10.16638/jki.1671-7988.2020.10.056
杨献学，郭文天，曹寓，张辉
（北京航天发射技术研究所，北京100076）
摘要：为研究特种车驾驶室的模态特性，文章以驾驶室为分析对象，采用有限元法分析获取其振动模态计算数据，并通过试验测试获得驾驶室的模态测试数据，最后通过数据比对和迭代分析，验证了仿真模型简化和分析方法的有效性，此方法可应用于驾驶室类框架蒙皮结构振动模态分析。
关键词：特种车驾驶室；模态分析；模态试验
中图分类号：U469.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)10-187-03
Modal Calculation and Test of Special Vehicle Cab
Yang Xianxue, Guo Wentian, Cao Y u, Zhang Hui
( Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 10076 )
Abstract: In order to investigate the modal characteristics of special vehicle cab, take the cab as the analysis object, using the finite element method to obtain the vibration modal calculation data. And get the modal test data of the cab through the test. Finally, through data comparison and iterative analysis, the validity of simulation model simplification and analysis method is verified. This method can be applied to the vibration modal analysis of cab frame and skin structure.
Keywords: Special vehicle cab; Modal analysis; Modal test
CLC NO.: U469.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)10-187-03
1 引言
车辆NVH特性是指在车辆工作条件下驾驶员和乘员感受到的噪音、振动和声振粗糙度，是衡量汽车质量的重要综合性指标。驾驶室作为重型车重要的系统之一，可直接将振动噪音传递给驾驶员和成员，其结构性能的好坏对整车NVH有重要影响，因此研发阶段就必须严格控制驾驶室结构模态等车辆NVH性能关键参数。
驾驶室的噪音成分含有低频、中频和高频，载车研发阶段要分别考虑并对其进行拟制。通常由结构振动
引发的振动噪音为低中频，易引起成员疲劳烦躁等不适，严重影响汽车乘坐的舒适性，本文基于某特种车驾驶室，采用有限元仿真分析方法，模态测试技术，研究驾驶室的结构模态，为驾驶室结构优化和NVH性能改善提供重要依据。
2 模态有限元分析
2.1 几何模型建立
采用UG软件进行驾驶室三维建模，结构如图1所示。驾驶为框架蒙皮结构，模型建立过程中保证不影响结构整体动特性及分析精度的前提下进行了简化，一方面消除了一些工艺成型的细节，例如焊缝间隙、焊缝坡口、成型尖角、螺栓孔倒角、工艺小孔等，另一方面删除了反光镜及支架、内饰、橡胶密封件及车门等非承载类零件。
2.2 有限元几何模型建立
采用三维几何模型导入的方法建立有限元模型，可以通过直接导入或采用中间格式文件例如.sat,.iges,.x_t等导入到有限元软件。
作者简介：杨献学（1979-），男，高级工程师，就职于北京航天发
射技术研究所，主要研究方向为特种车底盘设计，结构强度、疲劳
耐久性分析及优化设计。
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汽车实用技术
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图1 驾驶室主体结构
导入进来的驾驶室实体结构较复杂，通常采用抽取中面
方法对结构进行简化，同时对一些不必要的缝隙和面缺失进行了清理，调整了结构的自由边、共享边、压缩边和T形接头连接边，删除模型中小的倒角、圆角、孔等细微特种，并拟制了较小的几何体。
根据驾驶室的实际结构特点，对其主体框架采用了梁单元进行简化，板材采用了壳单元简化，采用rigid单元模拟铆接和螺栓连接的刚度特性和其对周围零件的影响，采用了ACM2单元模拟点焊，简化后的有限元模型如图2所示。
图2 简化后的有限元模型
2.3 分析计算
驾驶室模态计算通常选择扩展模态，模态数通常设置不大于50阶，模态频率一般设定不大于100Hz。
图3 简化框架（左）和所有框架（右）的网格模型
表1 驾驶室的计算模态数据
本款驾驶室上设计有多处承载设备的安装接口，本次就其对整体结构的影响进行了研究，分别计算了全主体结构和简化主体结构的模态特性，结果如图3所示。通过对比两者相差不大于 2.1%，所以本次采用简化框架模型进行分析计算，得到了驾驶室的模态数据如表1所示。
3 模态试验测试
模态试验测试分析通常包括时域法和频率法，采用最多的是通过试验测定传递函数并识别模态参数，属频率法。通常包括以下四个步骤：对结构进行激振、测量力和响应数据、估算传递函数、识别模态参数。
本次获取驾驶室模态试验参数的方法为：先采用锤击法测得的试验件各测量点的加速度响应，计算得到各个点的频响函数曲线，再从频响函数曲线频率中获取试验件的模态参数，确定这些模态的基本特性，分析出试验件的整体模态和局部模态分布情况，进而得到试验件模态振动参数。
3.1 测试步骤
3.1.1 测点布置
测点布置原则为：（1）尽量布置在振动量大及能反映驾驶室几何外形特征的位置，特别要考虑一些重要的点，如梁与梁的连接点，外力作用点，集中质量点，边界点等。（2）避开关键模态节点。主要是指前两阶弯曲模态和前两阶扭转模态。（3）关注局部模态的位置应布置足够多的测点。如地板上前、后悬置连接处。（4）在激励点与力传感器平行的地方布置一个加速度传感器。本次在驾驶室的内部侧围立柱、前后围立柱、顶棚及底板进行集中布置，布置情况如图4所示。
3.1.2 驾驶室的悬浮
试验中驾驶室通常应为自由—自由的约束方式，通常可采用柔性体吊装方式或支垫方式，例如采用软轮胎垫其，弹簧绳吊装等，通常要求弹性体的刚体模态频率小于结构低阶模态频率的1/6以上，本次采用四根弹簧悬吊的方式，经测试，弹簧刚体模态约为结构低阶模态的0.11倍，其悬挂方式如图4所示。
图4 测点布置及吊装方式
3.1.3 激振方式
试验采用了10kg力锤进行激振，并选取了刚度较大的悬置点附近进行激振。
锤击法又称脉冲激励方法，是通过力锤敲击试验件产生
杨献学 等：特种车驾驶室模态计算及试验
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脉冲激励，同时加速度传感器测量试验件的响应，经过谱分析得到激励的自功率谱密度Gff(w )和激励与响应的互功率谱密度Gxf(w )，由公式(1)计算出频响函数。再由频域直接参数识别方法分析频响函数，得到模态参数。
（1）
锤击激励方法的试验设备和软件系统配置由控制采集处理系统、加速度测量系统和力锤激励系统组成，如图5所示。
图5 锤击激励方法的试验设备及软件系统配置框图
特种汽车3.2 测试结果及对比
经过对测试频率及对应的振型辨别对比，频率和振型与计算结果较吻合，结果如表2所示。
4 结论
本文通过研究，获得了特种车驾驶室模态有限元模型简化与分析方法和流程，并通过测试试验数据拟合迭代，验证了有限元分析计算方法的有效性，为驾驶室类框架蒙皮结构的设计分析提供了依据。
表2 驾驶室测试值与计算结果的对比
参考文献
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