（车辆工程专业论文）某型客车结构振动性能分析及研究.pdf

委员：伶a 一 亏卸裕1 劫 码、改仇丝磊亨铴q 私吲毅 引吼盼嘶 佯钐莎豫 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合 肥工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：降：二罾签字日期：矽f 年口缈月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：阿仑奇 签字日期：卅l 午d 牛月f 多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地虫e ： 焉痨髀 刷磁辄v 珞锣缈吖 签字日期：少叫年汐归i ) 日 电话： 7 某型客车结构振动性能分析及研究 摘要 本文以某客车为研究对象，探讨了车身结构振动性能与外部激励的内在关 系，并从技术层面上详细研究客车振动分析技术及解决方案，为实现客车具有 良好振动性能提供设计依据。 首先对有限元模型进行模态分析，通过模态频率和模态振型初步评价了客 车动态特性，并且为下一步的动态分析打下基础。将不同路面位移功率谱加载 到有限元模型中四个车轮悬架下端，克服了以前学者将位移谱按经验衰减7 0 后直接加载到车架上然而忽略了悬架动态衰减性能的不足，模拟更真实的路面 位移谱传递过程，分析了客车以常用车速分别在a 级和d 级路面上随机振动的 结构响应。其次考察了客车在发动机激励谱和路面位移功率谱同时作用下的客 车结构响应，得到了位移变形、速度、加速度分布云图，为客车骨架动态设计 提供依据。然后在多体系统动力学软件中建立带有座椅的五自由度仿真模型， 仿真出b 级路面下所关心的测点响应量，利用客车平顺性和座椅舒适性的评价 原则对仿真结果进行分析。最后对该车进行了多工况道路整车振动实测试验， 从实验的角度评价了客车振动特性，探讨了动力总成与客车结构振动性能匹配 关系。 从理论和实验两方面去考察客车结构振动性能，为企业在提高客车的使用 性能上提供重要参考价值和指导意义。 关键词：客车；振动特性；模态分析；发动机激励谱；多体仿真；平顺性 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs t r u c t u r ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sf o rac e r t a i n t y p eo fc o a c h a b s t r a c t t a k i n gac o a c ha si t sr e s e a r c ho b j e c t ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ei n h e r e n tr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o a c hs t r u c t u r ev i b r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di t se x t e r n a le x c i t a t i o n ，a n dm a d ea d e t a i l e dr e s e a r c hi n t ot h ea n a l y s i st e c h n o l o g ya sw e l la st h es o l u t i o no ft h ec o a c h s v i b r a t i o n ，p r o v i d i n gd e s i g nr e f e r e n c ef o rb e t t e rq u a l i t yo fv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l y , m o d a la n a l y s i sw a sc a r r i e do u tf o rf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ec o a c h t h e n i n i t i a ld y n a m i cp e r f o r m a n c ew a se v a l u a t e dt h r o u g hm o d a lf r e q u e n c ya n dm o d a ls h a p e , w h