基于模态灵敏度分析的商用车驾驶室结构优化

汽󰀁车󰀁工󰀁程AutomotiveEngineering

2010(Vo.l32)No.6

2010111

基于模态灵敏度分析的商用车驾驶室结构优化

崔󰀁岸,王登峰,陈海潮,荣安琪,曾庆洋,卜绍先

1

1

1

1

1

2

*

(1󰀁吉林大学,汽车动态模拟国家重点实验室,长春󰀁130025;󰀁2󰀁中国重型汽车集团有限公司,济南󰀁250002)

[摘要]󰀁建立某商用车驾驶室壳单元有限元模型,进行数值与实验模态计算及相关性分析。为提高驾驶室整体1阶扭转频率,结合门框区域的梁单元模型,建立驾驶室梁壳混合有限元模型;进行基于梁截面力学特性的模态灵敏度分析,获得灵敏梁单元组件,进而找出壳单元有限元模型的对应灵敏区域,对其进行形貌优化,借以指导构件截面尺寸优化,获得结构最优方案,该方案提高了驾驶室的1阶扭转频率。对比分析表明,优化结果及优化分析方法合理有效。

关键词:商用车驾驶室;模态分析;模态灵敏度分析;有限元分析;形貌优化

CabStructuralOptimizationofaCommercialVehicle

BasedonModalSensitivityAnalysis

CuiAn,WangDengfeng,ChenHaichao,RongAnqi,ZengQingyang&BuShaoxian

1󰀁JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveDynamicSimulation,Changchun󰀁130025;

2󰀁ChinaNationalHeavyDutyTruckGroupCo.,Ltd.,Jinan󰀁250002

1

1

1

1

1

2

[Abstract]󰀁Thefiniteelementmodelwithshellelementforacommercialvehiclecabissetup,withwhichnumericalandexperimentalmodalcalculationsandtheircorrelationanalysisareconducted.Forraisingthefirsttor󰀂

sionalfrequencyofthecab,abeam󰀂shellelementsmixedmodelforthecabisbuiltbyaddingthebeamelementmodelfordoorframe.Amodalsensitivityanalysisisperformedbasedonthemechanicpropertiesofbeamcross󰀂sec󰀂tionwiththesensitivebeamelementcomponentsandcorrespondingsensitiveareainshellelementmodelidentified,onwhichatopographyoptimizationiscarriedou.tTheresultsoftopographyoptimizationarethenusedtoguidethedimensionoptimizationofpanelsectionandtheoptimumstructuralschemeisobtained,whichincreasesthefirsttor󰀂sionalfrequencyofthecab.Thecomparisonofresultsindicatesthatthemodelbuiltandtheoptimizationmethodusedarerationalandeffective.

Keywords:commercialvehiclecab;modalanalysis;modalsensitivityanalysis;FEA;topographyopti󰀂

mization

便会引起共振,产生剧烈的振动和噪声,甚至造成结

构破坏。为了提高行驶安全性、乘坐舒适性和可靠性,必须对驾驶室结构进行固有模态分析,获得驾驶

重型商用车因为行驶条件恶劣,驾驶时间长,较易引起乘员疲乏。并且在行驶过程中,常因路面不

平、车速和运动方向的变化,车轮、发动机和传动系的不平衡等一些外部激励,产生整车和局部的振动,当这些激励源的频率和驾驶室的固有频率接近时,

*国家󰀂863计划 项目(2006AA110105-1)资助。

原稿收到日期为2009年8月3日,修改稿收到日期为2009年9月28日。

前言

室结构动态特性参数,从模态参数的角度评价驾驶室的结构是否合理。驾驶室在外界激励下的振动是

其各阶模态振型叠加的结果,而对振动的主要贡献来自驾驶室前几阶的整体模态,驾驶室1阶整体扭转频率是评价驾驶室动态性能的一个重要指标

[1]

。

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提高1阶扭转频率的方法主要有采用加强板,

[2]

改变板厚和截面尺寸。针对某商用车驾驶室的结构特点及企业需求,如果在原有结构上再增加加强板或板厚,都会导致整车质量的大幅提高,因此文中研究通过驾驶室局部灵敏部件的结构形状改变而提高1阶整体扭转频率的方法。该方法对同类车型提高动态性能具有一定参考价值。

