重型商用车驾驶室振动舒适性的研究（可编辑）

重型商用车驾驶室振动舒适性的研究（可编辑） 重型商用车驾驶室振动舒适性的研究 重型商用车驾驶室振动舒适性研究 重庆大学硕士学位论文 学生姓名:张军峰 指导教师:贺岩松 教授 专 业:车辆工程 学科门类:工 学 重庆大学机械工程学院 二O 一一年四月 Study on Vibration Comfort of Heavy-duty Commercial Vehicle Cab A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering By Zhang Junfeng Supervised by Prof. He Yansong Major :Vehicle Engineering College of Mechanical Engineering of Chongqing University,Chongqing, China April 20 11 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 要 摘 随着国民经济持续高速发展，商品流通快速增加，国内高速公路迅速普 及， 重型商用汽车在近年来呈现了爆发式增长，已逐渐成为公路运输的主要工具。同 时汽车技术的进步，人民生活水平不断提高以及我国交通路面条件的提高，用户 商用车除了保证正常的运输货对商用车的乘坐舒适性也提出了更高的要求。 物， 以及安全性外，还希望具有更好的舒振动适性。振动舒适性已经成为商用车的主 要性能指标之一。 本论文基于道路试验，综合以往仿真优化的优点，从驾驶室结构和驾驶室悬 置参数两个方面进行优化来提高某重型商用车驾驶室振动舒适性: 通过道路试验，对驾驶室振动舒适性进行了客观 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ，结果表明优化其振动 舒适性的必要性，同时获得了仿真模型的激励和验证信号。 在驾驶室结构优化方面，首先建立了驾驶室壳单元有限元模型，其次，对驾 驶室进行静态刚度和模态分析，最后对其进行了结构优化。结构优化后，驾驶室 整体扭转刚度提高19%，一阶整体扭转频率提高2.9Hz 。把结构优化前后的驾驶室 ADAMS 中，建立驾驶室的柔体动力学模型，有限元模型导入到 以道路试验测得 的驾驶室下的信号为激励在频域内进行仿真，以加权加速度均方根值为评价目标， 在 ADAMS 中对结构优化前后的驾驶室振动舒适性进行了量化对比，结果表明: 不同车速下，驾驶员座椅处加权加速度均方根值均降低，其中60km/h 时，降低达 。 6.2% 在驾驶室悬置优化方面，利用柔性化的驾驶室建立其悬置系统的多体动 力学 模型，并验证了模型的正确性，以道路试验测得的悬置下的信号为激励，以加权 加速度均方根值为评价目标，在频域内对悬置的刚度和阻尼进行了正交试验优化。 分析出前后悬阻尼对评价目标影响比较大;悬置参数优化后，通过极差分析， 不 同车速下，驾驶员座椅处加权加速度均方根值均降低，其中60km/h 时，降低9.6% ; 在时域里对参数优化之后悬置的动扰度变化进行研究，驾驶室悬置动扰度平均降 低21% 。 通过对驾驶室本体结构、驾驶室悬置参数进行优化，使该车驾驶室较好的满 足了振动舒适性要求。 关键词:重型商用车，道路试验，灵敏度分析，频域分析，动挠度分析 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ABSTRACT With the rapidly development of national economy ，the greatly growth of heavy-duty commodity exchange ，and the broadly construction of high-ways ，the commercial using of the automobiles has been resulting a booming increasing at the present time. Commercial vehicle is becoming the main instrument of the high-way transportation. At the same time ，as the improvement of the automotive technology ， people’s life standards and national road pavement ，the customers claim for higher vibration comfort ，which is one of the most important properties of the commercial vehicle. Based on the road-test and taking advantage of the multi-body dynamic model ，the aim to improve the vibrate comfort of the commercial vehicle was set from the following two perspectives: the cab structure and the cab suspension. When objectively analyzing the result of the road-test ，we found that it is necessary to improve the vibrate comfort and we also get the excitation and validation signals. On the improvement of the cab structure，the finite element model is firstly established. And then the static stiffness and modes are analyzed. Finally， an optimum structural design were built ，which has led to the twist stiffness of the cab improved 19% and the first