i c hl a i das o l i df o u n d a t i o nf o rf o r t h c o m i n gd y n a m i ca n a l y s i s t h em e t h o dt h a tt h e s u r f a c ed i s p l a c e m e n tp o w e rs p e c t r u mo fd i f f e r e n tr o a d sw a sl o a d e di n t ot h eb o t t o mo ft h e s u s p e n s i o no ff o u rw h e e l si nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo v e r c a m et h ea c a d e m i cd e f e c t st h a t p r e v i o u ss c h o l a r sp u td i r e c t l yt h ed i s p l a c e m e n ts p e c t r u ma f t e ri t sw e a k e n i n gb y7 0 i n t o t h ef r a m e ，i g n o r i n gt h ed y n a m i cw e a k e n i n gp r o p e r t yo ft h es u s p e n s i o n t h i sm e t h o da l s o s i m u l a t e dm o r er e a lt r a n s f e r r i n gp r o c e s so fr o a ds u r f a c ed i s p l a c e m e n ts p e c t r u ma n d a n a l y z e dt h es t r u c t u r a lr e s p o n s e so fr a n d o mv i b r a t i o no ft h ec o a c ha tn o r m a ls p e e do n a - g r a d ea n dd g r a d er o a d s u r f a c er e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h r o u g h i n v e s t i g a t i n gt h e s t r u c t u r a lr e s p o n s eo ft h ec o a c hu n d e rc o m b i n e da c t i o no fb o t ht h ee n g i n ee x c i t a t i o n s p e c t r u ma n dr o a ds u r f a c ed i s p l a c e m e n tp o w e rs p e c t r u m ，t h ed i s t r i b u t i n gn e p h o g r a mo f d i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nw a so b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e dab a s i sf o rd y n a m i c d e s i g no ft h ec o a c h sf r a m e t h e naf i v ed e g r e e so ff r e e d o ms i m u l a t i n gm o d e lw i t hs e a t w a ss e tu p ，s i m u l a t i n gt h ea m o u n to fr e s p o n s eo fm e a s u r ep o i n t so nb g r a d er o a dt o a n a l y z et h es i m u l a t i n gr e s u l t sa c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i n gp r i n c i p l e so fc o a c h ss m o o t h n e s s a n dr i d ec o m f o r t f i n a l l y ，m e a s u r e dv