1󰀁商用车驾驶室模态分析

1󰀁1󰀁建立壳单元有限元模型建立驾驶室壳单元有限元模型如图1所示,模型包括3110个单元,其中四边形单元299434个,三角形单元9569个(占单元总数的3󰀁1%),刚性单元2887个。

1󰀁2󰀁数值模态与试验模

态分析󰀁󰀁对有限元模型进行前

处理,不施加任何约束和力,进行自由状态下的模态分析,计算出1~100Hz内的前40阶非刚体模态频率和振型。同时,为了验证有限元模型的精确性,对原型车进行试验模态分析。本次试验共选择152个测点,采用LMSTes.tLab软件来建立响应点布置图,并进行数据采集和分析,基于稳态图得到试验模态参数。

将计算模态与试验模态进行对比分析,前几阶较典型的固有频率对比如表1所示,模态振型对比如图2所示,振型相关性如表2所示。

表1󰀁数值模态与试验模态固有频率对比

计算模态阶号

1236791113

计算模态频率A/Hz18󰀁8726󰀁3630󰀁4934󰀁1335󰀁1035󰀁3937󰀁7739󰀁75

试验模态阶号12模态丢失

345模态丢失

7

相对误差

试验模态

B-A

频率B/Hz∀100%/%

A20󰀁725󰀁996#32󰀁54533󰀁56034󰀁544#39󰀁453

8󰀁6󰀁󰀁-1󰀁4#-4󰀁9-4󰀁6-2󰀁4#-0󰀁75

计算模态阶号

图1󰀁商用车驾驶室壳

单元有限元模型

图2󰀁数值模态与试验模态振型对比

表2󰀁数值模态与试验模态的内积相关度

试验模态阶号

1267913

10󰀁9230󰀁0080󰀁0340󰀁0270󰀁1310󰀁237

20󰀁0220󰀁9570󰀁0450󰀁0560󰀁1630󰀁224

30󰀁0160󰀁0460󰀁9450󰀁0560󰀁1630󰀁224

40󰀁0170󰀁0320󰀁2360󰀁7210󰀁1430󰀁225

50󰀁1090󰀁0550󰀁1130󰀁7250󰀁9090󰀁176

70󰀁0140󰀁0120󰀁0170󰀁0150󰀁0230󰀁944

数值模态频率为18󰀁87Hz,相差8󰀁6%。产生误差的主要原因是模拟焊点的位置和数量以及模拟方式与实际情况有一定差异。前8阶固有频率的误差均小于10%,在合理范围之内,并且第1阶振型为整

体扭转,振型比较光滑,没有突变,其它几阶模态均为局部模态。分析说明所建立的有限元模型计算结果有效。相关性分析表明,驾驶室的数值模态和试验模态振型吻合较好,说明该有限元模型的整体动力学特性与实际结构相符,建立的有限元模型比较精确

[4]

[3]

。与其它同类型车相比,其动态性能基本满

足要求,但1阶整体扭转频率稍显偏低。

对比数值模态和试验模态频率可知,驾驶室第1阶模态为整体模态,其试验模态频率为20󰀁7Hz,

2󰀁模态灵敏度分析

2010(Vo.l32)No.6崔岸,等:基于模态灵敏度分析的商用车驾驶室结构优化!󰀁537!

驾驶室1阶整体扭转频率偏低,说明其动态扭转刚度偏小,文中拟通过结构优化来提高动态刚度,进而提高其1阶整体扭转频率。通过分析,确定门框区域为模态频率变化敏感区。由于整个门框有很多构件,为了简化优化过程,须进一步确定门框中的灵敏构件,再对灵敏构件进行结构优化。首先提取门框区域进行梁单元建模,然后建立驾驶室梁壳混合有限元模型,最后进行模态灵敏度分析。2󰀁1󰀁建立梁壳混合有限元模型