mode improved 2.9 Hz. ，The previous and newly built finite element model were imported in the ADAMS respectively to build a coupling dynamics model and make a quantitative contrast of the vibrate comfort on the basis of the excitation signals from road test and the appreciation of the acceleration RMS. The results show that at various vehicle speeds，the weighted acceleration RMS was all reduced at the seat in the cab，the reduction is 6.2% at 60km/h. With the improvement of the suspension parameters，a multi-body dynamics model based on flexible cab was built. Taking the acceleration RMS as an evaluation target， the orthogonal test for optimizing the stiffness and damping of the suspension was conducted in the frequency domain. The different dynamic deflections were compared in time domain. At various vehicle speeds，acceleration RMS of the driver's seat was all reduced after optimization of the cab suspension ，the reduction is 9.6% at 60km/h. And the dynamic deflection of the suspension has also had a 21% reduction on average. Through the improvement of the cab structure，the improvement of the suspension parameters ，the vehicle cab could meet the requirements of vibration comfort better. II 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Keywords: Heavy-duty commercial vehicle ;road-test ;sensitivity analysis ;frequency domain analysis ;dynamic deflection analysis III 重庆大学硕士学位论文 目 录 目 录 中文摘 要..........................................................................................................................................I 英文摘 要........................................................................................................................................ II 1 绪 论.............................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意 义................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现 状................................................................................................................... 3 1.3 论文的主要研究内 容........................................................................................................... 6 2 基础理论与软件简 介.........................................................................................................7 2.1 基础理论概 述.......................................................................................................................7 2.1.1 结构优化的思路及原 理............................................................................................7 2.1.2 灵敏度分析基本理 论................................................................................................ 8 2.1.3 正交试验基本知 识.................................................................................................... 9 2.2 主要软件简 介..................................................................................................................... 10 2.2.1 有限元软件ALTAIR HYPERWORKS ................................................................... 