基于Matlab与Ansys的拖拉机驾驶室振动优化_唐豪.pdf

第 卷 第期 年 月成都工业学院学报 ，：收稿日期：作者简介：唐豪（），男，在读硕士研究生，研究方向：车辆 优化，电子邮箱：。基于 与 的拖拉机驾驶室振动优化唐 豪（西华大学 汽车与交通学院，成都）摘要：为解决发生在拖拉机驾驶室的噪声、振动与声振粗糙度（）问题，通过使用三维软件对某小型拖拉机驾驶室进行图形建模，再通过 软件进行模态分析，针对驾驶室模态分析结果中的 个薄弱部位进行谐响应分析。从结果中发现顶盖及后围处振动较大，并提出了增加 道支撑梁的解决办法，在 中利用最优化函数找到结构优化的最优解，引入优化比对优化前后结果作出比较，发现优化效果显著，对拖拉机驾驶室的结构优化具有参考价值。关键词：模态分析；驾驶室；谐响应；有限元法中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）（，）：（，），：；低噪声、振动小是当今小型拖拉机的主要发展趋势。驾驶室作为拖拉机的一个主要产品总成，是驾驶员工作和休息的空间，因此驾驶室噪声振动水平和舒适度直接关乎务农人员的满意度。本文将汽车噪声、振动与声振粗糙度（、，）分析方法运用到拖拉机驾驶室的振动优化上，选择使用有限元法解决驾驶室这种多系统的复杂问题。程悦荪等利用随机激振的方法，对拖拉机驾驶室进行了振动测试，获取了其模态参数。路森林利用 对驾驶室模型进行声振分析，发现噪声除了与激振力相关，其振动特性影响也非常大。韩波运用模态声学贡献度分析方法快速确认拖拉机驾驶室的振动模态，且提出了分频段控制噪声，指导了其他机械驾驶室的结构设计。等则将模态分析与安全性联系起来，对驾驶室模型在施加载荷情况下，进行了非线性显式分析，有限元模型限于框架连接点，并在 种条件下检查变形。本文运用模态分析及谐响应分析精确找到驾驶室顶盖及后围的脆弱部位，再利用最优化函数对优化数据取最优解，对比分析可得出优化效果显著，达到降低噪声，提高 性能的目的。驾驶室模型构建.建立驾驶室 模型对于大型复杂结构的有限元模型，建模的精度关乎特性分析结果好坏。但如果用完整的模型进行有限元分析，计算速度和准确度会大幅下降。在不影响优化结果的前提下，优化了模型，最终使用（以下简称）绘制出的三维模型如图 所示。此模型由前围、后围、地板、侧边框、地板等部件组成。由于各部件材料不同也会影响仿真的准确性，因此对各零件进行属性的赋予，如表 所示。成都工业学院学报：第 卷表 部件名称及材料名称材料泊松比弹性模量 密度（）顶盖.前围.后围.侧边框.地板.图 驾驶室 模型.建立驾驶室 模型根据驾驶室的机械结构，对不同受力部件针对性划分网格单元。单元尺寸的大小根据实际构件的尺寸决定，在保证计算速度和精度的同时要保证计算所利用的经济性。对分析结果影响大的部位采取.六面体壳单元，如前挡风、侧边框和后围；对分析结果影响小的部位采取.四面体单元，如顶盖和地板。最后建立的 模型如图 所示，经统计共有 个单元，个节点，该数量完全能够满足此次分析所需精度。图 驾驶室网格划分 驾驶室动态特性分析.模态分析对于具有 阶自由度的线性定常系统，其振动微分方程为：。（）式中：为驾驶室质量矩阵；为驾驶室阻尼矩阵；为驾驶室刚度矩阵；为系统的振动位移矢量；为受到的外力矢量。因为结构的自由振动为简谐运动，又要满足第 阶固有频率特征向量 有非零解，则需要满足：。（）可解得第 阶固有频率为：。（）在实际工况中，驾驶室会受到来自发动机的周期激励和来自路面的激励，为了保证驾驶室脆弱部位能够稳定工作，有必要对驾驶室进行谐响应分析，并且在后续的优化中预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳情况。谐响应运动方程为：（）（）（）。（）式中：，为激振力，。在对驾驶室进行模态分析时，考虑到实际工作情况，对边界条件进行约束，即在地板地面施加唯一约束，能更准确地显示白车身在工作环境下的动态特性。对模态进行了前 阶的计算，共振对驾驶室的影响大多发生在低阶，因此选取前 阶振型进行分析，图 为各阶固有频率及振型特征图，表 为各阶具体振型描述。（）阶模态振型（）阶模态振型 年第 期唐唐豪豪：基基于于 与与 的的拖拖拉拉机机驾驾驶驶室室振振动动优优化化（）阶模态振型（）阶模态振型（）阶模态振型（）阶模态振型图 模态振型图从表 可知，驾驶室整体振动不大，局部振动大多发生在顶盖、后围及侧边框。