提取门框区域具有代表性的梁截面线,如图3所示。在门框区域进行分段的梁单元建模,并对不同段的梁单元赋予相应段的梁截面属性,然后将门框区域梁单元模型与门框周边区域壳单元模型采用刚性单点连接方式,利用Hypermesh软件建立混合有限元模型,如图4所示。在建模过程中,有些梁单元会产生一定的角度偏差,这些偏差可以在Hype󰀂beam模块中进行调整。梁截面的局部坐标系建立如图5所示,选取截面质心为局部坐标系原点。

对薄壁梁进行简化处理

时产生了误差。另外,从图2(a)、图2(b)的1阶扭转振型图观察,两者吻合得较好,对应的扭转刚度和1阶扭转频率,混合有限元模型都比壳单元

有限元模型要高,这是由

于梁单元与壳单元之间图5󰀁梁截面的局部坐标系采用刚性连接,同时,赋

给梁单元的横截面为简化后的梁截面,该截面的面积和二次惯性矩都会比原截面有小幅提高,因此造成混合有限元模型扭转刚度和1阶整体扭转频率偏高。由于误差均在合理范围内

[7]

[5-6]

,因此建立的

混合有限元模型有效,可用于进一步分析。

表3󰀁两种有限元模型对比

壳单元模型

整车质量/kg质心x坐标/mm质心y坐标/mm质心z坐标/mm1阶扭转频率/Hz扭转刚度/N!m!(∃)-1

409󰀁4-517󰀁1-1󰀁12378󰀁618󰀁8720445󰀁6

梁壳混合单元模型

401󰀁5-513󰀁9-1󰀁11375󰀁220󰀁9523673

[8]

2󰀁2󰀁基于梁截面力学特性的模态灵敏度分析

选取梁截面惯性矩和梁截面面积作为设计变量,以驾驶室的总质量为

图3󰀁门框区域梁截面线的提取位置

约束条件,选取驾驶室1阶扭转频率最大作为目标函数,应用OptiStruct软件进行灵敏度分析。其中,梁截面惯性矩的定义如图6所示,采用质心坐标系yoz,在梁截面内坐标为

图6󰀁梁截面惯性矩

(y,z)的任意一点处取微面积dA,则定义Iy=

A

zdA%

2

和Iz=ydA分别为梁截面对y轴和z轴的惯性矩。

图4󰀁驾驶室梁壳混合有限元模型

A

%

2

通过灵敏度分析,得到对1阶扭转频率较灵敏的梁单元组件。计算结果如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出,1阶扭转频率对设计变量的灵敏度值较大的前3位分别是截面为S10、S11和S12的3段梁单元(左右门框对称)。它们对应于

混合有限元模型和壳单元有限元模型的力学特性的对比如表3所示。可以看出,两种模型的质心较为接近,而质量稍有差异,梁壳混合有限元模型质量减小的幅度比壳单元有限元模型的小,这主要是

!󰀁538!汽󰀁车󰀁工󰀁程2010年(第32卷)第6期

形貌优化后,S10、S11和S12截面位置处的截面形状。

经模态分析计算得到的优化前后驾驶室低阶模态频率值如表4所示。由表4可以看出,随着敏感构件结构形状的改变,除了1阶整体扭转频率有一定增加外,其它局部模态的频率变化极小或者没有改变。

图7󰀁1阶扭转频率对截面面积的灵敏度值

表4󰀁优化前后驾驶室低阶模态频率对比

阶数1236791113

优化前模态频率

18󰀁8726󰀁3630󰀁4934󰀁1335󰀁1035󰀁3937󰀁7739󰀁75

优化后模态频率

19󰀁9126󰀁4530󰀁4934󰀁1335󰀁1036󰀁0537󰀁7639󰀁76

Hz

图8󰀁1阶扭转频率对截面惯性矩的灵敏度值

壳单元有限元模型门框部分的门框外板、内板和加强板。因此,在针对灵敏部件进行结构优化时,选择该部分门框外板、内板和加强板作为结构优化的对象。

因此,通过对左右门框优化区域进行形貌优化,使驾驶室1阶整体扭转模态频率获得了一定提高,

而驾驶室总质量并没有增加。优化区域各部件截面形状的改变,为后续的结构改进设计提供了指导。3󰀁2󰀁改进设计

根据形貌优化结果,对优化区域构件的结构设计了3种方案。在3种方案中,分别截取优化后模型的S10、S11和S12处截面形状并与原模型的力学特性截面面积S、Iy和Iz进行对比,结果分别如表5~表7所示。针对3个方案,分别进行数值模态分析,并与原模型对比,结果如表8所示。