10 2.2.2 动力学软件MD ADAMS ........................................................................................ 11 2.3 本章小 结............................................................................................................................. 14 3 振动舒适性评价及道路试 验....................................................................................... 15 3.1 振动舒适性评价方 法......................................................................................................... 15 3.1.1 ISO2631 内容简 介.................................................................................................... 15 3.1.2 振动舒适性客观评价方法建 立.............................................................................. 16 3.2 道路试验及结果分 析......................................................................................................... 18 3.2.1 振动舒适性道路试 验.............................................................................................. 18 3.2.2 道路试验结果分 析..................................................................................................20 3.3 本章小 结.............................................................................................................................22 4 驾驶室静动态分析及结构优 化.................................................................................23 4.1 驾驶室有限元模型建 立.....................................................................................................23 4.1.1 模型建立的原 则......................................................................................................23 4.1.2 网格质量控 制................................................................... .......................................23 4.1.3 连接方式的模 拟......................................................................................................24 4.1.4 驾驶室有限元模 型..................................................................................................25 4.2 驾驶室静态刚度分 析.........................................................................................................26 4.2.1 刚度分析原 理..........................................................................................................26 IV 重庆大学硕士学位论文 目 录 4.2.2 扭转刚度分 析..........................................................................................................27 4.2.3 弯曲刚度分 析..........................................................................................................29 4.2.4 窗洞及门洞变形分 析.............................................................................................. 30 4.3 驾驶室模态分 