陈康文，吴庆捷

（1.中国航发长江动力有限公司，湖南 岳阳 414001；2.南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063）

1 引言

驾驶室是汽车结构中十分关键的系统，其可靠性直接影响驾驶员的安全和舒适度。当车辆的使用工况比较恶劣时，驾驶室将受到路面和发动机等多个激励源，致使其发生受破振动。当外界激励与驾驶室固有频率相近时，则会发生共振，从而产生噪音和激励振动现象。当驾驶室的刚度不足时，则会引起玻璃损坏、车门卡死和渗水等问题，直接影响整车的安全性和可靠性。

为了校核某轻型货车驾驶室的可靠性和稳定性，首先基于驾驶室有限元模型对其进行模态性能分析，获得其固有频率，然后对其进行扭转刚度分析，得到其变形量，以此指导其科学设计与优化。

2 建立驾驶室有限元模型

驾驶室结构复杂，拥有众多的零部件，为了提升效率，需对其模型进行简化，但应保持其力学性能的一致性，因此删除尺寸较小的特征和圆孔，忽略对其性能影响较小的零部件。基于Hypermesh 软件[1-2]抽取各个零部件的中面并采用基本尺寸为10mm 对其进行网格划分，然后检查其单元质量，避免畸形单元。驾驶室的材料基本为钢材，其弹性模量为2.1E+5MPa，泊松比为0.3，密度为7.8E+3kg/m3，建立材料属性。点焊采用ACM2 单元模拟，螺栓采用RBE2 模拟，以此将各个零部件装配在一起，得到驾驶室有限元模型，如图1 所示。其中节点数为226391，单元数为22211。

图1 驾驶室有限元模型

3 模态性能分析

3.1 模态分析原理

基于模态性能分析可获取结构的振动性能，其无阻尼自由运动方程为[3-4]：

式（1）对应的特征值方程为：

式中：ω为结构的固有频率。通过求解式（2）即可得到结构的固有频率与模态振型。

3.2 模态分析结果

模态分析分为自由模态和约束模态，由于约束模态的边界条件不确定并很难获取，因此基于Nastran 求解器[5-6]对驾驶室模型作无约束处理，对其进行自由模态性能分析，由此得到其前三阶的固有频率分别为31.4Hz、37.9Hz 和42.1Hz。该轻型货车发动机的激振频率为26.7Hz，因此该驾驶室的固有频率不会与其激励频率重合，不会发生共振，满足动态特性设计要求。如图2～图4 所示，分别为驾驶室的前三阶模态阵型。由图2 可知，驾驶室的第一模态阵型为骨骼弯曲。由图3 可知，驾驶室的第二模态阵型为前围和后挡玻璃局部振动。由图4 可知，驾驶室的第三模态阵型为顶棚局部振动。

图2 第一阶模态阵型

图3 第二阶模态阵型

图4 第三阶模态阵型

4 刚度性能分析

当车辆行驶在不平路面时，驾驶室会受到一组反向对称的垂向作用力，此时为扭转工况，驾驶室的零部件随之发生变形，扭转刚度是指在该工况下抵抗变形的能力。基于驾驶室有限元模型，约束其余车身连接点的全部自由度，在右后悬置加载Z 方向1000 的载荷，对其进行静态分析，得到其位移云图如图5 所示。由图5 可知，驾驶室的最大位移为3.47mm。驾驶室前后悬置X 方向的距离为1293mm，驾驶室前后悬置Y 方向的距离为1034mm，最大扭转角为0.0021rad，由此得到其扭转刚度为0.637 MNm2/rad，满足实际工程目标值。

通过测量得到前挡风窗的变形量为1.269mm，后挡风窗的变形量为0.308mm，左侧门的变形量为0.748mm，右侧门的变形量为0.728mm，由此可知驾驶室在加载前后的变形量均低于2mm，符合设计要求。

如图6 所示，为驾驶室的扭转刚度曲线。由图6 可知，车身底部扭转变形曲线连续变化，无明显突变，因此能够满足使用要求。

图6 扭转刚度曲线

5 结论

根据CAE 方法建立驾驶室有限元模型，对其进行自由模态分析，得到其前三阶固有频率分别为31.4Hz、37.9Hz 和42.1Hz，处于外界激振频率范围之外，因此能够满足振动特性要求。通过加载对其进行扭转刚度分析，其扭转刚度为0.637MNm2/rad，车身开口最大变形量为1.269mm，扭转变形曲线无突变，因此符合设计要求。