i b r a t i n gt e s to nm u l t i p l e - c o n d i t i o nr o a dw a sc a r r i e d o u tt oa c q u i r ea u t o p o w e rs p e c t r u mo f e a c hm e a s u r ep o i n t so nd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n r o a da n de v a l u a t ef r o mt e s t i n ga n g l et h ev i b r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o a c h ，a l s or e s e a r c h t h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e np o w e r t r a i na n ds t r u c t u r ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f c o a c h t h et h e s i sa p p r o a c h e das u b j e c tf r o mt h et h e o r e t i c a la n g l ea n de x p e r i m e n tt oa n a l y z e t h es t r u c t u r ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hs u p p l i e di m p o r t a n tr e f e r e n c ea n ds i g n i f i c a n t g u i d a n c ef o re n t e r p r i s e si ni m p r o v i n gc o a c h su s i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c o a c h ；v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；m o d a la n a l y s i s ；e n g i n ee x c i t a t i o ns p e c t r u m ； m u l t i b o d ys i m u l a t i o n ；r i d ec o m f o r t 致谢 短暂而充实的研究生生活即将画上圆满的句号，从此我将告别学校生活， 打开人生的新篇章，然而在此我心中洋溢着是那不舍之情。这两年多的学习生 活给我留下了太多的美好回忆，一路走来有太多可爱的人，是他们为我研究生 生活添姿加色，为我人生画了浓墨重彩的一笔，在此向他们表示发自肺腑的敬 意和最诚挚的谢意。 饮其流时思其源，成吾学时念我师，首先感谢就是我最尊敬的谭继锦导师， 在谭老师的悉心指导下完成本论文工作。谭老师渊博的理论知识、丰富的试验 经验、严谨的治学态度、忘我的工作热情、和蔼宽厚的待人风格时刻激励着我， 让我受益匪浅留下了深刻的印象。在学习上从进实验室开始，每次都是谭老师 亲自从自己办公室下到我们实验室给我学习上的指导和困难的解答，从小到给 我发自己发现的有用资料到大到论文的选题、撰写、修改、指导都倾入了大量 心血；在生活上谭老师也是给予了无微不至的关怀，再次深深地向我的导师致 以衷心的感谢和崇高的敬意。感谢陈朝阳教授和张代胜教授在研究生学习期间 给予的热心帮助和细心指导，两位老师学识渊博、独特的人格魅力感染着我， 再次向两位老师表示诚挚的谢意。感谢教研室的徐建中、王荣贵、尹安东等老 师在课题研究试验期间给予的热心帮助和关心，祝老师们工作顺利、再育桃李! 感谢在一起度过愉快的研究生生活的同学，是我们曾经醉心学术，侃侃而 谈，是你们的关心和帮助才让我感受这个大家庭的温暖，特别感谢我的同门魏 洪革、课题组黄俊杰、王涛、汪小朋、李振远、刘文斌、4 2 1 实验室各位同学 等对本人学习和生活上的帮助，祝你们前程似锦! 最后感谢我的家人，正是你们始终如一的关爱和支持给予了我强大的动力， 祝他们永远健康快乐! 