基于刚柔耦合建模的某轻型货车振动特性仿真分析

卢双双

（合肥工业大学 机 械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

我国汽车工业中货车行业起步较晚。大部分国内载货汽车的设计是以国外车型作为对标分析的对象，因此国内汽车工业的自主研发能力落后于国外水平，在整车和关键零部件设计制造方面没有成熟。此外，我国的有限元分析和虚拟样机技术起步也较迟，许多国产货车在运输过程中会出现振动较大及安全性能较差等问题，这无疑会对驾驶员产生不舒适感，甚至对运输的货物产生一度损坏[1]。笔者根据有限元理论和多体动力学理论在ADAMS/Car中建立刚柔耦合模型，基于路面激励的随机振动仿真，以沥青路面的不平度功率谱密度作为输入，经悬架衰减，对放置货物处的仿真结果进行一定变换后计算相关指标，根据QCT474－1999 标准评价某轻型货车的振动性能。

1 整车刚柔耦合建模

1.1 柔性体车身模型

本文中以某轻型货车车身的实际参数为依据，采用板壳单元建立车身有限元模型。由薄壁板件构成的驾驶室用shell63 单元模拟计算，薄壁板件之间的连接均采用一维刚性单元或Spotweld[2]；该货车车身主要由壁板件焊接而成，材料主要为SPCC，车身板件划分的单元由三角形单元和四边形单元组成，由于对计算精度的要求，网格以四边形为主，取其边长为10mm。三角形网格的数目占比不超过10%。该货车车身为车架和驾驶室一体式结构，模型共有383628个节点，396584个网格单元。

图1 车身有限元模型

图1为车身有限元模型，图2为单点激振和传感器布置图。通过比较模态仿真计算结果与试验结果，由表1可以看出，车身的模态频率试验值和计算值的差值在误差允许范围内，从而验证本文中建立的车身有限元模型的有效性。

在HyperMesh 经过求解运算，得到模态中性文件（.mnf 文件），将生成的中性文件导入 MSC.ADAMS／Car中，即可生成柔性体车身。在车身外节点处建立与车架等其他子系统的连接件interface part，并在其上建立通讯器。如图3所示为建立的柔性体车身模型。

图2 单点激振和传感器布置图

表1 试验模态结果与计算模态结果前10阶振型

图3 柔性体车身模型

1.2 整车刚柔耦合模型

该型货车前悬架为双横臂式独立悬架，根据实际情况通过修改ADAMS／Car中模板，包括各构件的质量、转动惯量、硬点坐标、减振器阻尼参数以及构件的结构和连接方式，创建前悬架模型。利用三段梁法建立钢板弹簧的模型，建立钢板弹簧非独立后悬，选择循环球式转向器，简化动力总成，把整个动力系统作为一个刚体，同时将发动机、变速器和离合器看成一个部件。后悬上增加横向稳定杆以提高悬架侧倾角刚度，采用PAC2002轮胎模型，用于振动特性的研究。在ADAMS的建模界面建立好各系统模板之后，在标准界面下生成相应的子系统文件，然后对整车进行装配，生成包含柔性体车身的整车刚柔耦合振动特性仿真模型。表2所示为整车主要参数，图4为刚柔耦合整车模型。

表2 整车主要参数

图4 刚柔耦合整车模型

2 随机路面模型的建立

图5 B级路面轮廓曲线

利用ADAMS／Car Ride 创建随机不平路面参数文件（RPC 文件），路面轮廓的空间频率n与空间功率谱密度（PSD）Gd（n）存在如下关系[3]：其中：Ge为白噪声空间PSD 幅值；Gs为白噪声速度PSD 幅值；Ga为白噪声加速度 PSD 幅值[4]。货车试验道路为沥青路，其路面等级符合GB7031 规定的B级路面，在路面轮廓生成器中，取Ge为0、Gs为12、Ga为0.16，建立 B级路面模型，如图5所示。

3 整车随机振动仿真分析

车辆在空载状态下，在B级路面上以60km·h-1、70km·h-1和80km·h-1的速度分别进行仿真[5-6]，设置仿真时间为20s、仿真步长为0.002s，采集车辆在正常行驶条件下安放货物的底盘处标记点（车架第6根横梁）的三向加速时间历程曲线。汽车以80km·h-1的速度在B级路面上行驶时，三向加速度随时间变化的曲线，如图6所示。

利用ADAMS 后处理模块中的快速傅里叶变换（FFT）功能，对各向加速度曲线进行变换得到各轴向加速度功率谱密度函数 Ga（f），如图7所示。各向频率加权函数 w（f）如图8所示。

标准 ISO2631：1997（E）中规定：当振动波形峰值系数小于9时，可根据加权加速度均方根值（RMS）的大小来评价振动对人体舒适性的影响。功率谱密度函数 Ga（f）由振动加速度时间历程 a（t）通过频谱分析得到，RMS和等效均值Leq分别按式（2）～（3）计算得到。

图6 车架第6根横梁位置三向加速度仿真曲线

图7 车架第6根横梁位置三向加速度功率谱密度曲线

图8 各向频率的加权函数图

纵向加权加速度均方根值axw（m·s-2）为

横向加权加速度均方根值ayw（m·s-2）为

垂向加权加速度均方根值azw（m·s-2）为

则车辆以80km·h-1的速度在B级路面上行驶时的总加权加速度均方根值aw（m·s-2）为

其它工况下的仿真计算与后处理方法与此相同。表3为客车平顺性等效均值限值。表4是汽车在3种工况下的加权加速度均方根值、等效均值及评价结果。由表3～4可知，该型货车随着车速增加，其振动也逐渐增大。通过参考QCT474-1999 客车平顺性评价指标及限值[7]可知，该型货车的振动评价指标均在限值内，且远小于限值，故整车振动较小，运输过程中对货物的损害较小。

表3 客车平顺性等效均值限值

表4 各个工况下整车随机振动仿真结果

4 结论

建立车身有限元模型，进行模态试验和仿真分析，对比仿真结果与试验结果，从而验证车身有限元模型的正确性。在ADAMS/Car中建立柔性体车身及刚性子系统并装配得到较完整、正确的刚柔耦合整车模型。

利用ADAMS/Car Ride模块建立随机路面模型，进行不同车速下B级路面输入的整车振动特性仿真，从而得到车架第6根横梁位置处（车架货物位置处）x、y、z方向上的振动加速度功率谱密度曲线，经变换后计算得到总加权加速度均方根值，进而对整车的振动特性进行评价。研究结果表明：在B级随机路面激励下，该型货车正常行驶时的振动特性较理想，货物在运输过程中损害较小，为今后同类车型的设计与研发提供参考。

[1]靳晓雄，张立军，江浩.汽车振动分析[M].上海：同济大学出版社，2002.

[2]徐寅生.轻卡驾驶室声固耦合系统动态特性分析[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[3]D.E.Newland.General Liner Theory of Vehicle Response to Random Road Roughness[J].SAE，1995（59）：25-60.

[4]GB7031-86，车辆振动输入—路面不平度表示方法[S].

[5]杨亚娟，柳杨，刘红领，等.汽车随机路面输入平顺性仿真[J].计算机辅助工程，2006，15（9）：183-185.

[6]王国权，杨文通，等.汽车平顺性的虚拟试验研究[J].上海交通大学学报，2003，37（11）：1172-1175.

[7]QCT474-1999，客车平顺性评价指标及限值[S].