：后視鏡在側(cè)向與垂向的抖動較大，且1階固有頻率偏低，在該頻率的激勵下易產(chǎn)生共振，影響安全性，需將其控制在規(guī)定閾值內(nèi)。因此對傳統(tǒng)后視鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并進(jìn)行模態(tài)分析，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的一階固有頻率，很好地降低了共振的危險性，提升了整車的NVH性能。這為今后設(shè)計開發(fā)后視鏡提供了預(yù)測，也為提高客車整車NVH提供了依據(jù)。

后視鏡；模態(tài)分析；固有頻率；振型；共振

在汽車行駛過程中，路面激勵、發(fā)動機(jī)、加速減速和傳動系統(tǒng)的振動都會引起車身振動，會造成外后視鏡不同程度的抖動。作為駕駛觀察工具，振動對后視鏡的影響直接關(guān)系到行車安全，嚴(yán)重的抖動會影響駕駛員對車周的視野與操作，從而導(dǎo)致交通安全事故[1]。因此，后視鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)當(dāng)著重注意后視鏡的振動特性[2-8]。

運(yùn)用模態(tài)分析方法可以確定結(jié)構(gòu)或部件的振動特性，即固有頻率和振型，這是后視鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。對后視鏡進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭討B(tài)特性分析，避免在整車工作范圍內(nèi)出現(xiàn)共振，對于提高后視鏡的性能、降低整車振動和噪聲十分重要[9-13]。

本文對某企業(yè)設(shè)計的一款后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析。采用Hypermesh軟件對后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并做約束模態(tài)分析，得到后視鏡的固有頻率和振型，并通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。在對后視鏡模態(tài)分析時發(fā)現(xiàn)，該后視鏡的低階固有頻率接近發(fā)動機(jī)怠速工作時的基頻，易產(chǎn)生共振[1]。因此，對后視鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其1階固有頻率，以避免在相應(yīng)的激振頻率下產(chǎn)生共振，從而改善客車的NVH性能，也為今后的開發(fā)設(shè)計提供了預(yù)測。

1 后視鏡的有限元仿真分析

1.1 后視鏡有限元模型的求解

為了分析后視鏡的動態(tài)特性，必須先建立有限元模型。在后視鏡的振動計算中，系統(tǒng)圓頻率取決于系統(tǒng)本身的參數(shù)M及K，而與初始條件無關(guān)。這表明它是系統(tǒng)本身固有的特性，稱作固有頻率，是振動分析中的一個極為重要的參數(shù)。

根據(jù)彈性力學(xué)有限元法，得到系統(tǒng)振動的運(yùn)動微分方程為

(1)

本文根據(jù)后視鏡實(shí)際的工作狀態(tài)，以其一端為參考并將參考端固定，另一端自由，進(jìn)行約束模態(tài)下的動態(tài)特性研究。

為討論系統(tǒng)的固有特性，建立系統(tǒng)的模態(tài)模型，即令激勵{F(t)}=0。求解系統(tǒng)自由振動的固有頻率和振型時，阻尼對它們影響不大，因此阻尼項(xiàng)可以略去，此時無阻尼自由振動的運(yùn)動方程為

(2)

其對應(yīng)的特征方程為

(3)

其中pi為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的第i個特征值。

通過進(jìn)一步計算，得出pi、ri，其中pi稱作系統(tǒng)的固有頻率，ri稱作系統(tǒng)的固有振型或主振型。pi、ri只取決于系統(tǒng)本身的物理屬性([M]及[K])，而與外部激勵或初始條件無關(guān)。系統(tǒng)所做運(yùn)動稱作固有振動或主振動，每一個主振動稱作一個模態(tài)，pi及對應(yīng)的ri組成第i階模態(tài)參數(shù)[14]。

1.2 后視鏡的模態(tài)分析

后視鏡的模態(tài)分析是利用有限元軟件提取其固有頻率，防止在工作過程中與激振頻率相近產(chǎn)生共振而導(dǎo)致后視鏡振動繼而影響駕駛員觀看路況。在對后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析時，為確保計算結(jié)果能真實(shí)地反映其模態(tài)特性，在有限元軟件中固定其一端，模擬后視鏡的真實(shí)工作狀態(tài)。

