矿用车驾驶室动态特性分析及优化
2020-09-10袁菁芸程航
袁菁芸 程航
摘要：以某矿用车驾驶室为研究对象，通过构建有限元分析模型，对驾驶室进行数值模态分析，获取表征动态特性的数值模态参数值。针对驾驶室一阶整体扭转频率与发动机怠速爆发频率值接近的问题，对驾驶室灵敏度较高构件进行以板厚为基础的尺寸结构优化。通过优化提升驾驶室振动舒适性及安全可靠性。
Abstract： The subject of this paper is one mine truck cab. Numerical modal analysis is conducted by finite element analysis model. Parameter values representing dynamic characteristics can also be obtained. For the issue that first overall torsional frequency was close to engine idle frequency which resulted vibration of the cab. Structure optimization based on plate thickness of sensitive components is discussed in this paper to solve the problem. Vibration comfort and safety reliability can be improved by optimization.
关键词：矿用车;动态特性;模态分析;结构优化
Key words： mine truck;dynamic characteristics;modal analysis;structure optimization
中图分类号：TD524 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）21-0050-03
0 引言
近年来，随着国家经济的高速发展，基建项目的数量不断增加，随之而来的工程作业量也不断攀升，工程车辆的使用愈加广泛。工程矿用车作为非道路用车，其外形结构尺寸较大。而驾驶室作为工程作业人员的重要工作场所，是矿用车辆的关键总成。由于矿用车辆长期在不平路面工作，其作业环境较为恶劣且负载变化极为频繁，导致矿用车的振动舒适性及安全性较差[1-3]。因此研究矿用车驾驶室与外界激振频率产生动态干扰的情况，优化并改善矿用车驾驶室的动态特性具有较高的工程价值和实际意义。
本文基于振动理论，在矿用车驾驶室三维模型的基础上应用有限元软件构建了驾驶室的有限元模型，通过求解器的仿真运算对矿用车驾驶室的低阶模态进行分析，获取表征动态特性的数值模态参数，并从驾驶室模态振型和低阶固有频率角度构建矿用车驾驶室的模态评价体系。同时，针对该矿用车驾驶室存在的振动舒适性问题：一阶整体扭转频率与发动机怠速爆发频率接近，对驾驶室主要部件进行以板厚为基础的频率和质量灵敏度分析。在灵敏度分析的基础上，确定出对驾驶室模态频率和质量的敏感件，并通过结构的板厚优化方法对驾驶室动态特性进行优化，在不增加矿用车驾驶室整体质量的基础上实现一阶整体扭转频率的提高，改善驾驶室的振动舒适性，提高矿用车的安全可靠性，并为其他工程车辆的研发设计提供参考。
1 驾驶室有限元分析
1.1 有限元模型构建
本文研究对象的三维模型图如图1所示，为偏置式宽体矿用自卸车驾驶室。由于驾驶室涵盖数量众多的结构件、覆盖件以及部分内外饰件和附件，同时存在的翻遍、小孔以及开口较多，结构较为复杂。这些结构对驾驶室模态特性分析的影响较小，但对有限元模型网格划分和网格质量以及计算分析的经济性影响较大[4]。因此，在不影响驾驶室整体结构力学特性的基础上对原有模型进行简化处理，删减对整体刚度影响较小的相关附件和功能件，简化结构上的一部分小尺寸构件，保留驾驶室结构件和覆盖件，简化处理后的模型如图2所示。
在进行有限元网格划分前，由于本文研究的驾驶室覆盖件是厚度不等的冲压钢板，骨架结构件是厚度不等的折弯钢管，长宽方向尺寸远大于厚度方向，因此直接对模型进行中面抽取处理。同时，由于格式转化后的3D模型存在部分信息缺失以及复杂中面抽取时产生缺陷等问题，还需对模型进行几何清理。清理内容主要包括了重复面的删除、自由边的缝合、小孔洞的填补以及缺失面的重构等。在综合考虑有限元分析精度以及模型计算经济性等问题后，本文确定的单元尺寸大小为5mm，在模型网格划分时对规则的矩形钢管和大面积钢板使用四节点的四边形单元，而对于复杂区域，则采用四边形和三角形混合单元的方式进行网格划分，从而确保单元能与模型实际更相符。
