基于振動(dòng)特性的重型車導(dǎo)流罩優(yōu)化設(shè)計(jì)

田鈺楠 蔡甫 郝琪 陳宏煌 孫艷明

摘? ?要：以某國產(chǎn)重型車以塑代鋼的導(dǎo)流罩為研究對(duì)象，基于廠方提出規(guī)避22～28 Hz振動(dòng)頻率的技術(shù)要求對(duì)導(dǎo)流罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).建立導(dǎo)流罩有限元模型，根據(jù)原設(shè)計(jì)方案在規(guī)避頻率段的振型特點(diǎn)，在不改變注塑件本體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行導(dǎo)流罩支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，避開振動(dòng)頻率區(qū)間（22～28 Hz）.然后在考慮振動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，以支撐結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流罩頂面、肋和導(dǎo)流罩側(cè)面的厚度為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行以輕量化為目標(biāo)的尺寸優(yōu)化.結(jié)果表明導(dǎo)流罩避開了振動(dòng)頻率區(qū)間，質(zhì)量減輕了3.12%且剛度強(qiáng)度均滿足要求.

關(guān)鍵詞：重卡;導(dǎo)流罩;模態(tài)分析;尺寸優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.8? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.012

0? ? 引言

重型車載貨量大，實(shí)際使用的車速、荷載增加，使得耗油量不斷增大.導(dǎo)流罩是裝在載貨汽車或牽引汽車的駕駛室頂部的空氣導(dǎo)流裝置，可以有效地減小汽車在高速行駛時(shí)受到的空氣阻力并降低油耗量.國內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)流罩的研究主要集中在導(dǎo)流罩外流場(chǎng)和導(dǎo)流罩外形方面[1-2]，對(duì)導(dǎo)流罩振動(dòng)特性及輕量化的研究較少.導(dǎo)流罩發(fā)生共振后，會(huì)引起導(dǎo)流罩振動(dòng)劇烈，影響結(jié)構(gòu)壽命，極大的影響駕駛員駕駛注意力，對(duì)重型車的行駛安全產(chǎn)生影響.

某國產(chǎn)重型車導(dǎo)流罩為適應(yīng)輕量化要求，進(jìn)行以塑料代玻璃鋼的改型設(shè)計(jì)，使導(dǎo)流罩本體質(zhì)量降低41%，設(shè)計(jì)滿足廠方結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及輕量化指標(biāo)要求.但該導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)在車輛怠速時(shí)發(fā)生共振，根據(jù)廠方要求，需避開發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在450～600 r/min區(qū)間時(shí)的振動(dòng)頻率區(qū)間（22～28 Hz）[3-5].本文首先從工程快速解決問題的角度出發(fā)，提出了一種不改變注塑模具的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案;進(jìn)一步利用尺寸優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法，通過輕量化設(shè)計(jì)得到基本動(dòng)靜態(tài)性能全面符合設(shè)計(jì)要求的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，為后期改型設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1? ? 有限元模型的建立

1.1? ?網(wǎng)格處理

導(dǎo)流罩的內(nèi)部分布有整體加強(qiáng)肋和2個(gè)主加強(qiáng)肋.通過與支座連接的前后兩根鋼管進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和與車身駕駛室的連接，如圖1所示.外形尺寸為1 925 mm×859 mm×615 mm，總質(zhì)量為21.35 kg.

采用平均單元尺寸5 mm×5 mm的2D四邊形單元?jiǎng)澐謱?dǎo)流罩有限元網(wǎng)格，連接部位細(xì)化網(wǎng)格為3 mm×3 mm.網(wǎng)格質(zhì)量滿足業(yè)內(nèi)CAE標(biāo)準(zhǔn)[6].導(dǎo)流罩與駕駛室頂部、導(dǎo)流罩本體與支撐桿等部件均采用1D剛性模擬螺栓單元的連接.

