毕业设计（论文）-重型载货汽车驾驶室结构及其优化设计.doc

全套图纸加扣 3012250582 编号 毕业设计说明书毕业设计说明书 题 目 重型载货汽车驾驶室结构及其 优化设计 院 系 机电工程学院 专 业 机械制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师单位 机械制造及其自动化教研室 姓 名 职 称 教 授 题目类型 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2012 年 5 月 20 日 全套图纸加扣 3012250582 摘 要 载重汽车驾驶室是汽车非常关键的部件 其设计质量的高低将关系到载重汽车的 安全性 振动 噪声等动态性能参数 进行载重汽车驾驶室的结构设计及其动态性能 的分析具有重要的社会意义及经济价值 随着我国载重汽车向国际化市场的不断推进 竞争将日趋激烈 对于其性能的要求 不再局限于动力性 载重性方面 而将朝着低噪声 舒适性的方向发展 为了降低噪声 和减少振动 就必须去全面深刻的了解驾驶室的动态特性 本文通过有限元分析的方法 对驾驶室的动态特性进行了初步的研究 首先应用三维软件建立了该驾驶室的 CAD 模 型 然后将其导入 Hyper Mesh 中 分别进行前处理和划分网格 将生成好的有限元模型 输入到 ANSYS 中计算 通过调研和查阅相关文献 了解了载重汽车驾驶室的结构设计与动态性能的分析 方法 通过 Proe 等三维软件建立三维模型 利用有限元分析方法分析对驾驶室进行动 态性能分析 确定在给强度 刚度 振动模态等性能指标 通过分析对比不同结构形 式的载重汽车驾驶室 选择出综合性能指标最合适的载重汽车驾驶室的结构 设计从计算尺寸到出图的这个过程 都是在先进的计算机软件平台上来完成的 此 外如今越来越发达的网络平台也为设计提供了数据 模型等方面的资料 同时在考虑 到载重汽车驾驶室在工程应用上的参数的时候 能够更好的满足现在越来越先进的工 程机械行业的要求 这样才能更好的体现本设计的先进性以及人与机械和谐化的要求 同时在 Proe 等先进软件的辅助下 充分体现了设计的严谨和缜密性 这样也就能够更好 的达到设计的目的 关键词 载重汽车驾驶室 有限元分析 动态性能分析 全套图纸加扣 3012250582 Abstract The truck cab is the key components of the car the design quality of high and low in relation to the safety of trucks and vibration and noise dynamic performance parameters the structure design and dynamic performance analysis of the truck cab has important economic value and social significance With the overloaded car the advancement of the international market competition is increasingly fierce its performance requirements are no longer limited to the load the dynamic aspect but towards the direction of comfort low noise and to reduce vibration and noise we must fully understand the dynamic characteristics of the cab In this paper the finite element method for dynamic characteristics of the cab and interior sound field the first application of 3D software to build the cab model import Hyper Mesh pre processing and meshing will generate a limited element model input in ANSYS calculations Through research and relevant literature grasp the master truck cab structural design and dynamic performance analysis methods By the 3D software of Proe to create three dimensional model using finite element analysis method for dynamic performance analysis to determine the performance indicators in stiffness strength vibration modes on the cab Select the optimal