平地機(jī)駕駛艙動力學(xué)特性研究

王志斌，于明，趙堅(jiān)，洪學(xué)武，劉海強(qiáng)，劉聰，寧凡

（天津城建大學(xué)a.控制與機(jī)械工程學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津300384）

0 引 言

平地機(jī)駕駛艙是駕駛員操縱平地機(jī)工作的活動空間，是平地機(jī)操作系統(tǒng)的總平臺，其自身的振動特性和駕駛舒適性將直接影響平地機(jī)整體的運(yùn)行狀況及駕駛員的操作舒適度，并最終影響平地機(jī)正常使用的工作效率[1-3]。通常，平地機(jī)的駕駛艙只依據(jù)其靜態(tài)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，只要求駕駛艙結(jié)構(gòu)滿足一定的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性即可，但在平地機(jī)正常工作過程中還要考慮到駕駛艙及平地機(jī)自身的動態(tài)特性，減少駕駛艙在平地機(jī)工作過程中由于振動而引起的結(jié)構(gòu)變形等情況，因此在設(shè)計(jì)平地機(jī)駕駛艙時(shí)更需要考慮其動態(tài)特性[4]。

本文就某型號平地機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)振動及結(jié)構(gòu)合理性的問題，利用ANSYS軟件對平地機(jī)駕駛艙進(jìn)行了計(jì)算模態(tài)分析，為鑒定平地機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)是否完善和判斷其結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)提供依據(jù)，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)[5]。

1 模態(tài)分析理論

振型和固有頻率是表達(dá)振動系統(tǒng)特性的重要參量，是影響平地機(jī)駕駛艙動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[6]。對于平地機(jī)駕駛艙這樣具有多自由度的大型振動系統(tǒng)，若求出其全部的振型和固有頻率是極其困難的，系統(tǒng)較低的若干階固有頻率與相應(yīng)的振型對其動態(tài)響應(yīng)的影響最大，因此在研究平地機(jī)駕駛艙系統(tǒng)的振動響應(yīng)時(shí)往往只需了解少數(shù)的振型和固有頻率[7]。在振動分析中，研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種普遍方法就是計(jì)算模態(tài)分析[8]。對駕駛艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可以得出結(jié)構(gòu)振動的固有形態(tài)，其根本表達(dá)的是剛度分布特性，鑒于駕駛艙阻尼小而剛度大，因此在有限元模型中采用無阻尼自由振動系統(tǒng)[9]。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出平地機(jī)駕駛艙系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為平地機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、故障診斷等的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 駕駛艙有限元模型的建立

某平地機(jī)駕駛艙簡化平面圖如圖1所示。

為使駕駛艙能夠合理地進(jìn)行有限元分析，盡可能地簡化駕駛艙模型，且為使駕駛艙有限元模型網(wǎng)格劃分更方便，駕駛艙結(jié)構(gòu)的圓角和倒角處畫成直角， 按照1:1 比例用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)出駕駛艙三維模型，如圖2所示。

本文將實(shí)體模型導(dǎo)入至ANSYS中。為保障平地機(jī)駕駛艙具有足夠的壽命、可靠性，以及防止產(chǎn)生共振，需要對其進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)分析，從而錯(cuò)開平地機(jī)駕駛艙的固有頻率和激勵(lì)源的頻率[10]。駕駛艙結(jié)構(gòu)材料如表1所示。

選擇Solid65 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型結(jié)構(gòu)對稱，故而選擇FREE網(wǎng)格劃分，得到單元數(shù)為15 023，節(jié)點(diǎn)數(shù)為6817，如圖3所示。

表1 駕駛艙結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 駕駛艙模態(tài)分析

由于自由模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)本身的固有特性，憑此可進(jìn)行故障診斷及優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以本文先進(jìn)行自由模態(tài)分析。

3.1 自由模態(tài)分析

因發(fā)動機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵(lì)頻率為40 Hz，所以設(shè)置模態(tài)分析頻率取值范圍為0～200 Hz，進(jìn)行求解運(yùn)算，取駕駛艙前4階模態(tài)，模態(tài)頻率如表2所示，模態(tài)振型顯示如圖4所示。

由表2可知，最大變形發(fā)生在145.9 Hz附近，此時(shí)駕駛艙車門與車窗之間的兩側(cè)板左右劇烈擺動，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致側(cè)板斷裂。

表2 駕駛艙自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果

3.2 約束模態(tài)分析

駕駛艙結(jié)構(gòu)的約束模態(tài)分析，即在駕駛艙底側(cè)4個(gè)螺孔處添加固定約束，模態(tài)分析的頻率范圍取0～500 Hz，得到駕駛艙前4階模態(tài)數(shù)據(jù)如表3所示，振型如圖5所示。

由表3可知，駕駛艙約束模態(tài)中的第2階駕駛艙左右劇烈振動，由于駕駛艙底部受約束固定不動，所以最終振型圖呈現(xiàn)出的結(jié)果是駕駛艙兩側(cè)板被壓彎，且此時(shí)變形量最大且最容易引起疲勞時(shí)效，故判定此處為駕駛艙的薄弱環(huán)節(jié)，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表3 駕駛艙約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

1）自由模態(tài)分析時(shí)，最大振幅在第4階振型（此時(shí)駕駛艙左右擺動），駕駛艙兩側(cè)板處易發(fā)生變形；第2階振型頻率與發(fā)動機(jī)的建立頻率相近，易發(fā)生共振現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免此現(xiàn)象發(fā)生。

2）平地機(jī)駕駛艙約束模態(tài)分析時(shí)，第2、3階振型相近（此時(shí)駕駛艙左右振動），會造成駕駛艙兩側(cè)板彎曲變形，且是最大變形處，故認(rèn)為該處為駕駛艙最薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)對平地機(jī)駕駛艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

3）通過平地機(jī)駕駛艙的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，從理論上找到了各階固有頻率和振型，為接下來平地機(jī)駕駛艙的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了較為全面的數(shù)據(jù)參考。