析................................................................................................................. 31 4.3.1 模态分析理 论.......................................................................................................... 31 4.3.2 驾驶室本体模态分 析.............................................................................................. 32 4.4 驾驶室结构灵敏度分析及优 化................................................................... ...................... 34 4.4.1 驾驶室板件灵敏度计 算.......................................................................................... 34 4.4.2 驾驶室板件尺寸优化过程及结果分 析.................................................................. 35 4.4.3 结构优化前后驾驶室振动舒适性对比分 析.......................................................... 37 4.5 本章小 结............................................................................................................................. 38 5 驾驶室悬置参数优 化....................................................................................................... 39 5.1 驾驶室悬置系统建 模......................................................................................................... 39 5.1.1 驾驶室悬置系统主要元件参数获 取...................................................................... 39 5.1.2 前后悬置的结构特点及其运动副的建 立..............................................................40 5.1.3 驾驶室及横向稳定杆的柔性化处 理......................................................................42 5.2 驾驶室悬置模型验 证.........................................................................................................43 5.2.1 静平衡及自由度验 证..............................................................................................43 5.2.2 加权加速度均方根值的验 证..................................................................................43 5.2.3 悬置系统的模态分析验 证................................................................... ...................43 5.3 驾驶室悬置参数的正交试验优 化.....................................................................................45 5.3.1 试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的确 定......................................................................................................45 5.3.2 正交试验结果分 析..................................................................................................45 5.3.3 驾驶室前后悬动挠度分 析......................................................................................47 5.4 本章小 结.............................................................................................................................48 6 全文 企业安全文化建设方案企业安全文化建设导则安全文明施工及保证措施创建安全文明校园实施方案创建安全文明工地监理工作情况 总结与展 望................................................................................................................. 50 6.1 全文总 结............................................................................................................................. 