comprehensive performance truck cab structure through analysis and comparison of the different structural forms of the truck cab Design diagram of the process from the surveying and mapping are in advanced computer software platform At the same time is becoming increasingly well developed net work platform provide a model for the design data and other aspects of reference We also take into account the compactors cab on the project meet the construction machinery industry developed the requirements so as to reflect the design of advanced and the machinery of the requirements of harmony while in UG and other advanced software support the design embodies the strict and careful this will achieve the significance of the design 全套图纸加扣 3012250582 Key words Heavy truck cab Finite Element Analysis Dynamic Performance Analysis 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 目 录 引言 1 1 载重汽车驾驶室的结构及其优化设计 1 1 1 载重汽车驾驶室的结构组成 1 1 2 不同结构形式的载重驾驶室 1 1 2 1 悬置装置不同的分类 1 1 2 2 国内载重汽车驾驶室的结构对比 2 1 2 3 货车驾驶室的分类 4 1 3 载重汽车驾驶室优化设计 4 1 3 1 载重汽车驾驶室优化设计简介 4 1 3 2 驾驶室重量及重心坐标测量 5 1 3 3 减振器及前后弹簧参数改进 5 1 3 4 后支撑横梁的结构问题及其优化措施 6 1 3 5 总结 8 2 驾驶室 CAD 模型的建立 8 2 1 驾驶室建模主要的思想 8 2 2 驾驶室建模的简化 8 2 3 驾驶室 CAD 模型 9 3 驾驶室 CAE 模型的建立 11 3 1 有限元分析理论基础 11 3 1 1 有限元分析基本原理 11 3 1 2 HYPER MESH ANSYS 软件介绍 11 3 2 驾驶室有限元分析模型的建立 12 4 载重汽车驾驶室动态性能分析 14 4 1 载重汽车驾驶结构静力学分析 14 4 2 载重汽车驾驶室的结构模态分析 15 4 2 1 驾驶室模态计算 15 4 2 2 驾驶室模态有限元分析 16 4 2 3 驾驶室模态优化设计 19 5 载重汽车驾驶室振动及其响应分析 21 5 1 驾驶室壁板厚度变化 21 5 2 驾驶室的声固耦合的作用 22 5 3 驾驶室振动及其响应分析小结 25 6 载重汽车驾驶室设计技术现状 25 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 6 1 先进的驾驶室产品特征 25 6 2 先进的造型设计技术 25 6 3 先进的工程设计技术 26 6 4 先进的设计理念 并行工程 CE CONCURRENT ENGINEERING 28 6 4 1 开发流程的并行 28 6 4 2 设计方案的并行 29 6 4 3 项目团队的协同工作 29 7 总结 30 谢 辞 31 参考文献 32 全套图纸加扣 3012250582 第 1 页 共 32 页 引言 载重驾驶室是汽车的非常重要的组成部分 它的设计质量的好坏对整个汽车总体 设计有着重大的影响 通过对驾驶室进行 CAD 建模及 CAE 有限元分析 对于驾驶室的 动态性能有了比较细致的研究和分析 同时也对驾驶室的安全性及噪音等等有了初步 的认识和了解 在此基础上对驾驶室进行优化设计 使驾驶室的性能得到显著的提高 为将来驾驶室设计的研究方向提供了一些参考 通过使用有限元分析软件 对于驾驶 室的刚度 强度 模态性能等有了更透彻的了解 总结最先进的驾驶室设计技术 对 未来驾驶室的设计趋势有了明确的方向和指导 1 载重汽车驾驶室的结构及其优化设计 1 1 载重汽车驾驶室的结构组成 载重汽车驾驶室的主要组成是前围板 左右前围侧盖板 左右前立柱 顶盖及横 梁 前风窗框边梁 地板及门槛 后围板及后立柱 等 下面分别介绍 1 前围板 它是驾驶室和发动机舱内的隔板 具有封闭 降噪 隔热 保护等 作用 2 左右前立柱 它是前部的加强部分 受力后 会产生变形或者折皱甚至折断 3 左右前围侧盖板 它的强度低 主要起封闭作用 也可以抵挡住侧面的撞击 4 前风窗框边梁 它是前风窗的安装框架 撞击后会变形 