基于模态分析的重型卡车后视镜结构优化

邵林 李浩然 邓超

摘 要：为改善后视镜在重型卡车行驶过程中的抖动，提高行车安全性，缩短某新型卡车研发周期，节省模具开发及修改费用，根据后视镜不同结构与计算机模拟仿真技术相结合的方式，按照“导入CAD模型—建立有限元模型—导入材料参数—建立约束—分析方案，察看结果”的流程，对重型卡车外后视镜结构进行研究。通过对不同结构和材料后视镜的振动模态进行分析，为后视镜的开发提供了可靠的数据支持。

关键字：后视镜；有限元模型；模态分析

中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-135-04

Abstract： In order to improve the vibration of rear-view mirror of a heavy-duty truck in driving condition， enhance the safety of driving， shorten the period of development and decrease the cost of modification， combined with computer simulation approach， according to the process of “importing CAD model， establishing FEM model， assigning material properties， applying constraints， solving the cases， checking the results”， different structure of rear-view mirror are studied. By analyzing the vibration modes of rear-view mirror of different structure and material， a reliable and measurable proof is provided for the development of rear-view mirror.

Keywords： rear-view mirror； FEM model； vibration modes analysis

CLC NO.： U462.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-135-04

前言

在重型卡车行驶过程中，发动机、传动系统和路面激励的振动通过车架前悬置及驾驶室悬置传递至驾驶室，引起车身的振动，造成后视镜不同程度的抖动。严重的抖动会导致驾驶员后方视线不清，易引发误判，进而发生交通事故，造成人员伤亡和财产损失。因此，重型卡车后视镜除了满足国家相关法律法规的要求，对后视镜镜面的曲率半径、镜面尺寸和安装位置进行合理选择外，必须关注后视镜的动态特性。文章主要对重型卡车后视镜的结构形式与振动模态分析结果进行研究。

1 后视镜基本特征

重型卡车的后视镜应给驾驶员提供优良的后视野，同时能根据驾驶员的要求进行一定范围内的调节，而不会造成影像失真。重型卡车的后视镜一般安装在左右车门前部，为驾驶员提供左右后方的视野，为此外后视镜的镜片制成球面镜。主镜的曲率半径为1200mm，失真率<3%；广角镜曲率半径为300mm，失真率<3%。

2 后视镜结构特点

后视镜与车身通过上固定座和下固定座连接，如图1所示。

后视镜总成结构，如图2所示。后视镜总成由镜片、后视镜镜体、后视镜镜座、内部铸铝件、后视镜后盖、镜臂后盖、后视镜上下支座、支座外装饰板和下视摄像头组成。

镜片、镜托板和转向电机固定在后視镜镜体上，通过镜臂与上、下支座连接，后视镜后盖和支座外装饰板通过卡扣结构安装在后视镜镜体上及上、下支座上， 6个螺栓在车身连接螺栓预埋或安装在后视镜固定座分总成上，与车门连接。

决定后视镜振动模态的主要影响结构是内部铸铝件和上、下支座的结构及材料。内部铸铝件与后视镜镜座采用注塑一体结构，如图3 所示。为提高上、下支座本体强度，一般采用内部布置加强筋。

3 外后视镜结构的有限元模型描述

3.1 后视镜有限元分析概述

重型卡车的行驶工况复杂，发动机激励及路面激励时刻处于变化之中，使得后视镜振动在一个频率范围内变化，为了避免后视镜在车辆的行驶过程中发生共振，保证后视镜的振动在国家及企业标准内，就要对其固有频率进行控制。企业对后视镜的设计规范中，要求进行固有频率测定。利用加速度传感器布置在后视镜及车身上，对后视镜施加激振打击，通过LMS SCADAS Mobile数采前端（64通道）模态信息采集器测定后视镜的固有频率。评定标准为：后视镜一阶模态频率必须在15-18Hz。采用有限元分析的主要目的是在设计阶段解决性能问题，缩短开发时间，节省试验和后续设计变更带来的费用。前处理软件使用HyperMesh12.0，求解器使用Optistruct，后处理软件使用HyperView 12.0。

3.2 模态分析有限元法

3.2.1 结构离散化

该步骤与静力分析完全相同，只是由于两者分析内容不同，对网格形式的要求有可能不一样。例如，静力分析时要求在应力集中部位加密网格，但在动态分析中，由于固有频率和主振型主要与结构的质量和刚度分布有关，因此它要求整个结构采用尽可能均匀的网格形式。

3.2.2 单元分析

单元分析的任务仍是建立单元特性矩阵，形成单元特性方程。在动态分析中，除刚度矩阵外，单元特性矩阵还包括质量矩阵和阻尼矩阵。采用虚位移原理建立单元特性矩阵。在动载荷作用下，对于任一瞬时，设单元节点发生虚位移 ，则单元内产生相应的虚位移 和虚应变 。这时单元内产生的虚应变能为：

称为单元节点载荷列阵，它是作用在单元上的体力、面力和集中力向单元节点移置的结果。

3.2.3 总体矩阵集成

总体矩阵集成的任务是将各单元特性矩阵装配成整个结构的特性矩阵，从而得到整体平衡方程，即：

结构的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵均由单元的相应矩阵集合而成。

3.3 Radioss的模态提取方法

Radioss软件中的模态分析是线性分析，即在模态分析中只有线性行为是有效的，任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略，它们将被当作是线性的。例如，如果分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度值并且不再改变此刚度值。但材料性质可以是线性的或非线性的、各向同性的或正交各向异性的、恒定的或和温度相关的。在进行模态分析运算时必须指定杨氏模量（EX）和密度（DENS）。

Radioss中可选择的模态提取方法有7种：Subspace法、Block Lanczos（分块Lanczos）法、PowerDynamiCS法、Reduced法、Unsymmetric法和Damped法和QRDamped。

在通常应用中，我们一般选择前四种方法即Subspace法、BlockLanczos法、Power Dynamics法及Reduced法。Unsymmetric法和Damped法和QRDamped法只是在特殊情形下才会用到。模态提取方法主要取决于模型的大小（相对于计算机的计算能力而言）和具体的应用场合。综合比较四种方法，由于车架的有限元模型含有较多的节点和单元。再结合模型与电脑硬件配置，本文选用分块Lanczos法进行模态分析。

3.4 后视镜模态

后视镜使用2阶实体单元模拟，基本单元尺寸为3mm。镜片、镜托板和转向电机采用集中质量单元进行建模，螺栓等连接使用RBE2 刚性单元模拟。后视镜固定于车门有限元模型，如图4所示。

后视镜总质量为5.26Kg，其中配重2.07Kg。

4 后视镜模态结果

计算后视镜模态，将后视镜安装在带车门和前挡风的白车身上，约束驾驶室悬置，计算其50Hz内的模态结果，重点重点关注后视镜一阶模态频率。計算后得到：右侧后视镜的一阶模态为14.1Hz，如图5所示。NVH试验实际测量结果为14.5Hz，仿真结果与试验结果相差范围在3%，图6为测量现场。

5 结论

后视镜作为重型卡车宽度方向上最外缘的产品，在车辆行驶过程中受车辆振动影响最大。作为驾驶员观察工具，后视镜振动直接影响到行车安全，所以在车辆研发初期应重视后视镜的振动特性。通过CAE仿真分析，能在设计阶段掌握重型卡车后视镜的振动模态，规避振动问题，提高设计质量，节省模具修改的费用，使后视镜开发周期得以缩短。后视镜振动模态分析只是NVH 问题中的一部分，关于重型卡车后视镜在行车中的噪声仿真分析等方面还需要做进一步探索。

参考文献

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