且低阶振动大多为拉伸，通过增加加强筋结构等可以解决此问题；在高阶振动时大多为扭转弯曲，则需要通过对结构做进一步的分析，后面可以通过调整材料或者形状变化进行优化。表 固有频率及振型阶数固有频率 振型描述.顶盖在 平面产生弯曲.顶盖与后围连接处产生 方向拉伸.顶盖与后围连接处发生绕 轴扭转.后围顶角发生沿对角线方向扭转.前围中部在 平面产生 方向拉伸.前围和后围产生 方向剧烈拉伸 从驾驶室模态分析中可以看出来，顶盖上部受到振动变形量最大，范围最广，且一阶固有频率.低于拖拉机在路面上的理论值.，因此需对此部位进行结构优化。在局部模态中，后围处由于窗户玻璃面积太大，导致承力柱宽度过低，变形过大，需要对此结构进行加固处理。.谐响应分析通过上文中的模态分析，已知前 阶固有频率为.，因此设置扫频幅值为 .，求解步数为 步，选择了不同振型下的 个变形量最大的点作为谐响应分析的测量点，最大点位置如图 所示。图 最大点位置图 为谐响应分析结果。从图（）中可看出，顶盖与后围连接处，在.时发生振动现象最严重，主要发生在 方向；其次在.时 方向振动为.，也属于需要优化的范围内。在后围上侧处（如图（）所示），来自 和 方向的振动位移不大，但是来自 方向的振动位移有.。在侧边框与后围连接处（如图（）所示），与后围上侧相比，这 点的最大位移都发生在低阶频率，和 方向的位移更小，但仍需注意来自 方向的振动。总体来说，驾驶室振动主要发生在低阶为.和.左右，且振动方向都发生在 方向，其他方向振动位移不大，对驾驶员影响成都工业学院学报：第 卷很小，因此可以考虑在后围与顶盖之间的夹角处增加 道支撑梁，能大幅度增加 方向的稳定性。（）最大位置点（）最大位置点（）最大位置点 图 谐响应分析振型图 驾驶室的改进.优化方案选择从上文分析中可以得知对此驾驶室的优化主要集中在、方向的稳定性上，因此在本次优化中选择了对侧边框上围与后围夹角处增加 道支撑梁，其优化部位如图 所示。图 优化部位支撑梁的各边长度通过 最优化工具箱处理后选择。优化流程如图 所示。图 优化流程.优化过程首先在 中建立单自由度振动模型，其振动响应的幅值 为：（）（）。（）式中：为系统的最大静位移，；为振动系统的频率比。为方便计算，设 与 之比为，称为放大因子。由式（）可知强迫振动的放大因子为：年第 期唐唐豪豪：基基于于 与与 的的拖拖拉拉机机驾驾驶驶室室振振动动优优化化（）（）。（）再调用 中优化工具箱中的 函数，即有约束的非线性最小化，对式（）中的放大因子求其最优解，其值就是满足振动最小的解。对此函数变量的约束上下界分别为 （；），（，）。图 为 计算结果。图 计算结果.优化对比将上述结果带入 中重新建模，并再次对该模型进行同条件下的谐响应分析以进行对照分析。设优化前振动幅值 与优化后振动幅值 的差比上 为优化比，则 为：。（）因为在首次谐响应分析中，各最大位置点来自 方向的振动都特别小，优化意义不大，因此在此次对比中只对最大位置点 和 的、方向的振动进行研究。图 为 个最大位置点的优化比。从图 可知，此次优化对于低阶振动普遍有提高作用，优化比最高达到了，其余大部分低阶频率优化比都在 左右，且来自 方向的优化明显高于 方向，也证明了此次优化结果的正确性。（）（）图 最大位置优化比 结论本文首先对某小型拖拉机进行精确 建模，其次做了模态分析和谐响应分析，为以后驾驶室的结构优化提供参考，最后再通过 的最优化对此结构进行优化，并对结果进行对比，发现优化效果显著，为以后的驾驶室设计提供参照。在未来的计划中还需要进行对实车的振动测试以验证仿真的真实性及准确性。参考文献：李凯敏.重型载重汽车驾驶室的动态特性分析.太原：太原理工大学，.孙洋.汽车 分析方法浅析.汽车实用技术，（）：，.程悦荪，赵荣宝，胡子正.拖拉机驾驶室的试验模态分析.吉林工业大学学报，（）：.武洪建，陆森林.拖拉机驾驶室的声振特性研究.拖拉机与农用运输车，（）：.韩波，周以齐，李瑞.拖拉机驾驶室的模态声学贡献度分析.江苏大学学报（自然科学版），（）：.，.，（）：.古成中，吴新跃.有限元网格划分及发展趋势.计算机科学与探索，（）：.马云睿，张凯杰，郁钦阳，等.基于 的二级减速器箱体有限元分析与回归分析.农业装备与车辆工程，（）：.，.，.程铭，鲍际平，吴阳年.载货汽车驾驶室基本力学性能有限元分析.农业装备与车辆工程，（）：.潘伟.车辆乘坐舒适性评价方法研究.镇江：江苏大学，.王振成，张雪松，刘爱荣，等.工程测试技术及应用.重庆：重庆大学出版社，：.：，.