同时玻璃会破碎 边梁很可能发生拱曲变形 5 顶盖及横梁 它的作用是顶部封闭 防止漏雨 也可以起遮阳作用 6 后围板后立柱 其中立柱是骨架部分 起加强作用 后围板作为驾驶室后部 的封闭面 更主要的作用是抵制一部分后部货物前移引发的撞击 7 地板及门槛 有封闭底部 强度较高 支撑作用 变形复杂 空洞较多 1 2 不同结构形式的载重驾驶室 1 2 1 悬置装置不同的分类 按照悬置装置不同可以分为半浮式驾驶室以及全浮式驾驶室 全浮式驾驶室就是 驾驶室是由前后左右四组弹性元件所构成的悬置系统 然后将驾驶室悬置于车架之上 全浮式驾驶室悬置系统主要由前 后两组悬置系统组成 前悬置结构包括简式减振器 螺旋弹簧 拉杆 横向稳定杆等 后悬置结构包括螺旋弹簧 横梁以及拉杆等 如图 1 1及图1 2分别给出了全浮式驾驶室前 后悬置结构 全套图纸加扣 3012250582 第 2 页 共 32 页 图1 1 驾驶室前悬置结构图 图1 2 驾驶室后悬置结构图 半浮式驾驶室与全浮式驾驶室相比较 其驾驶室的前部两个支承点通过铰接方式 与车架连接 后悬置结构采用阻尼元件和弹簧构成后悬置连接到车架上 除了按结构形式的不同来区分驾驶室悬置系统外 还可以根据悬置结构所采用的 弹性元件的不同来分类 主要包括 钢板弹簧驾驶室悬置 螺旋弹簧驾驶室悬置 空 气弹簧驾驶室悬置等 1 2 2 国内载重汽车驾驶室的结构对比 1 东风天龙 图1 3 东风天龙 全套图纸加扣 3012250582 第 3 页 共 32 页 天龙驾驶室内部空间很大 它的环绕式仪表台是以驾驶员为中心来布置 从而使 得按钮 开关都触手可及 它还包括大储物柜 可调式座椅和人机工程学等应用 极 大的提高了驾驶室的人性化和舒适性 天龙在左右门中都安装了防撞杆 而且门框也 配有了加强门梁 2 解放 J6 图1 4 解放 J6 解放 J6 的设计理念是采用了居室化 此外它还符合抗碰压的欧洲安全标准 它的 外部造型采用的是欧洲时尚风格 不仅严谨庄重而且充满动感 室内宽敞 设施完备 采用四点全浮悬置 不仅大幅度降低了驾驶室的振动 而且确保在任何路况下都能达 全套图纸加扣 3012250582 第 4 页 共 32 页 到最佳减振的效果 1 2 3 货车驾驶室的分类 1 平头驾驶室 平头驾驶室 是指发动机在其后下部的货车驾驶室 它的优点是 汽车的长度 和轴距较小 可减轻汽车装备质量 提高机动性 视野开阔 因此 平头驾驶室逐 渐成为载货汽车的驾驶室的主流 它的缺点主要是不便于检查和维修发动机 为此 发展了可翻式驾驶室 2 可翻式驾驶室 可翻式驾驶室 是指可以向前倾翻的货车平头驾驶室 目前已被载货汽车普遍采 用 平头驾驶室的主要缺点 是不便于检查和维修发动机 可翻式驾驶室 就是针对 这一问题开发出来的 整个驾驶室可绕前下方的一根转轴向前倾翻 平时 驾驶室的 后部靠锁紧机构锁紧 1 3 载重汽车驾驶室优化设计 1 3 1 载重汽车驾驶室优化设计简介 近些年来 随着经济建设的发展以及科技生产水平的逐步提高 同时在市场竞争 的推动下 载重汽车的性能逐年都在提高 八十年代 载重汽车注重于经济性 动力 性及可靠性等方面 但是从九十年代至今 则更加注重于安全性 环保性及舒适性等 方面的提高 驾驶室有高顶和半高顶两种 如图1 5 所示 驾驶室的悬置系统是由前后各两个 螺旋弹簧相配合减振器而构成的四点悬浮式结构 当车辆在行驶过程中遇到不平路面 所带来的振动和冲击 它可以通过悬置系统中的减振器和螺旋弹簧分别衰减振动和吸 收冲击从而提高了驾驶室的舒适性 然而高顶驾驶室比半高顶驾驶室重很多 如果用 原有的驾驶室悬置系统来支撑高顶驾驶室 则会出现诸如支撑横梁强度不足 异常抖 动 减振性能差等问题 对于这些问题 可以通过对驾驶室的悬置系统进行分析和计 算 并进行优化设计 a 前悬置结构 前后视图 b 后悬置结构 左右视图 图1 5 载重驾驶室的悬置系统的结构 全套图纸加扣 3012250582 第 5 页 共 32 页 1 驾驶室地板纵梁 2 前减振器 3 前压缩侧限位块 4 翻转轴 5 前拉伸侧限位块 6 前支撑 7 前螺旋弹簧 8 举升缸 9 后支撑吊耳 10 后支撑橡胶块 11 后螺旋弹簧 12 后 压缩侧限位块 13 后减振器14 后缓冲块吊架 15 后拉伸侧限位块 16 防侧倾稳定杆 17 后支撑横梁 1 3 2 驾驶室重量及重心坐标测量 首先利用地磅测量出驾驶室的总质量为M 然后用静平衡法来测量驾驶室的重心坐 标 测量方法如图1 6所示 图1 6 驾驶室重心坐标测量示意图 以翻转中心点作为驾驶室的坐标原点O 如图2 a 所示 驾驶室后端由一个高度可 调的托架支撑 托架放在地磅上 调整托架的高度使驾驶室保持水平 然后读出地磅 读数M1 最后测量长度L 利用力矩平衡可知 Lx M1 L M 1 用同样的方法将驾驶室按逆时针翻转90 得到如图2 b 所示 易得到 Lz M2 L M 2 驾驶室的总重量为 G M g 9 8M 3 式中 M M1 M2 驾驶室的总质量 地磅的测量值1 地磅的测量值2 Kg Lx Lz 驾驶室的重心坐标 mm L L 测量出X Z 方向的前后支撑点的距离 mm 由于驾驶室左右重量相差比较小 因此默认重心在左右对称线上 然后将所测得 的数据代入式 1 2 3 中得到下表1 表1 1 驾驶室重量及重心坐标 驾驶室的重量 N 驾驶室的重心X坐标 