平地机驾驶舱动力学特性研究

王志斌，于明，赵坚，洪学武，刘海强，刘聪，宁凡

（天津城建大学a.控制与机械工程学院；b.计算机与信息工程学院，天津300384）

0 引 言

平地机驾驶舱是驾驶员操纵平地机工作的活动空间，是平地机操作系统的总平台，其自身的振动特性和驾驶舒适性将直接影响平地机整体的运行状况及驾驶员的操作舒适度，并最终影响平地机正常使用的工作效率[1-3]。通常，平地机的驾驶舱只依据其静态特性进行设计与制造，只要求驾驶舱结构满足一定的刚度、强度和稳定性即可，但在平地机正常工作过程中还要考虑到驾驶舱及平地机自身的动态特性，减少驾驶舱在平地机工作过程中由于振动而引起的结构变形等情况，因此在设计平地机驾驶舱时更需要考虑其动态特性[4]。

本文就某型号平地机驾驶舱结构振动及结构合理性的问题，利用ANSYS软件对平地机驾驶舱进行了计算模态分析，为鉴定平地机驾驶舱结构是否完善和判断其结构的薄弱环节提供依据，并为后续的结构优化打下基础[5]。

1 模态分析理论

振型和固有频率是表达振动系统特性的重要参量，是影响平地机驾驶舱动态结构设计的重要参数[6]。对于平地机驾驶舱这样具有多自由度的大型振动系统，若求出其全部的振型和固有频率是极其困难的，系统较低的若干阶固有频率与相应的振型对其动态响应的影响最大，因此在研究平地机驾驶舱系统的振动响应时往往只需了解少数的振型和固有频率[7]。在振动分析中，研究结构动态特性的一种普遍方法就是计算模态分析[8]。对驾驶舱结构进行模态分析可以得出结构振动的固有形态，其根本表达的是刚度分布特性，鉴于驾驶舱阻尼小而刚度大，因此在有限元模型中采用无阻尼自由振动系统[9]。模态分析的最终目标是识别出平地机驾驶舱系统的模态参数，为平地机驾驶舱结构系统的振动特性分析、故障诊断等的优化设计提供理论依据。

2 驾驶舱有限元模型的建立

某平地机驾驶舱简化平面图如图1所示。

为使驾驶舱能够合理地进行有限元分析，尽可能地简化驾驶舱模型，且为使驾驶舱有限元模型网格划分更方便，驾驶舱结构的圆角和倒角处画成直角， 按照1:1 比例用SolidWorks软件设计出驾驶舱三维模型，如图2所示。

本文将实体模型导入至ANSYS中。为保障平地机驾驶舱具有足够的寿命、可靠性，以及防止产生共振，需要对其进行相应的模态分析，从而错开平地机驾驶舱的固有频率和激励源的频率[10]。驾驶舱结构材料如表1所示。

选择Solid65 单元进行网格划分，由于模型结构对称，故而选择FREE网格划分，得到单元数为15 023，节点数为6817，如图3所示。

表1 驾驶舱结构材料参数

3 驾驶舱模态分析

由于自由模态分析可得到结构本身的固有特性，凭此可进行故障诊断及优化设计，所以本文先进行自由模态分析。

3.1 自由模态分析

因发动机在最大转速时的激励频率为40 Hz，所以设置模态分析频率取值范围为0～200 Hz，进行求解运算，取驾驶舱前4阶模态，模态频率如表2所示，模态振型显示如图4所示。

由表2可知，最大变形发生在145.9 Hz附近，此时驾驶舱车门与车窗之间的两侧板左右剧烈摆动，严重时会导致侧板断裂。

表2 驾驶舱自由模态计算结果

3.2 约束模态分析

驾驶舱结构的约束模态分析，即在驾驶舱底侧4个螺孔处添加固定约束，模态分析的频率范围取0～500 Hz，得到驾驶舱前4阶模态数据如表3所示，振型如图5所示。

由表3可知，驾驶舱约束模态中的第2阶驾驶舱左右剧烈振动，由于驾驶舱底部受约束固定不动，所以最终振型图呈现出的结果是驾驶舱两侧板被压弯，且此时变形量最大且最容易引起疲劳时效，故判定此处为驾驶舱的薄弱环节，需进行结构优化。

表3 驾驶舱约束模态计算结果

4 结语

1）自由模态分析时，最大振幅在第4阶振型（此时驾驶舱左右摆动），驾驶舱两侧板处易发生变形；第2阶振型频率与发动机的建立频率相近，易发生共振现象，设计时应避免此现象发生。

2）平地机驾驶舱约束模态分析时，第2、3阶振型相近（此时驾驶舱左右振动），会造成驾驶舱两侧板弯曲变形，且是最大变形处，故认为该处为驾驶舱最薄弱环节，为后续对平地机驾驶舱进行结构优化提供了理论基础。

3）通过平地机驾驶舱的结构模态分析，从理论上找到了各阶固有频率和振型，为接下来平地机驾驶舱的创新设计提供了较为全面的数据参考。