50 6.2 后续工作展望及建 议......................................................................................................... 50 致 谢....................................................................................................................................... 51 参考文 献....................................................................................................................................... 52 附 录....................................................................................................................................... 55 V 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 商用车在世界汽车行业中占据着越来越重要的位置，2010 年，全球共生产汽 车7760.99 万辆，同比增长25.8% ，其中商用车占1934.56 万辆，同比增长38.0% 。 全球商业咨询公司AlixPartners 发布的“2010 年全球商用车行业展望报告”显示:如 按产量单位计算，中国已成为全球商用车第一大制造国。根据搜狐汽车统计，近 六年来我国商用车销量一直在快速增长，2010 年全国仅中重卡销售 102 万辆，同 比增长44% (如图1.1)。 140 50 45 120 40 100 35 30 80 25 60 20 40 15 10 20 5 0 0 05年 06年 07年 08年 09年 10 年 辆 万 中重卡销量 同比增长百分率 图1.1 中重卡销量及同比增长百分率 Fig. 1.1 Heavy truck sales and Percentage increase 据中国汽车工业协会预测，2011 年我国商用车市场 总需求则在 460 万,465 万辆左右，商用车尤其是重型汽车市场将面临美好的发展前景。 经过几十年的发展，我国已形成东风、中国重汽、陕西重汽、一汽、江 淮、 北汽福田和上汽依维柯红岩汽车等商用车规模企业。从2010 北京国际车展可以看 出我国重卡市场即将步入“战国时代”。从目前行业和企业公开的信息来看，未来 1,3 年还将有南京徐工汽车、恒天重工、重庆力帆以及三一重工等新企业陆续进 以各省为区域来看，安徽省已有江淮、星马和集瑞联合重工 3 入重卡行业。 家重 卡企业，山西省一下子冒出来大运汽车和太原长安重汽两家重卡企业，此外，山 [1] 东、四川、河南、江苏等省份还有很多轻卡升级企业加入到重卡行列 ，多种所有 多种产品技术路线之间、多个地方政府支持的企业之间、本地制企业之间、 区多 个同类企业之间、国内与国际同类企业之间进行着全方位的竞争。从欧洲卡车企 业的百年发展历程和市场竞争结果可以看出，只有具备持续的差异化核心竞争力 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的部分企业，最后才可能作为中国重卡行业的“战国七雄”胜出，并在未来的中 国乃至全球重卡市场占有一席之地。 我国商用车制造企业众多，但研发能力与国外相比差距较大，没有形成自己 的核心竞争力，主要表现在以下几个方面: 在技术含量方面，我国汽车驾驶室制造企业除少数规模较大外，普遍规模较 小，生产能力强弱不均，技术力量参差不齐。总体上看，大中型企业制造产 品质 量都优于小型企业。但不论是大中型企业还是小型企业其产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 水平和工艺制 造水平都相对落后，产品不能很好地与整车相匹配，性能试验也不能很好地模拟 实际状况进行。 在开发模式方面，我国汽车驾驶室制造企业的开发模式主要有测绘、引进、 自主开发三种。一些中小型企业由于自身的技术含量低、开发资金的不足，专门 测绘、仿制市场上销售较旺的汽车的驾驶室。这些产品与原装配套企业生产的产 品相比，其质量较差，容易发生故障。这种开发模式是无法从根本上提高开发水 平的。 技术创新现状:我国汽车零部件企业技术创新能力不足，大中型企业普 遍存 在技术引进经费占技术开发经费的比例较高的问题。即使花费了高额费用，购入 的往往也只有使用权，并无知识产权，或引进了产权，也没有引进知识。多数驾 驶室企业对引进的技术只停留在消化阶段，尤其对软件消化吸收的速度很慢，对 引进的硬件设备只停留在使用上。这样长期重硬件引进而轻软件引进，重引进而 轻消化吸收和创新，是导致引进、落后、再引进恶性循环的根源。 CAD 应用现状:我国汽车零部件企业的 CAD 应用大部分只是停留在计算机 绘图阶段，产品设计还局限于几何尺寸设计。在产品设计过程中，计算机技术、 先进软件及在三维建模的基础上对汽车驾驶室的有限元分析、动态仿真还有待提 高。有些技术中心虽拥有先进的计算机设备，但却缺乏有限元分析的人才及对整 车进行动力学特性分析、或者对部件进行匹配分析的能力，比如驾驶室悬置匹配 方面，国内这方面的仿真研究很少，仅是从凭经验进行设计，因而常常使得悬置 系统参数选取不当，或与悬架参数匹配不好，导致隔振效果很差。 我国汽车自主创新能力较差，国内大多数企业还是以经验设计为主，处于反 求国外车型的模仿阶段，然而汽车技术进步和人民生活水平不断提高以及我国交 通路面条件的提高，用户对对商用车的乘坐舒适性也提出了更高的要求。商用车 以及安全性外，还要求商用车能够具有较高的舒除了保证正常的运输货物， 适性。 目前振动舒适性已经是商用车的主要性能指标之一。 重型商用车连续行驶时间长，行驶条件复杂，驾驶员长时间工作在颠簸的环境 下，容易疲劳，并且在行驶过程中，常因路面不平、发动机、车轮和传动系的不 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 平衡等一些外部激励而产生整车或局部的振动，当这些激励源的激励频率和驾驶 室的固有频率接近时，便会引起共振现象，产生剧烈的振动和噪声，影响到车体 密封性，甚至造成结构破坏，严重地影响了驾驶室的乘坐舒适性。