Lx mm 驾驶室的重心坐标 Lz mm 8686695889 1 3 3 减振器及前后弹簧参数改进 全浮式悬置系统的驾驶室的隔振效果与弹簧和减振器的参数选择 悬置系统的结 构形式以及主悬架系统的参数匹配都密切相关 下面将通过对悬置的结构 减振器参 全套图纸加扣 3012250582 第 6 页 共 32 页 数以及螺旋弹簧进行改进 以此来提高驾驶室的舒适性 由重心坐标及图1 7可知在驾驶室空载时单根前后弹簧的支撑力F1 F2 分别为 图1 7 弹簧支撑力的计算示意图 F1 L2 G 2 L1 L2 4 F2 L1 G 2 L1 L2 5 将L1 560mm L2 1250mm G 8686N 代入式 4 5 中 可算得 F1 2993 2N F2 1353N 设 H1 H2 分别为前后弹簧在静载荷时的压缩量 则有 H1 L2 G 2 L1 L2 K1 6 H2 L1 G 2 L1 L2 K2 7 由式 6 7 可知 弹簧的刚度小 则弹簧的压缩量大 平顶驾驶室悬置系统 的前后弹簧的自由高度及刚度K1 K2 如表1 2 所示 以后弹簧为例 得 H2 79mm 驾驶室满载后的变形量加上该变形量使得后缓冲块吊架与后压缩侧限位块的距离很近 从而使车辆在行驶过程中限位块会经常撞击后缓冲块吊架 同时给驾驶室造成了冲击 影响了驾驶的舒适性 毫无疑问也降低了限位块的寿命 高顶驾驶室一般比平顶重 200Kg 若将该重量平均分配到前后弹簧上 同时由前后弹簧支撑现有的结构尺寸 为 了使得弹簧在汽车行驶的过程中有足够的空间来衰减冲击 并且不经常撞击缓冲块 通过改进减振器阻尼和前后弹簧的参数 如表1 3 来调整限位尺寸 表1 2 平顶驾驶室悬置弹簧的刚度及高度 名称刚度K1 K2 N mm 自由高度H0 mm 前螺旋弹簧18229 5 后螺旋弹簧230135 5 表1 3 前后弹簧和减震器参数改进 名称刚度 K1 K2 N mm 自有高度 H mm 压缩阻力 N 恢复阻力 N 前螺旋弹簧 50195 后螺旋弹簧 300135 前减振器 9601550 后减振器 290750 全套图纸加扣 3012250582 第 7 页 共 32 页 1 3 4 后支撑横梁的结构问题及其优化措施 1 结构问题及强度校核 如图1 8 驾驶室的左右后支撑吊耳的下平面与后支撑橡胶块的上平面并不接触 它们有h0 6mm 的间隙 由于该间隙的存在 这使得驾驶室的后支撑的载荷分配方式由 三处承载变为后座架的单独一处承载 当汽车在行驶的过程中 驾驶室会围绕着后座 架的中间轴进行左右摇晃 严重影响驾驶室的舒适性 图1 8 横梁尺寸问题 此外中间承载的问题也会影响横梁的强度 图1 8 中L3 620mm L4 120mm 横 梁后座架的弯矩将是后支撑吊耳处的10倍 下面通过两种载荷工况来对后支撑横梁的 强度进行有限元分析 工况1 驾驶室满载时将后横梁的载荷1532N 全部作用于后座架 上 使得左右吊耳不受力 结果如图1 9 a 所示 工况2 在驾驶室满载时将后横梁的 载荷1532N分别作用于左右吊耳上 此时后座架不受力 结果如图1 9 b 所示 图1 9 两种工况下有限元模型 横梁的材料为16MnL 它的强度极限和屈服强度分别为 b 520 Mpa s 350Mpa 它的弹性模量为2 2Mpa 泊松比为0 3 两种模拟工况都在垂直方向给予了 2 6g 的振动加速度 它们的模拟结果如图1 10所示 通过图中等效应力的等值线我们 可以看出 在工况1中 它的最大应力为395MPa 明显超过了材料的屈服强度极限 350MPa 它的最大应力应该是出现在了横梁上驾驶室防倾锁的安装孔附近 在工况2 中 它的最大应力为139MPa 没有超过材料的屈服强度极限 350MPa 它的最大应力 应该是出现在支撑橡胶块处 它的整根横梁应力分布均匀 符合材料的强度要求 全套图纸加扣 3012250582 第 8 页 共 32 页 图1 10 计算结果 2 优化措施 通过分析上述计算结果易知 在横梁处于工况1载荷时 它在复杂路况下横梁有很 大的断裂的可能性 在受到工况2载荷时 它的横梁在复杂路况下可以符合强度要求 通过改善后座架的在垂直方向的中间销轴的位置来使得h0 0 使得左右支撑的吊耳来 共同承担驾驶室的后载荷 同时可以大大地降低汽车在行驶过程中驾驶室左右摇晃的 幅度 1 3 5 总结 通过对驾驶室的悬置系统的减振器参数和前后螺旋弹簧的改进 很好的降低了驾 驶室内每个点的振动加速度 同时舒适性也有了明显的提高 此外又优化了驾驶室的 支撑后横梁的尺寸链 极大的改善了其受力状态 同时降低了中间点的弯矩 并有效 地提高了横梁的支撑强度 2 驾驶室 CAD 模型的建立 2 1 驾驶室建模主要的思想 驾驶室实体模型准确而可靠的建立是一项非常重要的工作 它与后续计算结果的正 确与否有着直接关系 然而工程上所说的 准确 是指模型只要能够满足实际的需要 那么就可以认为它是准确的 主要的建模思想如下 1 在实际的建模过程中 应该把结构的整体表达作为重点 并不要求所建的模型 与实际的结构尺寸一模一样 只要求各个部件的主要位置 形状准确使得其能够保证模 型的力学特性与实际相比偏差不大 2 对于有限元分析影响比较小的特征一般可以简化甚至不必表达出来 但是必须 准确的表达对于有限元分析影响很大的特征 然而驾驶室的各个总成件 则必须要以表 现整体结构的正确的连接关系与刚度 