模態(tài)分析屬于線性分析，因此將單元類型和材料參數(shù)定義為線性，采取約束模態(tài)來提取后視鏡的固有頻率。通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以求得動態(tài)特性參數(shù)，從而評價結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合要求，并校驗(yàn)理論計算結(jié)果的正確性。

根據(jù)模態(tài)分析理論，在對后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析時，往往采用前幾階模態(tài)，因?yàn)檫@些低頻更接近于發(fā)動機(jī)的激勵頻率和路面的激勵頻率，同時與整車其他相連系統(tǒng)的頻率也較接近，更容易產(chǎn)生共振[15]。因此，低階頻率對后視鏡動態(tài)特性影響最大[16-18]。

在三維建模軟件CATIA中畫出后視鏡的三維模型，如圖1所示。

圖1 后視鏡的幾何模型

該后視鏡用于12.8 m長的大客車，主要材料為鐵，在方管與圓管連接處的關(guān)節(jié)部位采用鋁合金材料來減小振動，其主要用于后視鏡的折疊。其中鏡子端質(zhì)量m=3.696 kg。在Hypermesh中劃分網(wǎng)格并定義材料、屬性、約束和模態(tài)階數(shù)，圖2為該后視鏡的網(wǎng)格模型。與鏡子連接處由一段厚度為5 mm的藍(lán)色圓管連接前后兩段厚度為3 mm的圓管，此處均采用殼(SHEEL)單元，其余各部件均采用四面體單元，各個部件之間的固定連接采用RBE2單元模擬實(shí)際約束。在邊界約束施加過程中盡可能模擬后視鏡的實(shí)際工作狀態(tài)，即固定其一端，這里采用RBE2單元模擬4個螺栓孔的固定。

根據(jù)仿真分析可知，前3階振型為該后視鏡的主要振型，因此對仿真結(jié)果只提取前3階固有頻率與振型。后視鏡前3階固有頻率及振型見表1及圖3。其中以固定端面為基準(zhǔn)，由固定端指向后視鏡長度方向?yàn)閄方向；以其安裝在客車上的方向?yàn)闇?zhǔn)，后視鏡左右方向?yàn)閅方向，垂直于后視鏡向上為Z方向。

1.固定端；2.方管；3.鋁關(guān)節(jié)；4.圓管1；5.套管；6.圓管2；7.鏡子

振型階次固有頻率f/Hz振型描述110．32在XY平面內(nèi)擺動214．87在XZ平面內(nèi)擺動336．27繞Z軸扭轉(zhuǎn)

圖3 前3階模態(tài)振型

由此看出，后視鏡的低階固有頻率較小，尤其是第1階固有頻率f=10.32 Hz。當(dāng)發(fā)動機(jī)在怠速(600 r/min)下工作時，其1階頻率與該后視鏡的1階頻率較接近，因此易產(chǎn)生共振。這是后文要解決的主要問題。

2 后視鏡的試驗(yàn)?zāi)B(tài)驗(yàn)證

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，所得到的動態(tài)特征參數(shù)比較符合實(shí)際情況(尤其是低階模態(tài))。因此，在結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計建模中，將試驗(yàn)與計算分析聯(lián)合應(yīng)用，使得所建模型較為符合實(shí)際結(jié)構(gòu)。

為了模擬后視鏡的實(shí)際安裝，固定夾具采用實(shí)際的姿態(tài)、方向以及角度。整體坐標(biāo)系的建立符合右手螺旋定則，X方向設(shè)為后視鏡前伸方向，Y方向設(shè)為乘員左側(cè)水平方向，Z方向設(shè)為垂直向上，根據(jù)后視鏡在車上的實(shí)際裝配，模擬其約束狀態(tài)，見圖4。

圖4 坐標(biāo)系與實(shí)際約束

利用LMS Test.Lab測試軟件、美國PCB的ICP三向加速度傳感器及力錘，通過錘擊法(Impact Test)測試該后視鏡的固有頻率與振型[19]。選擇3個響應(yīng)點(diǎn)，每個響應(yīng)點(diǎn)包括X、Y、Z3個方向自由度，布置原則盡量選取剛度比較大的點(diǎn)。各響應(yīng)點(diǎn)(傳感器)布置見圖5。

利用LMS中的PolyMAX模塊對采集到的數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)進(jìn)行參數(shù)識別，綜合所有響應(yīng)點(diǎn)頻響函數(shù)FRF計算出后視鏡系統(tǒng)的頻響函數(shù)穩(wěn)定圖，如圖6所示。