作者：阮仁宇 2 0 11 年0 4 月 2 1 1 弹性力学基础6 2 1 2 有限元理论基础7 2 1 3 有限元单元介绍7 2 2 有限元软件介绍9 2 2 1 a n s y s 软件简介9 2 2 2 a n s y s 软件分析过程1 0 2 3 建模前的工作l o 2 3 1 简化结构模型1 1 2 3 2 选择力学模型1 1 2 4 车身骨架有限元模型的生成1 l 2 4 1 建立几何模型1 1 2 4 2 网格的生成1 2 2 4 3 生成骨架有限元模型1 2 2 5 本章小结1 3 第三章客车整车及其车架模态分析1 4 3 1 模态分析概述1 4 3 1 1 模态分析相关概念1 4 3 1 2 模态分析基础理论1 4 3 2 整车有限元模态分析及结果1 5 3 2 1 模态分析在a n s y s 中实现1 5 3 2 2 整车自由模态分析1 6 3 2 3 整车计算模态结果分析1 9 3 3 车架模态分析2 0 3 4 本章小结2 1 第四章路面和发动机激励下的谱分析2 2 4 1 谱分析概述2 2 4 2 基于a n s y s 下路面激励的谱分析2 3 4 2 1 谱分析在a n s y s 的实现2 3 4 2 2 路面功率谱的获取和谱分析2 3 4 2 3 a 级路面工况下谱分析结果2 5 4 2 4 d 级路面工况下谱分析结果2 7 4 2 5 两种工况下随机振动结果分析3 0 4 3 基于a n s y s 下路面和发动机同时激励的谱分析3 0 4 3 1 发动机振动机理3 0 4 3 2 发动机激励时域信号和功率谱的获取3 2 4 3 3 发动机和路面谱同时激励下的谱分析结果分析3 3 4 4 本章小结3 5 第五章整车多体系统动力学仿真3 7 5 1 多体系统动力学与a d a m s 软件概述3 7 5 1 1 多体系统动力学基本任务3 7 5 1 2 多体系统动力学在汽车性能分析中的应用3 7 5 2 路面对汽车的随机激励3 8 5 2 1 随机振动简述3 8 5 2 2 路面激励时域信号的获取3 9 5 3 数学模型及多体系统仿真模型的建立4 0 5 3 1 简化的振动等效系统4 1 5 3 2 整车振动数学模型的建立4 1 5 3 3 整车多体系统仿真模型4 3 5 4 整车多体动力学仿真：4 3 5 4 1 客车平顺性及座椅舒适性的评价4 4 5 4 2 轴距滞后和时域激励信号a d a m s 再现问题的解决4 4 5 4 3 仿真结果分析评价4 5 5 5 本章小结5 0 第六章整车道路行驶振动测试与客车结构振动性能匹配51 6 1 整车道路行驶振动测试概述5 1 6 2 整车道路行驶振动实验5 2 6 2 1 测试仪器设备5 2 6 2 2 测点选择与布置方案5 2 6 2 3 测试工况和内容5 3 6 3 测试结果及分析5 4 6 4 客车结构振动性能的匹配5 5 6 4 1 整车模态匹配问题5 5 6 4 2 传统设计匹配的问题5 6 6 4 3 动力总成激励参数与客车结构动态属性匹配一5 6 6 5 本章小结5 8 第七章总结与展望5 9 7 i 总结5 9 7 2 展望5 9 参考文献6 1 硕士期间参与的科研项目6 4 攻读硕士期间发表的论文6 4 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图3 - 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 8 图3 9 图3 - 1 0 图3 - 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 一l l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 1 9 图4 2 0 插图清单 三维梁单元b e a m l 8 8 示意图8 壳单元s h e l l 示意图9 整车有限元模型12 车架有限元模型1 3 整车一阶扭转振型1 7 车顶一阶垂弯振型1 7 整车一阶弯扭组合振型1 7 整车二阶扭转振型1 8 二阶弯扭组合振型1 8 车项二阶垂弯18 车身一阶横弯和车顶二阶垂弯振型1 9 车身二阶横弯振型19 车架一阶扭转振型2 0 车架二阶扭转振型2 l 车架前段扭转振型一2 l a 级路面客车以7 2 k m h 行驶时随机振动的位移变形云图2 5 a 级路面客车以7 2 k m h 行驶时随机振动速度分布云图2 6 a 级路面客车以7 2 k m h 行驶时随机振动加速度分布云图2 6 a 级路面下车项节点1 5 6 4 2 位移功率谱密度2 6 a 级路面下车顶节点1 5 6 4 2 速度功率谱密度2 7 a 级路面下车顶节点1 5 6 4 2 加速度功率谱密度2 7 d 级路面客车以3 6 k m h 行驶时随机振动位移变形云图2 8 d 级路面客车以3 6 k m h 