因此避开各激 励源的激励频率和提高驾驶室的乘坐舒适性，不仅可以保证驾驶员身体健康，对 确保行车安全也具有重要意义，也可提高驾驶室各部件的强度和耐久性。越来越 多的生产厂家和设计人员开始重视。针对这方面的问题大部分重型商用车的驾驶 室采用了悬置隔振系统以减轻驾驶室的振动。 2000 年以前，国内外生产的中重型货车普遍采用橡胶悬置，但是近几年驾驶 室全浮式悬置在中重型货车上的使用也逐渐增多。全浮式悬置系统是指驶室所有 悬置均采用弹簧作为弹性支撑元件，采用液力减振器作为阻尼元件的悬置系统， 它通过适当增大驾驶室在车辆垂直方向的上、下运动行程，使悬置弹簧和减振器 得以充分缓冲并衰减车架上端传来的振动。 全浮式悬置隔振性能主要由弹簧和阻尼器的力学性能和系统结构决定，优化 它们的参数可以提高结构的隔振效果，提高企业开发类似产品的设计能力，缩短 设计周期，提高产品质量，创造良好的社会和经济效益。因此进行汽车结构振动 舒适性的研究具有重要意义。 目前，国外如奔驰、斯堪尼亚、曼公司等60% 以上中重型货车均采用驾驶室 全浮式悬置。全浮式悬置已经成为中重型货车的产品特征之一，并逐渐取代橡胶 悬置成为商用的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配置。 1.2 国内外研究现状 目前对驾驶室或者车身振动舒适性的研究，主要在两个方面，一个方面是通 过结构优化提高其一阶整体频率，避开路面，传动系，发动机等的激励频率，减 少共振。另一方面通过优化其悬置或者悬挂系统参数，从而衰减来自驾驶室或者 车身下的振动。国内外众多学者对对这两方面的研究取得很多成果，为本文的驾 驶室的结构优化及悬置优化分析提供了依据和指导，归纳总结如下: ? 在结构优化方面 通用汽车公司的David Hamiltont 研究了在低频域内影响整车NVH 性能的一些 他提出，为了得到一个良好的车身结构上汽车总成模态及它们的固有频率， 的舒 [2] 适感受，必须避免汽车各总成之间的共振现象的发生 。 在NVH 分析方面，Glen Prater[3]和C.R. Fred[4]分别针对轻型商用车和Volvo 商用车采用有限元方法进行分析，并保证驾驶室NVH 性能。其中，后者对驾驶室 的面板和地板进行轻量化改进，不但保证了对驾驶室噪声的控制而且降低了驾驶 室质量。 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 [5] Howard M. Hdelman 对轿车车身刚度及灵敏度进行了分析研究 ; Nima [6] Bakhtiary 则关于轿车车身刚度对噪声、振动影响进行了研究 。 国内最近几年的主要有华中科技大学王书亭等人通过模态分析结合模 态灵敏 [7] 度分析，提出相应的结构或尺寸改进措施，使车身取得较合理的动态特性 。 合肥工业大学的雷明准，讨论了车身刚度优化分析的方法。通过车身轻量化 优化数学模型及结构灵敏度分析，探讨了车身轻量化策略及流程，分析了车身的 结构灵敏度，对车身进行了优化设计，使车身减重3.37%，刚度和固有频率均有所 [8] 提高 。 重庆理工大学徐科峰用OptiStruct 求解器进行了弯曲刚度和扭转刚度等静态特 性分析和自由模态分析，针对振幅较大的区域进行局部优化设计。在保证提高第 第二、三阶固有频率、弯曲刚度和扭转刚度基本保持不变等一阶固有频率、 的前 提下以车身质量为优化目标，进行灵敏度分析和优化设计。最终该国产轿车白车 身的第一阶固有频率提高了12.23%、当量总质量减少了9.01%[9] 。 同济大学的肖强借助试验与仿真手段相结合的方法，对所研究白车身结构的 静态刚度性能及模态性能进行了分析，对白车身结构进行灵敏度分析，得到了对 白车身第一个整体弹性体模态固有频率比较“敏感”的车身板件，通过这些板件 厚度的调整，提高了白车身的第一个整体弹性体模态频率，板厚增加所带来的车 [10] 身质量的增加被控制在了最小值 。 上海交大的伍兴俊等，对某轿车建立四分之一简化模型，通过仿真路面，得 [11] 到车身的加速度时域历程，比较了结构优化前后的效果 。 ? 在悬置参数优化研究方面: 在国外，尤其是欧洲，由于行驶路面条件较好，同时用户对驾驶舒适性要求 较高，多数厂商生产的重型卡车驾驶室多采用悬浮式悬置结构，如斯堪尼亚、奔 驰、沃尔沃等著名卡车制造商，日、韩的日产(柴)、三菱、日野、现代等公司也 有类似产品。悬浮式悬置系统通常采用螺旋弹簧、钢板弹簧或空气弹簧以及液压 减振器作为悬置元件，能极大改善驾驶室的振动特性，有效地阻隔和缓解由车架 传递到驾驶室的振动和冲击，明显降低驾驶室内的振动与噪声，从而改善汽车的 平顺性、舒适性。在相关的理论研究方面，Joao M.Vidal Franco 针对一款 suv 车型， [12] 基于计算机仿真对悬架参数进行了优化 ;Bong Soo Kim 等将有限元方法和多体 [13] 动力学方法相结合，考虑结构柔性及非线性的影响 。 国内人们也很早认识到商用车驾驶室与车架的连接方式对整车的振动舒适性 有着很大的影响。东风汽车公司的王有智、王仕达等人早在 1992 年对隔振姿态对 驾驶室振动的影响问题进行试验分析，指出通过改变隔振姿态来降低驾驶室的垂 直和扭转振动是可行的;随后，又通过试验测量样车驾驶室隔振点的变形，对比 4 文 重庆大学硕士学位论 1 绪论 [14] 了几种车型驾驶室隔振效果，对载重汽车驾驶室隔振结构进行了改进 。1995 年， 清华大学汽车工程系的胡师金对现代货车的橡胶隔振形式进行了总结并就驾驶室 [15] 支撑点的合理布置问题进行了探讨 。 2005 年吉林大学的刘方文在ADAMS 中针对一汽目前生产的某型号重型卡车 驾驶室，结合汽车产品开发实际，建立驾驶室及其悬置的多刚体模型，通过正交 [16] 试验设计分析的方法，进行悬置刚度阻尼的匹配提高了驾驶室的振动舒适性 。 吴碧磊，王新宇和秦民在 ADAMS 建立驾驶室及其悬置的多刚体模型，及考虑驾 驶室弹性的基础上建立驾驶室及其悬置的刚柔耦合模型，经道路平顺性试验验证 对比后，选择更精确的刚柔耦合模型，通过正交试验设计分析方法，对悬置刚度 阻尼进行匹配[17-19] 。