质量分布为目标 3 驾驶室的建模必须要为随后的有限元工作做准备 这是由于模型过于复杂肯定 会增加在网格划分中的工作量 甚至很有可能致使局部网格的质量很差 将直接造成有限 元分析很困难 全套图纸加扣 3012250582 第 9 页 共 32 页 2 2 驾驶室建模的简化 在现实中载重汽车驾驶室都是由数十块钣金件焊接而来的 然而它们中的一些大型 总成件如车门 前围 后围等通常还附带着安装附件 如刮水器 制冷管线 车灯 门 锁等 而驾驶室的地板造型还应考虑与底部车架的安装 所有这些都将使得驾驶室的空 间结构非常的复杂 像加强筋板 沟槽 孔洞等会很多 假如实际的驾驶室不通过简化 处理就去直接建立模型并进行网格划分 这几乎是不可行的 所以对驾驶室做了下面的简 化 1 在建模过程中应该重点考虑驾驶室的结构承力件 而省去内部装饰件和附属功 能件 2 驾驶室几乎所有的部件全部为面体 可以忽略驾驶室结构中的一些小尺寸结 构 如凸台 小孔等 在驾驶室结构中的凹槽 倒角 翻边等往往是为了工艺上避让一 些管线或局部过渡而设计的 一般都可以忽略 2 3 驾驶室 CAD 模型 载重汽车驾驶室的结构主要包括顶盖 前围 后围 侧围等 一般进行动态特性 研究时 大多数情况下以白车身作为研究对象 也就是不考虑驾驶室结构的车门和附 属件 驾驶室的 CAD 模型主要包括以下几个部分 1 驾驶室前围 CAD 模型 驾驶室的前围主要由围板结构和风窗窗框共同构成 前围结构下部有凹槽 这是为 了装配车灯及装饰件 此外在凹槽上部留有方孔是为了配置车前大灯 前围结构如下图 2 1 所示 图 2 1 2 驾驶室顶盖和后围板的 CAD 模型 驾驶室的总成件如顶盖 后围板都是轮廓尺寸比较大的大型薄板冲压件 它的展 开尺寸都在 1000mm 以上 其形状绝大多数都是曲率较小的平坦零件 它的刚性不足 因 而必须对冲压件进行折边和翻边 顶盖如下 2 2 图所示 全套图纸加扣 3012250582 第 10 页 共 32 页 图 2 2 后围板如下 2 3 图所示 图 2 3 3 驾驶室整体 CAD 模型 将各个部分分别成型后 按照几何和配合关系来进行装配 装配完成后的驾驶室模 型如下图 2 4 所示 全套图纸加扣 3012250582 第 11 页 共 32 页 图 2 4 3 驾驶室 CAE 模型的建立 3 1 有限元分析理论基础 3 1 1 有限元分析基本原理 有限元分析方法的基本原理是把一个连续体分解为有限个单元的组合 这些单元 只是在节点上相连接 但是这样就可以用有限个单元的集合来代替包含无限个自由度 的连续体 节点一般在单元的边界上 而单元之间是通过节点来连接的 将每个单元 所承载的己知面力和体力都是按照静力等效原则分别移置节点上 也就是结构只在节 点处承受载荷 这个称为节点荷载 3 1 2 Hyper Mesh ANSYS 软件介绍 驾驶室是一个复杂的结构 进行前处理 后处理以及求解都依靠于有限元软件才 能得以实现 Hyper Mesh 最鲜明的特点是具有非常强大的有限元网格前 后处理的功 能 它还能与大多数 CAE 和 CAD 软件方便的进行数据交换并且具有非常高效的网格 划分功能 但是相对于 ANSYS 软件 它在有限元分析中单元类型和材料类型的数量较 少 而且求解方法也很难设置 此外在计算与结果处理等方面的性能也存在着一定的 差距 因而可以选用 Hyper Mesh 软件 主要用于有限元网格前 后处理功能和有限元网 格划分 此外将利用 ANSYS 软件来用于计算分析和结果处理 这将极大的提高分析结 果的效率 而它的求解也能够符合实际的需要 下面将对这两个软件做一些简要的介 绍 1 Hyper Mesh 主要功能 强大的数据接口及几何清理功能 全套图纸加扣 3012250582 第 12 页 共 32 页 Hyper Mesh 具有齐全的 CAD 数据接口 还可以直接输入驾驶室的几何模型 在 建立的驾驶室几何模型中可能会有遗失 不重合或者重叠的曲面 它们都可能导致局 部网格的严重变形 Hyper Mesh 拥有面编辑工具和整体几何清理工具 可以清除几何 模型中的孔洞 缺损甚至补全遗失的曲面 强大的抽取中面功能 汽车是薄壁件 它的长度尺寸要远远的大于其厚度 Hyper Mesh 具有抽取中面的 功能 它可以对板壳结构件直接抽取中面 通过中面来替代原有的几何体 可以非常 准确地模拟模型 且还可以利用板壳单元来进行网格的划分 编辑 划分网格功能 有限元模型的建立和编辑都是有 Hyper Mesh 来完成的 是因为 Hyper Mesh 拥有 非常强大的网格划分功能 如果是二维模型 则用户可以通过 Auto mesh 在模型的表 面来创建网格 网格划分可以根据要求在模型的指定部位来划分网格 也可以一次性 的划分所有网格 另外 如果是己经生成的网格单元 则可以重新划分局部网格 从 而改善原有网格的质量和形状 而如果是三维实体模型 则 Hyper Mesh 采用四面体和 五面体等实体单元 它能够自动的通过高质量的一阶或二阶的四面体单元从而自动生 成网格 也可以通过用户输入的控制参数来对局部网格进行细化 多功能的后处理 Hyper Mesh 的后处理主要用于观察模型的分析结果 还用于处理有限元 视频 多体系统仿真和工程数据 具有强大的数据分析 工程数据格式接口和图表绘制功能 也能够生成二维图 幅值相位图及柱形图 