特種車駕駛室模態(tài)計(jì)算及試驗(yàn)

楊獻(xiàn)學(xué) 郭文天 曹寓 張輝

摘 要：為研究特種車駕駛室的模態(tài)特性，文章以駕駛室為分析對象，采用有限元法分析獲取其振動模態(tài)計(jì)算數(shù)據(jù)，并通過試驗(yàn)測試獲得駕駛室的模態(tài)測試數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)比對和迭代分析，驗(yàn)證了仿真模型簡化和分析方法的有效性，此方法可應(yīng)用于駕駛室類框架蒙皮結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析。

關(guān)鍵詞：特種車駕駛室;模態(tài)分析;模態(tài)試驗(yàn)

中圖分類號：U469.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-187-03

Modal Calculation and Test of Special Vehicle Cab

Yang Xianxue，?Guo Wentian，?Cao Yu，?Zhang Hui

（?Beijing Institute of Space Launch Technology，?Beijing 10076?）

Abstract：?In order to investigate the modal characteristics of special vehicle cab，?take the cab as the analysis object， using the finite element method to obtain the vibration modal calculation data. And get the modal test data of the cab through the test. Finally， through data comparison and iterative analysis， the validity of simulation model simplification and analysis method is verified. This method can be applied to the vibration modal analysis of cab frame and skin structure.

Keywords： Special vehicle cab; Modal analysis; Modal test

CLC NO.： U469.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-187-03

1 引言

車輛NVH特性是指在車輛工作條件下駕駛員和乘員感受到的噪音、振動和聲振粗糙度，是衡量汽車質(zhì)量的重要綜合性指標(biāo)。駕駛室作為重型車重要的系統(tǒng)之一，可直接將振動噪音傳遞給駕駛員和成員，其結(jié)構(gòu)性能的好壞對整車NVH有重要影響，因此研發(fā)階段就必須嚴(yán)格控制駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)等車輛NVH性能關(guān)鍵參數(shù)。

駕駛室的噪音成分含有低頻、中頻和高頻，載車研發(fā)階段要分別考慮并對其進(jìn)行擬制。通常由結(jié)構(gòu)振動引發(fā)的振動噪音為低中頻，易引起成員疲勞煩躁等不適，嚴(yán)重影響汽車乘坐的舒適性，本文基于某特種車駕駛室，采用有限元仿真分析方法，模態(tài)測試技術(shù)，研究駕駛室的結(jié)構(gòu)模態(tài)，為駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和NVH性能改善提供重要依據(jù)。

2 模態(tài)有限元分析

2.1 幾何模型建立

采用UG軟件進(jìn)行駕駛室三維建模，結(jié)構(gòu)如圖1所示。駕駛為框架蒙皮結(jié)構(gòu)，模型建立過程中保證不影響結(jié)構(gòu)整體動特性及分析精度的前提下進(jìn)行了簡化，一方面消除了一些工藝成型的細(xì)節(jié)，例如焊縫間隙、焊縫坡口、成型尖角、螺栓孔倒角、工藝小孔等，另一方面刪除了反光鏡及支架、內(nèi)飾、橡膠密封件及車門等非承載類零件。

2.2 有限元幾何模型建立

采用三維幾何模型導(dǎo)入的方法建立有限元模型，可以通過直接導(dǎo)入或采用中間格式文件例如.sat，.iges，.x_t等導(dǎo)入到有限元軟件。

導(dǎo)入進(jìn)來的駕駛室實(shí)體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通常采用抽取中面方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，同時(shí)對一些不必要的縫隙和面缺失進(jìn)行了清理，調(diào)整了結(jié)構(gòu)的自由邊、共享邊、壓縮邊和T形接頭連接邊，刪除模型中小的倒角、圓角、孔等細(xì)微特種，并擬制了較小的幾何體。

根據(jù)駕駛室的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其主體框架采用了梁單元進(jìn)行簡化，板材采用了殼單元簡化，采用rigid單元模擬鉚接和螺栓連接的剛度特性和其對周圍零件的影響，采用了ACM2單元模擬點(diǎn)焊，簡化后的有限元模型如圖2所示。

2.3 分析計(jì)算

駕駛室模態(tài)計(jì)算通常選擇擴(kuò)展模態(tài)，模態(tài)數(shù)通常設(shè)置不大于50階，模態(tài)頻率一般設(shè)定不大于100Hz。

本款駕駛室上設(shè)計(jì)有多處承載設(shè)備的安裝接口，本次就其對整體結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，分別計(jì)算了全主體結(jié)構(gòu)和簡化主體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，結(jié)果如圖3所示。通過對比兩者相差不大于2.1%，所以本次采用簡化框架模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到了駕駛室的模態(tài)數(shù)據(jù)如表1所示。