王楷焱与曾肇事豪以垂直方向的加速度功率谱为优化目标， 分别以广义简约梯度法算法和DOE 正交试验方法对悬置系统的刚度阻尼进行了优 化，王楷焱还对商用车驾驶室悬置系统的振动模态和传递特性进行了研究[20-22] 。 2005 年武汉理工的周水清用多体动力学软件ADAMS 建立整车模型，仿真分 析了驾驶室悬置系统的参数及底盘悬架系统参数对驾驶室振动舒适性的影响，并 通过实车试验加以对比研究，为驾驶室悬置系统的改进设计提供了依据 [23][24] 。2006 年武汉理工李鹏飞等在 ADAMS 中建立了某重型商用车整车系统多刚体参数化模 型，通过优化设计的方法对驾驶室悬置和悬架的刚度阻尼进行整体匹配，显著改 [25] 善了整车的平顺性 。2007 年赵永辉与于昌阳用同样的整车模型，用不同的分析 方法――正交试验设计方法，对悬置和悬架参数进行整体匹配分析[26][27] 。朱祝英 等建立了商用车的刚柔多体全浮式驾驶室悬置系统参数化模型，以垂向加速度均 方根值为目标对驾驶室悬置系统和底盘主悬置系统进行参数优化，提高了整车系 统的平顺性[28] [29] 。 2004 年，重庆大学汽车工程系与东京大学工学部联合对重型卡车驾驶 室乘坐 舒适性进行研究，综合运用Matlab 数值分析软件、ANSYS 有限元分析软件和振动 分析理论建立了包含车架弹性振动的15 自由度重型卡车整车振动模型，通过计算 对驾驶室悬置参数进行了改进，取得了较好机仿真模拟路面随机输入响应， 的效 [30] 果 。汽车动力学实验室在车辆振动舒适性的仿真及客观评价方面进行了详细的 研究[]，并开发了振动舒适性客观评价系统[31][32] ，并且结合汽车平顺性试验，总结 出汽车等速行驶时，振动的峰值因子一般不超过9，应该采用基本评价方法，即以 。坐垫 z 向、靠背振动加权加速度均方根值来评价汽车中人体承受的振动 x 向、 坐垫x 向旋转振动以及脚z 向振动加权加速度均方根值在总值中所占的比重最大， 合成振动占总振动的 92%，并对现行汽车平顺性国家标准中的汽车平顺性评价方 [33] 法提出了建议 。 上述这些有代表性的研究一定程度上反映了目前国内外驾驶室研究的现状， 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 对本文的工作有很大的启发性意义。但有些研究还不够深入，简化过多，或者不 够精确。如结构优化对振动舒适性的具体影响方面还没见到有人研究，对悬置的 研究大多是基于路面仿真模型，悬架钢板弹簧的非线性刚度简化为线性刚 度，驾 驶室简化为刚体，建立包含悬架在内的整车多刚体模型，以时域 (ADAMS/VIEW ) 的加速度均方根值，或频域 (ADAMS/VIBRATION )的加速度功率谱的极值为优 其优点是分析全面，运算快，缺点是激励不准化目标进行振动舒适性优化。 确， 模型简化太多，优化目标与振动舒适性的评价指标差距大，不利于实际工程应用。 且没有考虑参数优化后悬置动扰度的变化，如果动扰度增加过大，同样会影响振 动舒适性。本文在前人振动舒适性优化的成果的基础上，综合其优化方法的优点， 进行进一步的探讨。 1.3 论文的主要研究内容 本课题来源于重庆市重大科技专项“汽车零部件”子项目――重型商用 车驾 驶室设计关键技术研究及产业化。本论文主要研究驾驶室振动舒适性优化，主要 通过驾驶室结构优化及其悬置参数优化两个方面来提高商用车驾驶室的振动舒适 性。主要研究内容如下: ?对商用车样车进行道路试验，对其驾驶室振动舒适性进行客观评价，同时 获得仿真模型的激励和验证信号。 ?驾驶室结构方面，选择合适的单元尺寸和单元连接方式建立了驾驶室壳单 元有限元模型，为驾驶室静动态分析及结构优化提供可靠的分析模型;参照相关 文献，对驾驶室进行静态刚度和模态分析;通过灵敏度分析，选择部分驾驶室板 件以其厚度为设计变量，以驾驶室静态刚度、质量为约束条件，驾驶室一阶 整体 弹性频率为目标函数，进行尺寸优化，并对尺寸优化结果进行静动态验证，从而 保证驾驶室在不降低其它性能的前提下，实现一阶整体弹性频率的提高。最后， 建立驾驶室的柔体动把结构优化前后的驾驶室有限元模型导入到 ADAMS 力学模 型进行仿真，在ADAMS 中对结构优化前后的驾驶室振动舒适性进行了量化对比。 ?驾驶室悬置方面，利用柔性化的驾驶室建立其悬置系统的多体动力学模 型，以道路试验测得的信号为激励，以加权加速度均方根值为评价目标，在频域 通过极差分析，按照对评价目内对悬置的刚度和阻尼进行了正交试验优化， 标影 响大小对各因子进行了排序，并分析出各个因子的最佳组合，并在时域里对参数 优化之后悬置的动扰度变化进行研究。 6 重庆大学硕士学位论文 2 基础理论与软件简介 2 基础理论与软件简介 本文在结构优化时，主要用到灵敏度分析，结构优化，正交试验优化技术， 结构优化主要在 ALTAIR HYPERWORKS 中完成，悬置参数优化主要在 MD ADAMS 软件中完成，本章首先对后面章节中所用到的基础理论及软件需要用到的 模块进行简单介绍 2.1 基础理论概述 2.1.1 结构优化的思路及原理 优化设计是以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模型， 运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑多种设计约束的 [35] 前提下寻求满足预定目标的最佳设计 。 对于设计者评价设计“优”的标准，在优化设计中称为目标函数。结构设计 中以变量形式参与结构优化设计的量称为设计变量。设计时应遵守的几何、强度 及刚度等条件称为约束条件。结构优化设计中，选择设计变量，确定目标函数， 列出约束条件，称为制定优化设计的数学模型。有了优化设计的数学模型后，还 要选择合适的优化方法进行结构优化设计，从而得到优化后的结构设计。 结构优化设计通常可根据设计变量的类型采用尺寸优化、形状优化或拓 扑优 化方法。本文针对驾驶室进行尺寸优化分析，实现驾驶室的结构改进。 尺寸优化设计是在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形几何的情况下， 通过某种优化算法确定结构的截面尺寸参数使结构一阶整体扭转频率、体积或造 尺寸优化中的设计变量可以是杆的横截面积、惯性积、板的厚价达到极值。 度或 复合材料的分层厚度和材料方向角度等。因此，应用有限元方法进行尺寸优化时， 既不改变单元的形状，也不改变结构的拓扑关系，只改变截面尺寸，因此不需要 对结构进行重新分网，直接利用灵敏度分析和合适的优化算法就能完成尺寸优化。 