由圖6可以看出：1階固有頻率為10.016 Hz，2階固有頻率為14.828 Hz，3階固有頻率為34.769 Hz。這與在Hypermesh中仿真得到的模態(tài)固有頻率差值較小，且各階振型與Hypermesh模態(tài)分析仿真一致。

后視鏡在安裝到客車前，還將裝配一些外殼以美化外觀。對安裝完成的后視鏡總成，傳感器按原位置布置，測得其頻響函數(shù)如圖7所示。

圖5 響應(yīng)點(diǎn)布置

圖6 帶鏡子時的頻響函數(shù)

圖7 后視鏡總成的頻響函數(shù)

由圖中可得，1階固有頻率為9.707 Hz，2階固有頻率為14.668 Hz，3階固有頻率為31.620 Hz，4階固有頻率為36.832 Hz，5階固有頻率為42.877 Hz。該結(jié)果與無外殼時固有頻率差值較小，由此可得：后視鏡的外殼對后視鏡固有頻率影響不大。

由以上仿真分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的結(jié)果可知：后視鏡的低階固有頻率較小，尤其是第1階固有頻率f=10.32。為了避免鏡面抖動嚴(yán)重，在客車的相關(guān)規(guī)定中，后視鏡各階固有頻率應(yīng)當(dāng)避免客車的結(jié)構(gòu)頻率與客車運(yùn)行時的頻率，以免引起共振。

后視鏡屬于汽車的安全件，GB15084和ECE R46標(biāo)準(zhǔn)都對其性能進(jìn)行了強(qiáng)制性要求，但強(qiáng)制性要求中只是對視野、安裝及反射率等進(jìn)行要求，對于振動特性則需要企業(yè)依據(jù)自己的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核評價[2]?？蛙嚺c轎車不同，該企業(yè)結(jié)合發(fā)動機(jī)怠速時的基頻規(guī)定后視鏡的1階固有頻率應(yīng)高于15 Hz。因此，在后視鏡的設(shè)計與研發(fā)中，應(yīng)考慮改變后視鏡的相關(guān)參數(shù)來提高后視鏡的第1階固有頻率。

3 后視鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

用模態(tài)分析得到的模態(tài)參數(shù)對有限元模型進(jìn)行修改，使其更符合實(shí)際，從而提高有限元分析的精度，這也是設(shè)計產(chǎn)品的主要手段。用模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)修改，使動態(tài)特性達(dá)到預(yù)定的要求，并使其優(yōu)化，這也是模態(tài)分析的目的之一。

采用仿真分析的方式了解不同結(jié)構(gòu)形式的后視鏡振動模態(tài)，對后期設(shè)計階段避免振動問題、提高設(shè)計質(zhì)量、節(jié)省模具修改的費(fèi)用都有很大的作用，這使得后視鏡開發(fā)周期大大縮短。下面從材料剛度和結(jié)構(gòu)形狀2個方面對后視鏡進(jìn)行改進(jìn)，從而提高固有頻率。

3.1 后視鏡的固有頻率與剛度的關(guān)系

針對后視鏡中間部位的鋁關(guān)節(jié)彎曲較大，與前端的方管處有明顯的折彎現(xiàn)象，建議改變該結(jié)構(gòu)材料屬性以提高剛度，從而提高整個后視鏡的模態(tài)值。對該鋁關(guān)節(jié)列舉了不同材料進(jìn)行仿真，得到各種材料下的模態(tài)值，見表2。

表2 改變材料后的第1階固有頻率

由仿真數(shù)據(jù)得到：通過改變材料來改變局部剛度可以改變該后視鏡的1階固有頻率。因此在該后視鏡設(shè)計中，可以采取剛度差距不大的材料，以免出現(xiàn)振型彎曲明顯。同時針對模態(tài)結(jié)果改變局部剛度來改變固有頻率，避開與客車其他部位的共振。

在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的過程中，若改變材料剛度，將對生產(chǎn)成本造成一定影響。為降低預(yù)算，一般在材料選擇完成后，通過改變結(jié)構(gòu)形狀達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 后視鏡的固有頻率與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1) 方案1