在完成对驾驶室模型的結构简化、几何清理、网格划分、质量检查与优化以及连接方式的模拟后，驾驶室整体最终的有限元模型如图3所示。该模型共有节点1239374个，其中四边形单元1228250个，三角形单元1054个（占总单元的0.08%），刚性单元8967个。
1.2 驾驶室数值模态分析
由于矿用车行驶的工况较为复杂，在工作过程中驾驶室常受到各种外部激励和自身发动机振动的影响，这不仅会增加驾驶员的疲劳感，还会使驾驶室各部件产生疲劳破坏，降低车辆的使用寿命。因此，利用数值模态分析的方法预测矿用车驾驶室固有频率和模态振型等动态特性具有重要意义。
由于车辆工作状态的约束条件复杂，因此本文进行矿用车驾驶室自由边界条件下的数值模态分析以掌握其动态特性。通过检查编辑模型的材料、建立模型的属性和载荷集，定义载荷工况等步骤，最终得到的矿用车驾驶室各主要模态频率及振型信息如表1，其余均为局部模态叠加结果，部分模态振型图如图4所示。
通过数值模态分析的频率值结果和振型云图可知，在该矿用车驾驶室模型的前15阶模态中，有一个频率为33.41Hz的一阶整体扭转模态，和一个频率为45.16Hz的一阶整体弯曲模态，其余均为局部模态和局部混合模态，并且驾驶室的振动主要集中在前围的内外板、顶盖、驾驶室地板等部位。
1.3 驾驶室数值模态分析的评价
本文选用分析评价法对矿用车驾驶室数值模态分析结果进行评价。外部激励对驾驶室产生的振动是各阶模态振型互相叠加的结果，驾驶室所受到的主要外部激励包括了：发动机激励、路面不平度、车轮及传动轴不平衡激励等[5]。由于整体的低阶模态对驾驶室振动影响较大，因此动态特性分析需研究矿用车驾驶室低阶模态频率和不同外界激励源频率及其分量的关系。
发动机激振频率对驾驶室的影响随转速变化而不同，具体爆发频率的计算按下式进行：
式子中n是发动机转速，δ是转速浮动误差（一般取50r/min），m是发动机缸数，本文研究的矿用车发动机是六缸水冷式发动机，怠速转速为600r/min，因此怠速激励频率约为27.5～32.5Hz，与数值模态分析结果中的一阶整体扭转频率33.41Hz非常接近;路面不平激励的常见频率值为1～3Hz，该值远小于驾驶室低阶模态频率分布区;车轮不平衡激励频率及其分量基本小于11Hz，且由于制造水平的不断提升，其影响越来越小。因此，影响该驾驶室动态特性和振动舒适性的主要是怠速状态下产生的同频振动。
2 驾驶室结构优化
2.1 灵敏度分析
由于该矿用车驾驶室一阶整体扭转频率与发动机怠速爆发频率接近，是影响驾驶室动态特性、造成车辆共振、影响舒适性的主要原因，因此本文对该驾驶室进行以板厚为基础的结构优化。由于该驾驶室构件众多，为了提高优化效率，首先应用灵敏度分析的结构动力学修改方法搜索对一阶整体扭转频率和驾驶室质量的敏感件，得到驾驶室主要部件的抗扭灵敏度和质量灵敏度值。但部分构件对频率值和构件质量的影响都较大，即板厚变化不仅增加一阶整体扭转频率值，还会不同程度的增加構件质量，因此为了实现轻量化条件下驾驶室动态性能的提升，本文引入相对灵敏度来权衡各部件对频率以及质量的影响关系，具体结果如图5所示。最终选取30个相对灵敏度分析结果绝对值大于1的部件进行结构优化。
2.2 优化计算与结果分析
本文定义目标函数为驾驶室一阶整体扭转频率值，确定的最终优化模型如下：
上式f（x）即目标函数，x1x2…xn为优化设计的变量，xj，xk为尺寸约束，即设计变量的上下限值，Mi为一次优化迭代后的总质量值，M为初始驾驶室总质量值。经软件优化迭代计算后驾驶室频率值及总质量变化如图6和图7所示。
从图6、图7中不难看出，驾驶室一阶整体扭转频率值在经过三次迭代后趋于稳定，驾驶室的总质量在迭代过程中整体呈现下降趋势，综合轻量化和扭转频率值提升的需求，选取第五次迭代结果为最终板件的优化尺寸。矿用车驾驶室一阶整体扭转频率由原来的33.41Hz提升到39.49Hz，质量减少了38kg，优化前后矿用车驾驶室各阶主要模态频率变化如表2所示。
3 结语
工程车驾驶室是工程车辆的关键总成，其动态性能的优劣对车辆的舒适性和安全性有较大的影响。本文以某矿用车驾驶室总成为研究对象，对其动态特性进行了研究分析，在实现驾驶室轻量化的前提下优化了驾驶室一阶整体扭转频率，提高了驾驶室的振动舒适性和安全可靠性。
参考文献：
[1]吴凯佳，苏小平，王强.工程机械车架结构分析及优化设计[J].机械设计与制造，2020（07）：51-55.
[2]陆冬.基于人机工程学的工程机械驾驶室结构动态特性与声场分析[D].东南大学，2015.
[3]杜明龙.工程机械驾驶室减振分析及研究[D].山东大学， 2011.
[4]侯志斌，万雳，张贝，吕彦杰，葛东坡，李宇航.工程车转向架的强度分析与计算[J].内燃机与配件，2018（24）：35-36.
[5]戴禹.重型卡车驾驶室数值模态分析与结构优化[D].吉林大学，2008.