1.2? ?材料及零部件參數(shù)

導(dǎo)流罩主要的材料為PP+30%GF、PA6+30%GF和Q235.其中主體采用樹脂中密度最小的PP材料，極大地減小了導(dǎo)流罩的質(zhì)量.加強(qiáng)肋使用強(qiáng)度及剛度性能更好的PA6材料.兩種材料中均添加30%的玻璃纖維，可提高材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、耐熱性、耐老化性等[7-8].導(dǎo)流罩支撐構(gòu)件使用金屬材料Q235.為保證構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度，強(qiáng)度計(jì)算中取安全因數(shù)為1.3，導(dǎo)流罩的材料具體性能見表1.

1.3? ?工況條件

汽車相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣作用力在行駛方向形成的分力稱為空氣阻力.本文只討論無風(fēng)條件下汽車的運(yùn)動(dòng)，即式（1）[9]：

式中，A為沿汽車行駛方向上的投影面積;CD為某重型車的風(fēng)阻系數(shù)，取0.535;[ua]為車速，高速公路上重型車行駛的最高車速為100 km/h[10].由于本文未考慮風(fēng)速，考慮到高速行駛重型車的車速和試車測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)因強(qiáng)度問題引起的破壞現(xiàn)象，所以取較大的安全系數(shù)，提高安全系數(shù)20%[11]，[ua]取120 km/h.約束導(dǎo)流罩與駕駛室接觸面的垂直方向自由度，約束導(dǎo)流罩安裝點(diǎn)全部自由度.

2? ? 導(dǎo)流罩基本性能分析

2.1? ?靜態(tài)性能分析

靜態(tài)性能考慮自重，施加120 km/h的風(fēng)載.最大應(yīng)力處為支撐結(jié)構(gòu)與固定件接觸處，如圖2所示.最大應(yīng)力為50.6 MPa，該處材料為Q235，許用應(yīng)力為? ? ? ?180 MPa，導(dǎo)流罩本體最大應(yīng)力為11.9 MPa，許用應(yīng)力為55 MPa，均有較大的安全裕度;最大位移變形? ?5.54 mm，在廠方合格范圍內(nèi).

2.2? ?振動(dòng)特性分析

約束模態(tài)下，原設(shè)計(jì)的固有頻率中第三階和第四階的固有頻率位于22～28 Hz之間，分別為22.59 Hz和25.91 Hz，且第五階極為靠近28 Hz.其振型圖如圖3—圖5所示.第三階振型主要表現(xiàn)為最高頂面中心位置處的振幅較大;第四階振型的最大振幅出現(xiàn)在頂面中部，均體現(xiàn)為一階彎曲，這與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，頂面中心位置是距離支撐最遠(yuǎn)的地方，剛度較弱;第五階振型圖與第三階振型圖類似，在中間偏兩邊振幅較大.

3? ? 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)

考慮塑模成本問題，導(dǎo)流罩本體結(jié)構(gòu)先不宜更改.根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，加強(qiáng)該頻率范圍內(nèi)振型最大處的支撐.方案1結(jié)合第三階振型圖特點(diǎn)，在上支撐結(jié)構(gòu)中心位置上添加兩個(gè)三角撐來提高剛度，如圖6所示.方案2根據(jù)第三、四階振型特點(diǎn)，在導(dǎo)流罩中間和邊緣處添加了兩根鋼管，欲減小兩處中間的彎曲變形來提高剛度，如圖7所示.

對(duì)方案1和方案2與原方案進(jìn)行對(duì)比分析，靜態(tài)性能分析如表2.表3對(duì)比了兩種方案約束模態(tài)下的振動(dòng)特性.

方案1和方案2強(qiáng)度和位移均滿足要求.從仿真結(jié)果看，方案1起到了提高結(jié)構(gòu)剛度的作用，但原低階頻率也落到設(shè)計(jì)需規(guī)避的范圍內(nèi)，且階數(shù)增加.方案2極大地提高了剛度質(zhì)量比，使得各階頻率有較大的提高，但仍有一階頻率落在需規(guī)避區(qū).