3 模態(tài)試驗(yàn)測試

模態(tài)試驗(yàn)測試分析通常包括時(shí)域法和頻率法，采用最多的是通過試驗(yàn)測定傳遞函數(shù)并識別模態(tài)參數(shù)，屬頻率法。通常包括以下四個(gè)步驟：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振、測量力和響應(yīng)數(shù)據(jù)、估算傳遞函數(shù)、識別模態(tài)參數(shù)。

本次獲取駕駛室模態(tài)試驗(yàn)參數(shù)的方法為：先采用錘擊法測得的試驗(yàn)件各測量點(diǎn)的加速度響應(yīng)，計(jì)算得到各個(gè)點(diǎn)的頻響函數(shù)曲線，再從頻響函數(shù)曲線頻率中獲取試驗(yàn)件的模態(tài)參數(shù)，確定這些模態(tài)的基本特性，分析出試驗(yàn)件的整體模態(tài)和局部模態(tài)分布情況，進(jìn)而得到試驗(yàn)件模態(tài)振動參數(shù)。

3.1?測試步驟?

3.1.1?測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置原則為：（1）盡量布置在振動量大及能反映駕駛室?guī)缀瓮庑翁卣鞯奈恢茫貏e要考慮一些重要的點(diǎn)，如梁與梁的連接點(diǎn)，外力作用點(diǎn)，集中質(zhì)量點(diǎn)，邊界點(diǎn)等。（2）避開關(guān)鍵模態(tài)節(jié)點(diǎn)。主要是指前兩階彎曲模態(tài)和前兩階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。（3）關(guān)注局部模態(tài)的位置應(yīng)布置足夠多的測點(diǎn)。如地板上前、后懸置連接處。（4）在激勵(lì)點(diǎn)與力傳感器平行的地方布置一個(gè)加速度傳感器。本次在駕駛室的內(nèi)部側(cè)圍立柱、前后圍立柱、頂棚及底板進(jìn)行集中布置，布置情況如圖4所示。

3.1.2?駕駛室的懸浮

試驗(yàn)中駕駛室通常應(yīng)為自由—自由的約束方式，通?？刹捎萌嵝泽w吊裝方式或支墊方式，例如采用軟輪胎墊其，彈簧繩吊裝等，通常要求彈性體的剛體模態(tài)頻率小于結(jié)構(gòu)低階模態(tài)頻率的1/6以上，本次采用四根彈簧懸吊的方式，經(jīng)測試，彈簧剛體模態(tài)約為結(jié)構(gòu)低階模態(tài)的0.11倍，其懸掛方式如圖4所示。

3.1.3?激振方式

試驗(yàn)采用了10kg力錘進(jìn)行激振，并選取了剛度較大的懸置點(diǎn)附近進(jìn)行激振。

錘擊法又稱脈沖激勵(lì)方法，是通過力錘敲擊試驗(yàn)件產(chǎn)生脈沖激勵(lì)，同時(shí)加速度傳感器測量試驗(yàn)件的響應(yīng)，經(jīng)過譜分析得到激勵(lì)的自功率譜密度Gff（w）和激勵(lì)與響應(yīng)的互功率譜密度Gxf（w），由公式（1）計(jì)算出頻響函數(shù)。再由頻域直接參數(shù)識別方法分析頻響函數(shù)，得到模態(tài)參數(shù)。

錘擊激勵(lì)方法的試驗(yàn)設(shè)備和軟件系統(tǒng)配置由控制采集處理系統(tǒng)、加速度測量系統(tǒng)和力錘激勵(lì)系統(tǒng)組成，如圖5所示。

3.2?測試結(jié)果及對比

經(jīng)過對測試頻率及對應(yīng)的振型辨別對比，頻率和振型與計(jì)算結(jié)果較吻合，結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

本文通過研究，獲得了特種車駕駛室模態(tài)有限元模型簡化與分析方法和流程，并通過測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合迭代，驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算方法的有效性，為駕駛室類框架蒙皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 谷同金.某輕卡駕駛室模態(tài)性能對標(biāo)分析與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué).2012.

[2] 高書娜，鄧兆祥.車身低噪聲設(shè)計(jì)新方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012， 48：96-102.

[3] 陳國棟，司志遠(yuǎn)，單穎春.某重型商用車駕駛室動態(tài)特性分析及優(yōu)化[J].中國機(jī)械工程，2010，21：2509-2513.

[4] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006，6：20-23.

[5] 孫晉松.某型特種車輛駕駛室結(jié)構(gòu)分析研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.