3󰀁灵敏构件形貌优化

3󰀁1󰀁形貌优化

[9]

针对优化区域的门框外板、内板和加强板,创建不同参数的形状设计变量,以驾驶室的总质量为约束条件,以驾驶室1阶整体扭转频率最高为目标函数,进行形貌优化。

形貌优化后,门框优化区域均发生了不同程度的形状变化,在变形区域中,单元节点向外板外法线方向移动,移动位移在1~10mm范围内变动,加强板的移动位移较小。图9示出了左边门框优化区域

图9󰀁左边门框优化区域形貌优化后的截面形状

2010(Vo.l32)No.6崔岸,等:基于模态灵敏度分析的商用车驾驶室结构优化!󰀁539!

表9󰀁优化前后模型静态分析结果对比

对比项目

扭转刚度/N!m!(∃)-1扭转工况最大位移/mm弯曲刚度/N!mm-1弯曲工况最大位移/mm地板纵梁最大位移/mm

原模型204461󰀁15672691󰀁1210󰀁4

方案2模型206501󰀁13772501󰀁1420󰀁409

表8󰀁优化设计前后模态频率对比

阶数1236791113

原模型

模态频率18󰀁8726󰀁3630󰀁4934󰀁1335󰀁1035󰀁3937󰀁7739󰀁75

方案1

模态频率19󰀁1426󰀁5930󰀁6534󰀁3735󰀁3035󰀁5338󰀁0140󰀁10

方案2模态频率19󰀁8726󰀁6030󰀁6634󰀁5235󰀁3935󰀁7938󰀁2740󰀁39

Hz

方案3模态频率20󰀁0226󰀁6030󰀁6634󰀁5235󰀁7135󰀁8138󰀁3740󰀁42

4󰀁结论

对通过灵敏结构件的截面形状优化来提高车身动态刚度性能的方法进行研究,针对某商用车驾驶室1阶整体扭转模态频率偏低的问题,建立了驾驶室梁壳混合有限元模型,并进行基于梁截面力学特性的模态灵敏度分析,确定了模型中灵敏梁单元组件,进而确定原壳单元模型中对应的灵敏区域和灵敏构件。利用灵敏区域构件的形貌优化来指导驾驶室结构的改进和优化设计,进而提高驾驶室动态性能。优化前后的对比分析表明,所提出的研究方法是可行和有效的,在满足驾驶室扭转及弯曲刚度性能的前提下,达到了提高1阶扭转频率的目的。

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[9]󰀁熊辉.形貌优化技术在车身钣金件中的应用[C].第四届中国

CAE工程分析技术年会论文集,2008.

前面的模态灵敏度分析表明,随着截面面积的

减小,同时伴随着截面惯性矩的相对增大,可使驾驶室1阶整体扭转频率获得不同程度的提高。从表6~表8中截面力学特性的分析对比可知,尽管减小截面面积S,同时增大惯性矩Iy和Iz值,本身是矛盾的,但是可以通过改变截面形状,使截面面积和惯性矩相对改变,从而获得比较理想的结果。例如减小截面面积,同时增大惯性矩Iy、减小Iz,或增大惯性矩Iz、减小Iy,如方案1中的截面S12;减小截面面积,同时减小惯性矩Iy和Iz值,如方案2中的截面S10;增大截面面积,同时增大惯性矩Iy、减小Iz值,如方案3中的截面S12,都可以使1阶扭转频率获得一定程度的增加。

由表8可以看出,在3种方案中,驾驶室1阶整体扭转频率分别提高了0󰀁27、1󰀁0和1󰀁15Hz,其它局部模态的频率变化幅度相对较小。测得驾驶室总质量为409kg,与优化前相比,减少了0󰀁4kg,质量略有降低,说明改进结构后没有增加车身质量。为了验证改进方案的有效性,针对改进的驾驶室进行了静态刚度校核,表9列出了方案2的计算结果,发现驾驶室扭转刚度和弯曲刚度均能满足要求,说明改进结果合理有效。