綜上所述，由于方案2中增加了一部分結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)質(zhì)量仍在廠方許可范圍內(nèi)，但使得導(dǎo)流罩質(zhì)量增加了12.9%;方案2在中間的支撐結(jié)構(gòu)，受到風(fēng)阻后對(duì)支撐結(jié)構(gòu)有一個(gè)向下的壓力，在鋼管的連接處集中，導(dǎo)致此處的應(yīng)力增大近50%，但在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi).為了實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，同時(shí)規(guī)避設(shè)計(jì)頻率區(qū)域段，需對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化.

4? ? 導(dǎo)流罩尺寸優(yōu)化

4.1? ?設(shè)計(jì)要求

本次尺寸優(yōu)化在方案2的基礎(chǔ)上，選取4個(gè)設(shè)計(jì)變量，分別為鋼管、導(dǎo)流罩頂面、主加強(qiáng)肋和導(dǎo)流罩側(cè)面的厚度，厚度的變換范圍為原始模型的厚度尺寸±20%，精度為0.1 mm.設(shè)計(jì)約束為避開22～28 Hz，設(shè)計(jì)目標(biāo)為總質(zhì)量最小化.具體設(shè)計(jì)變量如表4所示.

4.2? ?優(yōu)化結(jié)果分析

利用OptiStruct求解器，最終經(jīng)過3步迭代步得到的結(jié)果滿足要求.各部分厚度變化見表5，由表5可知尺寸全部減小，其中鋼管厚度降低達(dá)到33.3%.對(duì)導(dǎo)流罩進(jìn)行靜態(tài)性能分析，具體參數(shù)對(duì)比如表6.

優(yōu)化后導(dǎo)流罩質(zhì)量為20.682 kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo).最大位移減小，剛度滿足要求.對(duì)各種材料的Vonmises 進(jìn)行查看，如表7所示.導(dǎo)流罩本體材料為PP+30%GF和PA6+30%GF，原始模型所受最大應(yīng)力為17.6 MPa，優(yōu)化后減小到15.2 MPa，一部分力由支撐鋼管承受，所以支撐鋼管與駕駛室連接處依然是應(yīng)力相對(duì)較大處，最大值為77.5 MPa，但強(qiáng)度均滿足要求.

優(yōu)化后的頻率對(duì)比如表8所示.由于部件厚度減小，單位質(zhì)量的剛度相對(duì)于方案2有所降低，優(yōu)化后的二階頻率降低到21.93 Hz ，經(jīng)過尺寸優(yōu)化后導(dǎo)流罩的在約束模態(tài)的固有頻率已經(jīng)全部避開了22～28 Hz頻率段，滿足設(shè)計(jì)要求，這也減少了方案2中的過大的安全域度.優(yōu)化方案的質(zhì)量相對(duì)方案2降低了14.2%，在規(guī)避了振動(dòng)問題后，相對(duì)于原方案質(zhì)量也減少了3.1%.

5? ? 結(jié)論

1）通過對(duì)導(dǎo)流罩進(jìn)行基本振動(dòng)特性的有限元分析，掌握各頻率振動(dòng)特點(diǎn)，可以為改進(jìn)設(shè)計(jì)指明方向.

2）在導(dǎo)流罩本體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，通過增加支撐鋼管結(jié)構(gòu)，雖可以在工程中快速解決問題，但相對(duì)剛度過大，質(zhì)量增加偏大.

3）綜合考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用尺寸優(yōu)化，在增加支撐剛度基礎(chǔ)上，通過合理的剛度分布，降低二階頻率，有效地避開22～28 Hz振動(dòng)區(qū)間并減輕總質(zhì)量，相對(duì)原方案質(zhì)量減輕了3.12%且剛度強(qiáng)度均滿足要求.

4）本文主要對(duì)導(dǎo)流罩進(jìn)行性能分析，缺少試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，僅具有理論參考意義.本文的研究方法為工程中解決基本振動(dòng)問題提供一種解決思路.

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