2 ANSYS 功能简介 ANSYS 是 Analysis System 的缩写 它是一款求解功能强大 图像功能完备 用户 界面良好的有限元分析软件 并广泛应用于汽车的结构分析 它可以与 Hyper Mesh 进 行数据的交换和共享 它的求解器功能强大 因而在有限元模型的求解分析中经常使 用 ANSYS 的分析过程可分为模型前处理 后处理 求解计算 驾驶室的有限元分析 主要使用了 ANSYS 软件的后处理模块和求解计算功能 下面对这两个模块作简要介绍 求解模块 在求解这个阶段 ANSYS 使用 Solution 求解器 它可以定义分析类型 施加载荷 设置边界条件和有限元求解 该阶段的分析结果最终写入 ANSYS 数据库和结果文件 而单个子步的结果则作为数据集保存 如果是某个分析的每个载荷步 则用户可指定 每个子步 中间子步 最终子步 还可以选择数据集的范围 如应力 位移及反作用 力 后处理模块 1 通用后处理模块 POST1 POST1 是指在某个特定的时间或频率下的结果 比如在瞬态动力学求解中某一时 全套图纸加扣 3012250582 第 13 页 共 32 页 刻的速度 位移与加速度等 它的求解结果可以通过图形来直观的显示出来 而在模 型中的计算结果的变化情况则可用变形图 等值线图 矢量图来表示 2 时间历程后处理模块 POST2 时间历程后处理模块主要用于分析和处理在一个历程或者时间中 模型在指定的 节点上的结果 如速度 位移或应力等 及随着频率或者时间的变化情况 比如在瞬 态动力学的分析结构的某节点上的速度 位移和加速度在某一时间段内的变化规律 而计算得出的数据则可以绘制出变量随着频率变化的函数曲线 3 2 驾驶室有限元分析模型的建立 驾驶室有限元分析的建模是在Hyper Mesh 中进行的 为了保证计算出的结果的合 理性 正确性和经济性 在建模的过程中应尽量在保持和原始结构一致的同时 也很 有必要进行简化 如果对一些非关键的结构过于细致的描述 不仅增加了建模的难度 和元数目 而且会使有限元模型的单元尺寸因为变化过于剧烈从而影响后面的计算精 度 而必要的简化则要以符合结构的主要力学特性作为前提 在驾驶室结构中的一些 小尺寸结构 如开口 小孔 翻边和小凸台 通常设计它们的目的是为了工艺上避让 一些管线或者局部过渡或 而对于整体的强度 刚度影响并不大 一般可以忽略 如果 是为了让安装零部件方便从而设置了尺寸比较大的孔则基本上都有翻边 它对于局部 强度和整体刚度的影响较大 因而不能做简化处理 驾驶室的所有零件都是用板壳单元来进行离散的 单元形态则以四边形单元为主 这是为了避免使用过多的三角形单元从而引起局部刚性过大 为了使得整个驾驶室的 有限元模型的规模不致过大从而影响计算的经济性 故单元尺寸一般控制在 10 25mm 此外为了保证计算结果的精度和缩短求解的时间 单元质量按照 3 1 进行 严格的控制 表3 1 单元质量检查规范 四边形 单元翘曲角 单元 边长比 四边形 单元最小内 角 四边形 单元最大内 角 三角 形最小内 角 三角 形最大内 角 单 元最小 尺寸 20 30 17 5 mm 为了更加真实地表达出驾驶室各个零件之间的点焊的连接关系 在确保焊点位置 精度的大前提下 采用了下面的焊点模拟方法 1 几何上完全协调从而消除了料缝的焊接位置 并使该处节点化 从而使之连为 一体 2 部分有料缝的地方 通常采用刚性单元的连接焊接处的节点 通过以上处理方法 按照 零件 点焊连接 分总成 点焊连接 驾驶室 整体 的这个顺序完成建模 模型规模 驾驶室单元总数为33386 个 节点总数为 全套图纸加扣 3012250582 第 14 页 共 32 页 35591 个 模拟焊点为1998 个 最终建立的有限元模型如图3 1 所示 图 3 1 驾驶室有限元模型 4 载重汽车驾驶室动态性能分析 4 1 载重汽车驾驶结构静力学分析 一般承载式车身的静力学性能主要是由刚度和强度两项指标来评价的 而对于载 货车而言 基本上是由车架来承担其所受的载荷 驾驶室承受的载荷仅仅包括非模型化 车身部件的质量 自重 乘员质量和座椅质量在内的很小部分的载荷 所以其强度需求 较小 相关资料也表明 在车身设计时 只要能够满足刚度要求的结构一般都能同时满 足强度要求 鉴于该载货汽车驾驶室在不平的路面上行驶时的实际工况和结构尺寸 因 而其静力学性能的关键指标是以扭转刚度作为评价标准 将前面提到的有限元模型通过命令流的方式导入到ANSYS 软件中进行加载求解 边 界条件以右前轮通过障碍的工况来施加 见表4 1 表4 1 扭转工况边界条件 约束右后悬架支撑点y z 自由度 约束左后悬架支撑点x y z 自由度 释放右前悬架支撑点x y z 自由度 约束左前悬架支撑点x z 自由度 释放全部支撑点的转动自由度 在上面的边界条件的基础上 对驾驶室的前端施加扭矩 也就是将右前悬架的支撑 全套图纸加扣 3012250582 第 15 页 共 32 页 点处垂直向上抬高16mm 对其施加位移载荷 它的扭转变形云图 图4 1 和底部应力 云图 图4 2 如下图所示 图4 1 扭转变形云图 图4 2 底部垂向应力云图 易知右前支撑点处的垂直向上的反力 其驾驶室的扭转刚度为 G M FL 180h L 式中G 白车身整体的扭转刚度 N m L 左 右前悬支撑间距 mm F 强制位移施加点处的垂直向上的反力 