尺寸优化的约束条件可以是应力约束、位移约束、局部位移、频率约束、动 响应约束等。常用的尺寸优化方法有准则法和数学规划法两种，优化的对象己涵 盖杆系结构和板壳结构等多种结构形式。 就本论文而言，优化问题数学模型的设计变量为驾驶室本体构件厚度，其上 即边界约束。第二类约束是满足其刚度、模态频率下限构成了第一类约束， 性能 要求的状态变量，即性能约束。数学模型的目标函数为一阶整体弹性频率最大化， 它随设计变量的改变而改变，它也是设计变量的非线性隐函数。 基于第一类和第二类约束的车身结构优化问题，在数学形式上一般可表达为: 7 重庆大学硕士学位论文 2 基础理论与软件简介 求设计变量向量 T ? ? 2.1 x x x ?x 1 2 n 使目标函数 ? ? / 2.2 f x ?min 且满足约束条件 ? ? ? ? h x 0 j 1, 2, ?, l ? j ? 2.3 ? ? ? ? g k x ? 0 k 1, 2, ?, m ? 其中，h x 0 为等式约束，g x ?0 为不等式约束，约束函数可以是刚 度约束、强 j k 度约束、频率约束等;目标函数f x 可以为结构刚度，强度，频率等，也 可以是反 映它们的其它结构间接量。 在优化设计中，大致可分为两类设计方法。一类是优化准则法，它是 从一个 k 初始设计 x k 为上标 出发，着眼于在每次迭代中应满足的优化 条件按迭代公式 k+1 k k k k+1 x C x C 为一对角矩阵 得到一个改进的设计x ，而无需再考虑目标函数和约 束条件的信息状态。另一类是数学规划法，它也是从一个初始设计 xk 出发，对结 k+1 k k k+1 构进行分析，但是按照迭代公式x x +Δx 得到改进设计x 。在数学规划法中， 许多算法是沿着某个搜索方向dk 以适当步长ak 的方式实现对xk 的修改，以获得Δ k [36] x 值的 。 2.1.2 灵敏度分析基本理论 本课题对驾驶室结构优化分析的研究建立在结构灵敏度分析的基础 上，由于 在优化设计中，常常有多个参数可供调整，但每个变量参数值的变化对结构 性能 的影响是不同的，如何选择对关注性能影响最灵敏的变量作为调整的主要参 数， [34] 这对于提高结构动态特性具有十分重要的意义 。 结构灵敏度分析可以在选择变量时提供指导。通过灵敏度分析结果选 择对结 构响应最敏感的部件作为设计变量，可提高优化效率。 结构灵敏度分析是研究结构性能参数u 对结构设计参数x 变化的 灵敏性: j i Sen uj ?uj 2.4 x ?x i i 对于一个线性结构，其动力学方程为: ?? ? [M] X t ?[C] X t ?[K] X t F t 2.5 ?? 式中[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵; X t 、 ? 、 X t X t 为位移、速度和加速度向量。 线性无阻尼结构自由振动方程: ?? [M] X t ?[K] X t 0 2.6 其特征方程为 8 重庆大学硕士学位论文 2 基础理论与软件简介 [K]?? [M] ? 0 2.7 n n 式中 ， 是结构第n 阶固有频率和振型; ?n ?n 固有频率对设计变量的灵敏度可以通过对无阻尼自由振动特征方程式 (2.7 ) 的第i 个设计变量求偏导数得到 ? ? ?[K] ?[M] ??j [K]?? [M] n ? ?? ? [M] ? 2.8 n ?x ?x j ?x n ?x n i i i i 求解式 2.5 得模态频率的对设计变量的偏导数，即灵敏度 T ?[K] ?[M] ? ?? ? ?? n ?x j ?x n S n i i 2.9 T ?x ? [K] ? i n n 2.1.3 正交试验基本知识 正交试验设计简称正交设计，是一种常用的多因子优化试验设计方法，它是 样本点中挑选出部分具有代表性的试验点，这些挑选出的试从全因子试验的 验点 有两个特点，即均匀分散和整齐可比。均匀分散的特点使得试验点具有代表性， 整齐可比的特点便于进行试验的数据分析。正交试验法用正交表来安排试验，表 [37] 的各列之间具有正交性，这种正交性保证了每两列的数字在统计学上不相关 。 与全因子试验法相比，采用正交试验法可以只用较少的试验次数就能找出因 子水平间的最优搭配或通过对试验结果的数据处理推断出最优搭配。 ? 正交试验中的一些关键术语: 1 因子:对试验结果特征值 指标 可能有影响的原因或要素称为试验因子， 简称因子。 2 水平:试验设计中，选定的因子处的状态和条件的变化，可能引起试验指 标的变化，称各因子变化的状态和条件为水平或位级。 3 试验指标:衡量试验结果好坏程度的指标称为试验指标，也称为响应变量。 4 正交表:它是一种特别的表格，是正交设计的基本工具。它是按照正交性 L q s L 排列好的用于安排多因子试验的表格，以符号 N 表示， 为正交表的代号，N s 为正交表的行数(需要做试验的次数)， 为正交表的列数(最多能安排因子的个 数)， 为各因子的水平数(各因子水平数相等)。 q ? 设计正交表的基本原则是: 1 均匀分散性:在正交表的每一列中，不同的数字出现的次数相等。 2 整齐可比性:对于正交表中的任意两列，将同一行中的两个数字看作有序 数对，每种数对出现的次数是相等的。 ? 试验设计的步骤如下: 1 确定试验的评价指标; 2 确定试验因子并选取适当水平; 9 重庆大学硕士学位论文 2 基础理论与软件简介 选择试验因子，首先要根据专业知识，研究结论和试验的经验，尽可能全面 然后根据试验和尽量少选的一般原则，选定试地考察影响试验指标的因子， 验因 子。 3 选择适合的正交表 如果选用的正交表既能容得下所有的试验因子，又能使试验号最小，就认为 所选正交表是合适的。因此在选择正交表时，只要试验因子能安排得下，就尽可 能用小号正交表。 4 表头设计 所谓表头设计，就是将试验因子分别安排到所选正交表的各列中去的过程。 如果因子间无交互作用，各因数可以任意安排到各列中去。 5 试验 在表头设计的基础上，将所选正交表中各列的不同数字换成对应因子的相应 水平，便形成试验方案。 2.2 主要软件简介 2.2.1 有限元软件ALTAIR HYPERWORKS ALTAIR HYPERWORKS 是世界领先、功能强大的CAE 应用软件包，是一个 创新、开放的企业级CAE 平台，它集成设计与分析所需各种工具，具高度的开放 性、灵活性和