行驶时随机振动速度分布云图2 8 d 级路面客车以3 6 k m h 行驶时随机振动加速度分布云图2 8 d 级路面下车顶节点1 5 6 4 2 位移功率谱密度2 9 d 级路面下车顶节点1 5 6 4 2 速度功率谱密度2 9 d 级路面下车顶节点1 5 6 4 2 加速度功率谱密度2 9 经悬置衰减后发动机加速度时域信号3 2 经悬置衰减后的发动机加速度功率谱图3 3 在发动机和路面谱同时作用下的客车位移变形分布云图3 3 在发动机和路面谱同时作用下的客车速度分布云图3 4 在发动机和路面谱同时作用下的客车加速度分布云图3 4 在发动机和路面谱同时作用下车顶节点1 5 6 4 2 位移功率谱密度3 4 在发动机和路面谱同时作用下车顶节点1 5 6 4 2 速度功率谱密度3 5 在发动机和路面谱同时作用下车项节点1 5 6 4 2 加速度功率谱密度3 5 图5 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 - i1 图5 1 2 图6 - i 图6 2 图6 - 3 图6 - 4 路面纵断面不平度3 9 随机路面时域信号仿真框图一4 0 b 级路面激励时域仿真信号4 0 平面五自由度振动模型4 2 s p l i n e 样条连接跌合原理4 4 五自由度多体仿真模型4 6 座椅处加速度时域响应及其自功率谱密度4 6 车身与前悬连接( 前车架) 处加速度时域响应及其自功率谱密度4 7 车身与后悬连接( 后车架) 处加速度时域响应及其自功率谱密度4 7 车身质心处加速度时域响应及其自功率谱密度4 8 前轮质心处加速度时域响应及其自功率谱密度4 8 后轮质心处加速度响应及其自功率谱密度一4 9 试验现场拍摄照片5 2 三档下各测点自谱及时域信号5 4 四档下各测点的自谱及时域信号一5 4 五档下各测点自谱及时域信号5 5 表3 - i 表3 - 2 表4 - i 表4 - 2 表4 - 3 表5 1 表5 - 2 表5 - 3 表5 - 4 ：表6 一l 表6 - 2 表6 - 3 表6 - 4 列表清单 整车模态频率和振型1 6 车架模态频率和振型列表2 0 路面部分空间频率功率谱密度2 4 路面时间功率谱密度( i - a 级路面，2 - d 级路面) 2 4 经悬置衰减后发动机加速度功率谱表3 3 不同级别路面空间频率估计值3 9 某客车基本参数4 3 前轮加速度功率谱密度峰值列表4 9 后轮加速度功率谱密度峰值列表4 9 测试方案的布置5 3 三挡下不同车速测试记录5 3 四挡下不同车速测试记录5 3 五挡下不同车速测试记录5 4 第一章绪论 车问世至今，汽车的发展已经历了一百多年。一个国家汽车 对国家整个工业基础的发展及人民生活水平的提高都具有巨 车在研究开发过程中，我们不仅需要众多的优秀人才，加上 先进的理论和技术支持，进行大量的开发试验研究工作，还需要利用科学完善 的测试、生产和管理手段保证生产出严格质量的产品。毫无疑问，汽车这种高 科技产品足以体现出一个国家的科技水平。放眼各个经济发达的国家，都各自 有发达的汽车工业【l 】。随着社会的发展和技术的进步它已从最初的贵族消费品 转为大众消费品进入了大量普通家庭。中国作为发展中国家，不断吸收和消化 国外造车技术和经验，在过去2 0 多年政府的大力支持汽车产业发展的大环境 里，汽车工业取得了飞跃性的发展，我国的汽车生产能力和技术水平都得到很 大的提高。近些年来，随着我国私人汽车的拥有量急剧增长，人们对汽车性能 的要求与过去相比也有了很大的变化。汽车产品不再是传统的满足单一化的功 能需求，从功能需求逐渐转向舒适性及智能化的方向。人们不再是单一追求汽 车的动力性能，对汽车的行驶平顺性，乘坐舒适性、安全性及环保等更高层次 的性能提出了更高的要求。 客车作为汽车产品的一个重要分支，在国民经济发展和人民生活水平的提 高中发挥着至关重要的作用，给社会带来了巨大的方便和经济效益。人们对现 代客车要求具有良好的舒适性，然而客车在行驶过程中常会因路面不平、车速 和运动方向的改变，车轮、发动机及传动系统的不平衡性还有齿轮冲击及各种 内外部的激励作用产生整车或局部的激烈振动【2 】。这种振动不仅会使汽车动力 性得不到良好发挥还会对客车的操纵稳定性和乘坐舒适性产生很大影响，让乘 员产生不舒服和疲乏的感觉，影响客车的使用性能和寿命。车身作为客车上直 接与乘客发生作用的部件，对乘座舒适性的影响是显而易见的。由于客车车身 是复杂的空间结构，不少厂家仅凭经验设计车身，往往造成车身强度过剩而刚 度不足的现象，车身刚度下降，容易导致车身振动特性下降，噪声变大降低了 乘坐舒适性【3 】。