kN M 白车身前端所受到的扭矩 N m h 右前悬架点处的垂直向上位移 mm 全套图纸加扣 3012250582 第 16 页 共 32 页 计算可得驾驶室的扭转刚度值为2335N m 与某些非承载式的结构的货车 驾驶室的扭转刚度的计算值 2024 1N m 相比 数值较为接近而略有提高 由于结构尺寸相对减小 设计紧凑因而提高了 通过对比 首先可以说明这个计算结 果是准确的 因而完全可以作为设计参考 此外也表明驾驶室的整体结构设计是合理 的 对于该非承载式结构的驾驶室 这是完全可以满足其强度和刚度要求 从扭转变形图中可以发现 变形的峰值点是出现在侧围板的车身立柱和前围连接处 易 知该变形过于集中 如果车辆是长期在这种异常恶劣的工况下行驶 那么该部位将极易 出现疲劳损坏 可以通过加厚立柱外板来增加易损部位的局部刚度和强度 从而在最 大程度上避免该部位的疲劳损伤 4 2 载重汽车驾驶室的结构模态分析 模态分析技术是一门非常重要的结构动态特性的工程技术 对驾驶室的有限元模 型进行模态分析 可以获得结构的模态参数 从而能从整体上评价它的刚度特性 此外它 也是结构动态响应分析中的基础部分 驾驶室是一个非常复杂的振动系统 因此在结构的优化和设计中模态分析是非常重 要的 通过有限元分析方法计算驾驶室的模态 寻找该结构在怠速工况时驾驶室出现 共振的薄弱部位 为后面的结构改进提供依据 4 2 1 驾驶室模态计算 1 自由振动固有频率 假设是一个为N个自由度的线性定常系统 则其运动方程可写成 M x C x K x F 1 式中 M K 和 C 分别为结构质量 刚度矩阵和阻尼 x x F 和 x 分别为系统各点速度响应向量 加速度响应向量 激励力向量和位移响应向量 求解系统的振型参数和固有频率 一般不计外载 即 F 0 并且不计结构阻尼的影 响 得出系统的无阻尼自由振动时的运动方程为 M x K x 0 2 其对应的特征方程为 K 一 wi M X 0 3 式中 wi为自由振动的固有频率 由特征方程易得 wi K M N个自由度 系统含有N个固有频率 4 2 2 驾驶室模态有限元分析 若车身是在外界激励下的振动 则是各个阶模态振型相互叠加的结果 但是对振 动主要是由于车身的低阶弹性模态 因而分析驾驶室的低阶模态是最重要的问题 在 ANSYS软件中调用驾驶室的有限元模型 通过Lanczos 算法来对驾驶室的有限元模型进 行必要的解析模态计算 其边界条件是没有任何约束的自由模态 计算出驾驶室结构 在0 40Hz 之间的各阶固有频率 且在ANSYS 的后处理器中观察各阶振型图 各阶频率值如表4 2所示 其振型如图4 3 图4 6 所示 全套图纸加扣 3012250582 第 17 页 共 32 页 表4 2 驾驶室前四阶模态频率值 单位 Hz 阶数1234 频率21 03733 33637 24038 748 图4 3 一阶扭转 21 037Hz 图4 4 一阶弯曲 33 336 Hz 全套图纸加扣 3012250582 第 18 页 共 32 页 图4 5 脚踏板同向局部振动 37 24 Hz 图4 6 二阶弯曲 38 748 Hz 载货汽车的驾驶室所受到的振动激励主要是来自于发动机和车架和的振动 车架 的振动主要是由于路面对车轮造成的冲击以及传动轴的不平衡所引起的 它们的激励 频率通常都小于20Hz 而发动机引起的振动根据发动机的转速不同而不同 但是对于平 头式驾驶室的影响是最大的 这种车型发动机基本的转速参数为 a 怠速工况下 600 50 r min b 额定功率为3600 50 r min 因而发动机对于汽车的激励频率为 怠速工况下激振频率 f 600 50 60 2 20 1 67Hz 正常行驶时激振频率 f 3600 50 60 2 120 1 67 Hz 如果驾驶室的结构模态与上述的频率相耦合 则会使驾驶室产生共振 最严重的时 全套图纸加扣 3012250582 第 19 页 共 32 页 候会使整个汽车发生抖振 造成车内噪声过大 且局部会产生疲劳破坏 因此 提出了 载货汽车驾驶室的模态分析评价思路 1 驾驶室的低阶固有频率也就是一阶弯曲或一阶扭转频率的值应该大于车架系 统的固有频率 而且要避开发动机在怠速时的爆发频率 以防止发生共振现象 2 驾驶室结构的弹性模态频率最好避开发动机经常工作频率 3 结构振型应该尽量光滑 以避免有突变 经过研究和分析 发动机的经常工作频率 121 67Hz 是远远的大于驾驶室的弹性 模态频率 因而正常行驶时是不会引起共振的 而该载货汽车驾驶室的一阶扭转频率是 21 037Hz 与发动机在怠速工况下的激振频率 20 67Hz 是较接近的 因此在怠速工况 下产生共振的可能性比较大 故建议在以不改变整体结构为前提下 通过进行灵敏度分 析来找出对于一阶频率影响最大的部件 并通过改变它的材料 厚度或者改善局部结构 来尽可能的增加驾驶室一阶频率值 此外最大限度的降低在实际使用过程中出现共振的 可能性 另外 通过振型图可以发现 构成驾驶室的几大主要结构 前围 后围 侧围 板 顶盖和地板在低频域内都没有出现明显的局部振动 振型是比较光滑的 表现出相 对较好的整体刚性 但是地板以下脚踏板这两处的低阶局部振动还是较为强烈的 这说 明这一部位的刚性比较差 设计的不够合理 在行驶的过程中可能会引起侧围板和车门 的抖振 故建议通过采用增加或者加厚加强筋的方式来提高局部刚性 