根據(jù)后視鏡實(shí)物，在圓管中間的套管上安裝1個側(cè)視鏡，廠家設(shè)計該套管的另一用途是吸振。為了研究該套管的位置變化對后視鏡的模態(tài)影響，在其他任何條件不變的情況下，通過改變圓管1和圓管2的長度，以及隨之改變的套管的位置，得到該后視鏡的固有頻率變化。

將套管向上移動，即管1變短，管2變長，此時測得的模態(tài)振型與原來的一致，而各階固有頻率均有所增加。若將套管向下移動，即管1變長，管2變短，此時測得的模態(tài)振型與原來的一致，而各階固有頻率均有所減小。將3種情況作對比，結(jié)果分別如圖8和表3所示。

通過分析得知：隨著套管的位置變化，該后視鏡的固有頻率也有變化，但變化幅度較小。具體變化規(guī)律可總結(jié)為：在其他所有條件不變時，套管沿圓管由上向下位移時，后視鏡的固有頻率將由大變小。但該結(jié)果對提高1階固有頻率效果不大，故該方案不予考慮。

圖8 改變套管位置

階次位置上中下110．8110．3210．05215．5914．8714．24336．4736．2735．96

2) 方案2

在后視鏡的1階振型圖中發(fā)現(xiàn)，后視鏡中間部位的鋁關(guān)節(jié)處振幅較大，尤其與前端的方管處彎曲變形較明顯。因此考慮改變該鋁關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，如圖9所示，將該部件由原先的復(fù)雜結(jié)構(gòu)改變?yōu)橐粋€形狀簡易的過渡連接件。

圖9 改變鋁關(guān)節(jié)的形狀

通過仿真分析得到前2階的固有頻率為：1階固有頻率為17.9 Hz，2階固有頻率為23.3 Hz。

因此，改變鋁關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)有助于提高1階固有頻率。后期可以考慮將該部位的形狀優(yōu)化，或改變其材料選擇剛度更高的材料來提高模態(tài)值。

4 結(jié)論

1) 通過模態(tài)分析，根據(jù)振型結(jié)果找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為后視鏡的開發(fā)設(shè)計提供了預(yù)測，減小了設(shè)計人員的工作周期，也極大地降低了設(shè)計成本。

2) 模態(tài)分析結(jié)果表明，低階次模態(tài)下固有頻率相差較小，且固有頻率較低，因此易發(fā)生共振，干擾駕駛員的視線，繼而影響駕駛員對路況的判斷，對于駕駛安全性有著重要影響。

3) 為避免第1階固有頻率與發(fā)動機(jī)怠速時基頻接近，通過改進(jìn)該后視鏡的結(jié)構(gòu)、材料及剛度來提高該頻率。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的后視鏡結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的1階固有頻率，有效地避免了共振，很好地降低了危險性，這為今后提高客車整車NVH性能提供了依據(jù)。

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VibrationPerformancePredictionandStructureOptimizationofPassengerVehicleRear-ViewMirror

LIU Xuyua, ZENG Falinb, LI Jiankangb

(a.School of Automotive and Traffic Engineering;b.Automotive Engineering Research Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Rear-view mirror is an important basis for bus drivers to see the situation around the bus. In order to improve the safety of the automobile in driving, the dynamic properties of rear-view mirror should be simulated and analyzed. The constraint modal analysis of the rear-view was conducted by Hypermesh software, the natural frequencies and mode shapes were got to verify the validity of the simulation model through the impact test of LMS test software. The result indicates that the rear-view mirror has large lateral and vertical vibration and small first natural frequency, which should be controlled within a certain threshold frequency. The structure was optimized based on the result of modal analysis. The simulation result shows that the optimization design improved the first natural frequency and deduced the dangerousness of sympathetic vibration. This provides a prediction for the future design and development of the rear-view mirror as well as a basis to improve the NVH performance for the bus.

rear-view mirror; modal analysis; natural frequencies; mode shapes; sympathetic vibration

2017-09-12

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(11KJA580001)

劉旭宇(1991—)，女，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事振動與噪聲方面的研究，E-mail：1548686739@qq.com。

劉旭宇，曾發(fā)林，李建康.大客車后視鏡振動性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(12):47-52,77.

formatLIU Xuyu, ZENG Falin, LI Jiankang.Vibration Performance Prediction and Structure Optimization of Passenger Vehicle Rear-View Mirror[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):47-52,77.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.008

U463.85+6

A

1674-8425(2017)12-0047-06

(責(zé)任編輯楊黎麗)