因此，探讨客车车身结构与其振动特性的关系，深入研究客车 车身的动态特性是很有实用意义的，要从理论与试验两方面对其进行振动分析 与测试，并从技术层面上详细研究汽车振动分析技术及解决方案，实现汽车产 品的正向振动设计。 本课题以某客车为研究对象，通过建立车身有限元模型，对该车身结构的 动态特性及其在路面和发动机的激励作用下的动态响应进行研究。通过整车多 体动力学仿真模型的建立，对客车在b 级路面下的座椅舒适性及平顺性做出评 价，结合道路整车振动测试实验探讨了车身结构振动特性与外部激励的关系， 并为进一步进行发动机悬置的改进和车内噪声分析与控制提供实际的依据。 1 2 研究背景 客车在国民经济的发展和提高人民生活水平质量加速社会发展上起着至关 重要的作用。世界各主要客车生产商都在集中自己的主要研发力量加大开发和 研制力度将最新的研发成果运用到客车上，为市场提供性能更高舒适性更好的 客车【4 】。我国的客车生产在解放初期时候是利用国外的底盘经过汽车修配厂的 改装生产成最初的客车，后来一汽建成投产后，利用一汽生产的解放牌货车的 底盘来改装成满足不同需要的客车，随着二汽及其他一些汽车生产厂家的投产 给客车发展提供了更好的底盘条件，客车的发展速度也变得越来越快【5 】。改革 开发和旅游业的兴起，为客车的发展又注入了新鲜的生机活力，使其有了新的 飞跃跨上了一个新台阶。目前我国客车产品不仅满足国内市场，并且开始进军 国际市场，客车制造业进入了一个蓬勃发展的历史时期。但我们应该看到的是 客车生产技术水平与国外先进汽车制造商之间的差距还是有的，在经济全球化 进程加快和客车制造销售市场日益竞争激烈的今天，客车的性能要求和制造技 术越来越高。对我国的客车制造业来说一方面是机遇同时一方面也是面临着巨 大的挑战，市场供求关系由卖方市场逐渐转向买方市场，要求企业不断提高自 己开发新产品满足不同客户需求的能力。对企业提出了应当具有更强竞争力的 要求，研发和生产结构合理，具有良好的舒适性、安全性、可靠性的客车，成 为占据客车市场制高点的关键。 随着计算机技术及用于解决汽车产品设计分析相关软件的发展，数字化设 计为汽车产品的设计开发降低了开发成本缩短了研发时间，给企业带来了极大 的利润和效益。在客车制造业利用c a e 软件可以对产品或设计方案进行性能和可 靠性分析以及虚拟性仿真及早发现设计缺陷 6 - 8 j 。本课题就是在上述背景下，利 用c a e 软件分析客车动态特性，探讨了车身结构振动特性与外部激励的关系，以 期望提高客车振动设计水平。 1 3 选题目的及研究意义 客车车身骨架是客车主要承载部件和基体，其结构性能的好坏直接关系到 车身的寿命和整车性能。客车车身可看作是一种复杂的空间薄壁杆件结构，由 于结构上的需要各杆件截面的形状不一样，在客车运行时各种激励和载荷作用 下杆件要承受拉、压、弯曲、扭转等各种载荷，使骨架受力情况异常复杂，整 个骨架会受到反复扭转应力作用【9 】。在这种情况下对骨架的静动态分析变得非 常困难，用经典力学方法不可能得到精确解。车身结构设计的主要目的在于确 保车体强度、刚度的前提下，减轻车身骨架的质量，提高车身的良好动态特性， 由此不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速和乘坐舒适性， 改善汽车起动和制动性能，而且可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用 寿命【l0 1 。开展客车车身结构振动性能的研究，在满足结构强度和刚度的前提下， 合理地进行结构优化设计，以达到结构合理具有良好动态特性的目的。实践证 2 明有限元法是一种有效的数值计算方法，通过掌握汽车动态特性与其结构参数 等的关系，建立汽车振动分析与设计的理论基础，可以得到结构的位移和应力 场，比较准确和迅速计算出各种设计方案的结果，检验结构的合理性及车身的 振动特性。13 1 。通过合理的汽车结构设计及整车振动系统分析，提高整车的振 动性能，降低振动幅值与避免发生共振。需要将理论分析、数值仿真与试验测 试相结合，通过建立理论模型、有限元模型、实验模型等方法完成分析与测试 工作，实现汽车产品的振动设计。 随着社会的发展和人们生活水平的不断提高对汽车的乘坐舒适性要求更 高，车身的振动特性对其影响至关重要。客车在行驶过程中主要受到发动机和 路面的激励，考察在这两种激励下的车身动态响应，对提高客车的振动特性有 重要意义。对于客车系统的振动及控制问题主要采用实验法和分析法。实验法 可以通过实验模态初步判断车身的振动特性，也可以直接测量底架与车身骨架 的实际振动考察振动与发动机及动力传动系统、道路的相互关系。