ADAMS在重载汽车驾驶室振动分析和结构评价中的应用

2013-12-23 05:18范钧

实验技术与管理 2013年6期

范钧

（成都工业学院电气与电子工程系，四川成都 611730）

工业经济、高速公路、物流运输等行业的飞速发展为国内汽车行业的腾飞带来了巨大契机，同时，也为商用重载汽车提供了巨大的市场空间。其中，“低噪声、人性化”是当今商用重型汽车体现高技术含量的主要发展趋势。作为重型汽车的重要组成部分之一，驾驶室主要为驾驶员提供驾车、办公或者休息的空间［1］。因此，良好的乘坐舒适度不仅可以减轻驾驶员的疲劳，而且也保证了驾驶员身体健康和行车安全。一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要表现为座椅、地板等对人体输入的低频振动，其频率范围在1～80Hz左右。此外，驾驶室整体的抖振也会对驾驶员舒适性产生较大的影响，而低频（1～300 Hz）振动主要是由驾驶室的结构振动引起的，因此驾驶室的动态特性是研究驾驶室振动舒适性的重要切入点［2］。

目前，国产重型驾驶室的振动和噪声水平还不能适应形势发展的需要，已成为困扰卡车发展的重要因素之一。在这种情况下，开展驾驶室振动的研究，无论从经济价值或社会效益方面来看都具有重要意义［3］。根据研究，驾驶室地板振动影响其内部噪声，并且这种噪声可以通过增加前梁钢板厚度来降低。这一发现表明:在力的输入点，如驾驶室安装位置，可以通过前梁将力分散转移至整个驾驶室。基于此，在本文中，通过建立重载汽车ADAMS 简化模型来评估地板振动和前梁及其连接件的连接方式二者之间的关系，利用驾驶室有限元模型和载荷传递技术对驾驶室的安装进行了载荷分布分析。

1 ADAMS驾驶室简化模型

机械系统动力学自动分析软件（Automatic Dynnamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）是美国MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司开发的非常著名的虚拟样机分析软件，也是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件［4］。驾驶室实体模型的准确性直接决定着后续计算结果的正确与否［5］。在本文中，驾驶室实体建模的主要思路是:（1）模型不要求与实际尺寸一致，重点在于结构的整体性；（2）模型要考虑到有限元的工作，这个主要是力求降低模型的复杂性，避免为后续分析带来巨大困扰。因此，简化的驾驶室实体建模为:（1）驾驶室所有面件均为面体，着重考虑承重结构；（2）适当忽略诸如驾驶室的小尺寸结构和过渡工艺结构。

ADAMS驾驶室模型由带有集中质量的零部件连接在驾驶室安装位置，包括前横梁、纵梁、地板、驾驶室壳体以及确定刚度的连接部件。下述的模型对连接部件具体数据给出了估计值。图1给出了简化的驾驶室模型组成部分，图2给出了ADAMS模型［6］。

图1 驾驶室简化模型图

图2 ADAMS模型图

对ADAMS 模型进行特征分析，获得了2 个200Hz以下的一般模型，具体结构如图3所示。图4为利用一般模型计算驾驶室地板的力输入和地板加速度的传递函数。计算结果与图5 所示的测试结果近似。利用ADAMS振动模块进行特征分析和响应分析，发现当前横梁和驾驶室壳体刚度增加1倍时，驾驶室的噪音可以通过加厚前横梁的厚度而减少。计算结果如图5所示。

图3 一般模型图

图4 传递函数设置

图5 ADAMS振动模块响应分析结果

2 负荷转移技术的概念

图6解释了一般结构加载点和支持点间的相对刚度，其中，A、B 和C 分别是加载点、支持点和结构上的任意点。方程（1）描述了负载和位移之间的关系，其中K 是相对刚度，P 是负载，d 是位移。图6中的C 点被约束。U＊的值根据图6的应变能U 由方程（2）给出。

图6 相对刚度

值U＊可以用于评价负荷转移路径。图7显示了一个U＊的等高线图的例子。此图中的箭头代表从A点到B 点的载荷传输路径。U＊沿载荷传输路线的特点可以用以评价结构的质量［7］。

图7 载荷传递路径

3 利用NASTRAN 进行载荷传递路径分析

在NASTRAN 中创建了一个驾驶室地板的有限元模型用以计算U＊，该模型拥有约10 000个节点和10 000元素，如图8所示。通过物理机实验得知，噪声主要与驾驶室安装位置左侧的负荷有关。因此，驾驶室安装位置的加载点和节点位置的支撑点应该与驾驶室壳体相连。通过NASTRAN 的静态分析计算U＊的值，驾驶室地板的结果如图9所示。结果显示3种载荷传递路径:路径1沿前横梁传递，路径2传至前横梁左侧，路径3沿地板的大梁传递。图10是这些路径的概述。