4 2 3 驾驶室模态优化设计 通过采用Hyper Mesh的求解器Hyper Opti来计算并获取了驾驶室前8阶时的自由模 态 由于驾驶室的结构非常复杂 并且有大面积的薄板结构 因而在驾驶室的模态计 算的结果中含有大量的局部模态 计算结果如下表4 3所示 表4 3 驾驶室前8阶振动的模态频率和振型描述 模 态 频 率 Hz 振型描述 12 5 52 顶盖一阶上下弯曲 驾驶室整体沿着X轴向一阶轻微弯曲 22 8 85 驾驶室绕X轴的一阶扭转 33 2 28 顶盖二阶上下弯曲振动 驾驶室整体轻微地绕X轴作一阶扭转 43 3 53 驾驶室绕Y轴作一阶扭转 顶盖三阶上下弯曲 53 7 76 后围局部模态 顶盖局部模态和驾驶室整体沿X轴向作一阶弯曲 全套图纸加扣 3012250582 第 20 页 共 32 页 63 9 34 前面板局部模态 后排座椅局部模态和驾驶室整体沿X轴向作一阶弯曲 74 1 83 后围上部局部模态 顶盖前部局部模态和驾驶室整体轻微地沿着X轴向一 阶弯曲 84 2 29 驾驶室整体绕X轴作一阶扭转 顶盖 后排座椅等局部模态 驾驶室模态优化设计的数学模型是由实际优化设计的数学抽象而来 在确定约束 条件 设计变量和目标函数之后 其优化设计就可以用一般数学形式来表示 驾驶室是由许多很薄的钢板焊接而成的 所以焊点间距对模态的影响很大 该驾 驶室的顶盖与顶盖横梁之间是采用胶粘的 在原方案中胶粘间距100 150 mm 为了提 高该驾驶室的低阶模态频率 可通过增加焊点或者增加顶盖横梁与顶盖的胶粘个数 使它的间距为40 80 mm 此外顶盖横梁的宽度尺寸将由110 mm增加到200 mm 以此来 增加顶盖总成刚度 从而改善其模态情况 优化前 后驾驶室的前8阶振动模态频率的 对比如下表4 4所示 表4 4 优化前后前8阶振动模态频率比较 模态 12345678 原频率 Hz 25 5228 8532 2833 5337 7639 3441 8342 29 优化后频率 Hz 27 7830 1433 4634 3439 3840 3442 2442 68 当驾驶室的造型和结构形式都确定以后 驾驶室的结构模态主要是由这些钢板的 厚度来决定的 在进行驾驶室的模态优化设计时 把不同零件的厚度作为设计时的变 量 根据工程生产的实际情况 对给定零件厚度的模态频率作为优化目的 使其达到 最大值 一般利用HyperOp ti来进行优化 最终的优化结果表明 当在驾驶室自重不 变的前提下 通过改变不同零件的料厚 是能够明显的改善驾驶室的振型和模态的 重新调整各零件材料厚度前 后驾驶室的尺寸范围 取驾驶室自重不变为约束条件 得出前8阶振动模态频率比较结果如下表4 5所示 表4 5 重新调整各零件材料厚度前 后驾驶室前8阶振动模态频率比较 模态 12345678 原频率 Hz 25 5228 8532 2833 5337 7639 3441 8342 29 材料厚 度调整 后频率 Hz 29 2832 5335 2635 6539 5342 2244 3444 32 不同部位的零件对于模态的影响是不一样的 比如有些零件的厚度的微小变化会 造成驾驶室模态很大的改变 但是驾驶室模态对于另一些零件的厚度却并不敏感 为 了更加有效的改善驾驶室的模态 通过利用Altair Hyperstudy来对驾驶室进行分析 全套图纸加扣 3012250582 第 21 页 共 32 页 首先了解各零件材料厚度对于驾驶室自重和模态的贡献率 从而在驾驶室自重变化不 大的情况下 通过有针对性地改变零件材料厚度来提高驾驶室的模态频率 通过分析 得出顶盖材料厚度对于驾驶室模态第一阶频率的贡献率是最大的 且其对于驾驶室自 重贡献率也是最大的 这主要是由于驾驶室顶盖的面积较大 而相应刚度较弱 因而 整个驾驶室的低阶模态是通过顶盖来体现 为了验证顶盖材料厚度对于驾驶室模态频率的影响 假设其他条件不变 将顶盖 材料厚度由0 8 mm调整为0 9 mm 然后重新计算驾驶室的模态 得出顶盖材料厚度 调整前后模态频率的比较如下表4 6所示 表4 6 顶盖材料厚度调整前后模态频率的比较 模态 12345678 原频率 Hz 25 5228 8532 2833 5337 7639 3441 8342 29 调整后 频率 Hz 26 7629 7233 5733 7139 5839 9942 8843 32 通过上述结果表明 顶盖材料厚度的增加 会使得驾驶室的低阶模态频率有很大 的提高 从上述驾驶室结构的模态分析结果可以发现 驾驶室的顶盖由于面积相对较大 而相应的刚度较小 因而整个驾驶室的低阶模态通常带有顶盖局部模态 所以有可能 导致共振现象的产生 从而成为行车过程中车内的噪声源 如果需要提高驾驶室的低 阶模态频率 可以通过以下几个方面来加以改善 1 适当的增加焊点或者增加顶盖与顶盖横梁之间的胶粘个数 从而增加顶盖的总 成刚度 以此来提高驾驶室的低阶模态频率 2 通过增大顶盖横梁的宽度尺寸 从而改变顶盖横梁的断面形状 这样有利于增 加顶盖的总成刚度 这样可以提高驾驶室的低阶模态频率 3 通过调整驾驶室各零件材料厚度 并合理地分配刚度 以此来提高驾驶室的低 阶模态频率 5 载重汽车驾驶室振动及其响应分析 载重汽车在实际行驶的过程中 经常会被各种激励作用 比如内燃机燃烧爆发出 的力的冲击 汽车在遇到凹坑或凸起路面时引起