分析法建立 了汽车结构模型利用有限元法和多体系统动力学方法分析和考察了系统的模态 频率、振动形态及振动响应，为提高客车的振动特性提供匹配依据，使客车具 有良好的使用性能。 1 4 国内外研究概况 伴随着社会的进步和科学技术的发展，汽车自从问世以来给社会的发展和 人类的进步带来不可估量的影响。如今它已经与人们的生活和社会经济的发展 密切相关，人们对其性能也有了更高的要求。因此开发和设计具有良好的乘坐 舒适性、行驶安全性、操纵稳定性、经济排放性，节能环保型的汽车已成为每 个汽车制造业所研究的方向和发展的趋势。在以往汽车产品开发初期，首先要 制造出实验样车，工程设计人员主要是通过实验方法来分析和研究车辆结构动 态性能的，所以有很多的局限性，经过反复试验才能得到产品的动态性能参数， 实验所消耗的人力物力成本太高。在使用解析法虽然可以在设计之初对车辆的 结构和动态性能有个简单的了解和把握，但客车复杂的结构和大规模的系统方 程使解析法受限。当开发新车型时，只能根据经验设计，在新车型实际之初没 有把握产品的结构和性能是否合理，会导致产品的开发周期长开发成本高的弊 端。高速计算机的出现和数值理论的发展为产品的开发提供了有力的方法，后 来随着汽车工业的迅速发展，国内外汽车企业逐渐将c a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ) 技术应用到产品的开发设计中，成为企业研发客车车身的重要工 具，有限元技术已经成为国内外企业进行结构静、动态分析的趋势【l4 1 。在市场 竞争日趋激烈的现代汽车行业，缩短新车型开发周期和降低成本已成为汽车设 计发展的必然趋势，有限元方法为汽车零部件结构设计提供了先进的手段。有 限元程序是有限元分析的重要组成部分，随着有限元技术的发展，各种有限元 分析软件也被开发出来，大型通用有限元程序有a n s y s 、n a s t r a n 、h y p e r m e s h 等。它们都具有强大的分析功能，已经成为结构分析动态设计的有力工具，国 内外研究者利用这些程序进行了多领域的开发研究。 国外的有限元技术相对来说比较成熟，汽车工业从上个世纪六十年代就开 始使用，结构动态特性从七十年代开始取得了大量的研究成果。有限元的模型 不断从技术上完善，分析的模型逐渐变得更加庞大和完善，分析的目标从一开 始的静态分析逐渐扩展到动态响应、振动噪声、碰撞安全等方向【l5 1 。利用有限 元法先对结构进行动静态分折及碰撞模拟，然后用试验对结果进行证明。随着 计算机技术的迅猛发展，用于工程分析的软硬件也有了很大的变化。从普通的 微机到高速计算机，发展到现在的工作站和超大型计算机。国外的大公司不仅 软件实力雄厚，而且具有强大的二次开发能力，拥有最先进的工程分析软件， 利用自己的大型分析软件结合各自的c a e 系统开发达到了前后处理和分析的高 度自动化。 国内的c a e 技术发展的比较晚，在上世纪八十年代开始才将有限元分析方法 推广到汽车结构分析中，一开始主要是在静力学方面研究比较多。通过建立整 车有限元模型对其静力学分析找出应力和位移变形较大区域，从而对结构的重 新设计和改进【l 乱1 8 】。客车在设计只按静态强度要求来设计是满足不了动态性能 的需求，当其在实际行驶中受到各种复杂激励荷载时仍然会出现结构疲劳和断 裂现象。因此不仅对客车需要静态分析还要做动态分析，国内对模态分析也做 了很多研究工作，但对结构在承受各种随机荷载输入下的响应方面的研究还不 够成熟和完善。清华大学陆秋海等在1 9 9 8 年通过实验证明动应力过大是造成客 车骨架断裂开裂的主要原因 1 9 1 ，孙凌玉等人对客车车身结构动力学建模方法进 行了研究，提出了动力学建模的简化方法原则【2 叭。研究客车在发动机和路面随 机载荷谱作用下的输入响应，可以预测车身在承受动载荷下的骨架应力情况对 预测和提高车身骨架的可靠性使用寿命及振动特性具有很重要的实用意义。 客车的乘坐舒适性是汽车振动性能好坏的重要体现，汽车平顺性的评价是 一个极为复杂的过程，它包括路、车、人三个环节，其中人是最活跃的因索【2 1 1 。 当前对汽车振动的评价主要分两类，即主观评价和客观评价。主观评价方法主 要考虑乘员的主观反应，进行统计分析并对车辆进行评价。因此，对汽车设计 者来讲，应通过设计分析设法降低车辆振动，而对道路设计者和管理者而言， 应减小及改善道路的纵向不平整度，这样才有利于提高乘坐舒适性。 1 5 研究内容 本课题主要以某型客车为研究对象，建立了客车整车骨架有限元模型和整 车多体系统动力学仿真模型，分别从结构和多体系统动力学两方面去研究分析 客车结构的振动性能。为提高客车骨架动力学性能、客车的乘坐舒适性提供了 实际的参考价值，本文主要研究内容如下： 4 ( 1 ) 深入学习有限元、汽车振动、随机振动、多体动力学等理论知识，调研 国内外汽车振动特性、结构静动力学分析方法和技巧以及客车平顺性和座椅舒 适性的评价方法，学习了c a e 相关软件，利用a n s y s 软件通过合理有限元单元的 选取及载荷的处理建立了准确的有限元模型，为客车骨架动态特性分析打下基 础。 ( 2 ) 对客车骨架和客车底架进行了模态分析，得出对振动影响贡献较大的客 车骨架模态频率和模态振型，对整车的动态性能进行了初步评估，为后面的谱 分析做好准备。 ( 3 ) 分别进行了客车在a 级和d 级路面位移功率谱作用下的谱分析，得出整车 结构在不同路面谱作用下的位移变形分布图、速度分布图和加速度分布图，让 我们可以通过云图直观的看出位移、速度、加速度在骨架结构每一部分上的分 布，对了解客车骨架的结构动态特性有重要的理论指导意义。最后考察了客车 在a 级路面上行驶时同时受到路面位移功率谱和发动机加速度激励谱的作用下 的客车骨架动态响应，这比前者单独在路面谱作用下的响应更具现实指导意义， 通过对比让我们了解了更真实的模拟工况下客车骨架的动态响应。 ( 4 ) 建立半车的振动数学模型，并且在a d a m s 中建立带有驾驶员座椅的五自 由度客车多体仿真模型，利用m a t l a b 仿真出b 级路面时域激励信号，将其加载在 a d a m s 多体模型中悬架的下端进行仿真，最后得出驾驶员座椅等所关心测点的加 速度输出及其功率谱密度，对的客车平顺性和座椅舒适性进行了分析和评价。 ( 5 ) 对整车进行了实车多工况下道路振动测试实验，得到各测点在不同工况 下的加速度和功率谱响应曲线，为整车振动性能的分析和评价提供有效的方法。 探讨和阐述了客车结构振动性能匹配和模态匹配，为客车正向振动设计提供一 定参考。 1 6 本章小结 本章介绍了课题的研究背景，所选课题的目的及研究意义，其次介绍了国 内外的研究概况，最后对自己的研究内容做了简要阐述。利用c a e 和实验手段去 研究客车的结构振动性能是提高客车动态性能的不可或缺的手段，对客车的性 能的提高具有重要意义。 车身骨架有限元理论及其建模 体在外力和其它外界因素作用下产生的变形和内力 重要分支。在对车身结构进行结构分析时，其在外 生应力，所以我们应当把由空间薄壁杆状组成的复 研究。弹性体是变形体的一种，它的主要表现特征 ，当外力不超过某一限度时，除去外力后物体即恢 不存在的，对于车身结构体在外力除去后的残余变 形很小时，研究其内部应力与外部载荷关系时，一般就把它当作弹性体处理。 弹性力学基本方程弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6 个应 力分量o x 、o y 、仃：、f x y 、t r , z 、f 积来表示，其中g x y 、g r z 、f 荔为剪应力，吒、 q 、盯z 为正应力【2 2 2 4 1 。 弹性体v 域内任一点沿坐标轴方向x 、y 、z 的平衡方程为： 一0 0 x + 笠+ 堡+ x ：o 瓠 砖 a z 笠+ o c r _ _ _ k y + 堡+ y ：o 瓠 匆 a z 丝+ 笠+ 堕+ z ：o 舐 砂 昆 ( 2 1 ) 其中x ，y ，z 为单元体积的体积力在坐标轴方向的分量。 几何方程为主要表示应变一一位移关系 在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高阶项，则应变向量和位移 向量的几何关系有： o u0 1 i t = 士一 | 马 机j 瓠 卯o w y= + 。弘 a zi 执 伽o u y 。2 _ = + _ = ：二 o 化 物理方程主要表示应力一一应变关系 对于各向同性的线弹性材料，应力与应变的之间关系有： o x = 2 g 6 ，+ 旯秒 o y = 2 g ep + 2 8 仃：= 2 g s ：+ 2 0 6 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 抛一锄加一咖挑一瑟 i | = = 六 乃 既 、l，j 夥 归 硝 y y y g g g = = l l 耖 声 “ 2 1 2 有限元理论基础 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是力学、数学及计算机技术多学科的综 合现代数值计算方法，是随着计算方法和计算机技术的发展而迅速发展起来， 是一种解决工程应用实际问题的一种有力工具和手段，对于结构、电磁场、流 体、声学等一些连续介质和场问题都可适用【2 5 1 。有限元法的原理是离散求解域， 通过单元矩阵生成整体刚度、质量、阻尼矩阵等，利用数