基于有限元法的某商用車駕駛室力學性能仿真研究

龔俊奇

基于有限元法的某商用車駕駛室力學性能仿真研究

龔俊奇

（江鈴汽車股份有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

文章基于有限元法，采用Nastran軟件，對某商用車駕駛室系統進行了CAE模態，彎曲扭轉剛度和強度分析，結果顯示，駕駛室前四階模態有效避開了發動機怠速頻率，而彎曲和扭轉剛度滿足設計目標，同時，駕駛室四工況下最大塑性應變達成設計目標，綜合評估該商用車駕駛室力學性能符合設計要求。

商用車；駕駛室；力學性能

1 引言

隨著國家經濟飛速發展，商用車銷量得到迅猛增長，由于其經濟性和便利性，已經成為運輸貨物的必然選擇[1]。目前輕卡行業駕駛室主要形式為平頭駕駛室，駕駛室本體結構剛強度需保證設計目標要求，其對乘員的安全保障有著直接決定性影響[2-3]，因此，研究駕駛室系統力學性能具有重要的經濟和社會價值。

本文基于有限元法，采用Hyperworks和Nastran及ADAMS軟件，對某商用車駕駛室系統進行了CAE模態分析，得到其前四階模態，均有效避開了發動機怠速頻率，同時進行了駕駛室彎曲和扭轉剛度分析，得到其彎曲剛度和扭轉剛度都滿足設計目標，最后，進行了駕駛室CAE強度分析，在輪胎上抬工況，對扭工況，轉彎工況，制動工況下，駕駛室最大塑性應變均小于目標值，綜合評估該商用車駕駛室系統力學性能符合設計目標。

2 駕駛室CAE模態分析

2.1 駕駛室有限元模型

本文采用Hyperworks軟件，對某商用車駕駛室系統進行了建模，網格大小6mm鈑金材料為DC系列，彈性模量E為210000MPa，泊松比為0.3，玻璃材料彈性模量為71000 MPa，泊松比為0.25，前風窗玻璃與鈑金采用玻璃膠模擬，點焊單元選擇Spot單元，駕駛室重量300kg（未含乘員質量），駕駛室有限元模型如圖1所示。

圖1 某商用車駕駛室FEA模型

2.2 駕駛室CAE模態分析

本文對某商用車駕駛室進行了自由模態分析，模態計算截取頻率段為0-60Hz，得到圖2所示的駕駛室前四階頻率和振型，匯總后如表1所示，其中一階模態頻率為20Hz，為駕駛室一階彎曲模態，二階模態頻率為30Hz，為駕駛室頂棚局部呼吸模態，三階模態頻率值為35Hz，為駕駛室扭轉模態，四階模態頻率值為42Hz，為駕駛室呼吸及前圍局部模態，前四階模態都避開了發動機怠速頻率26Hz，達成設計目標。

圖2 某商用車駕駛室自由模態分析結果

3 駕駛室CAE剛度分析

3.1 駕駛室CAE彎曲剛度分析

本文對某商用車駕駛室進行了彎曲剛度分析，加載邊界條件如圖3所示，其中載荷加載點位于駕駛室地板兩側，加載區域為50mm乘以50mm，在車身與車架連接處約束全自由度，載荷大小F=3000N。

本文按照上述邊界條件加載后，計算出如圖4所示的駕駛室彎曲剛度結果，左側和右側最大位移呈現對稱現象，經過計算得到表1所示的駕駛室剛度值K=5800N/mm，滿足設計目標（K>4500N/mm）。

圖3 駕駛室彎曲剛度分析加載邊界示意圖

3.2 駕駛室CAE扭轉剛度分析

本文對某商用車駕駛室進行了扭轉剛度分析，加載邊界條件如圖5所示，其中載荷加載點位于駕駛室后側對稱位置，加載區域為50mm乘以50mm，在車身與車架連接處約束全自由度，載荷大小F=2000N。

圖5 駕駛室扭轉剛度分析加載邊界示意圖

本文按照上述條件，對某商用車駕駛室進行了扭轉剛度分析，得到如圖6所示的分析結果，其中測量點最大位移為2.4mm，得出此駕駛室扭轉剛度T=10886Nm/deg，滿足設計目標（T>9800Nm/deg）。

4 駕駛室CAE強度分析

本文對某商用車駕駛室進行了強度分析，輸入載荷為ADAMS計算的車身硬點處載荷，工況為車輪上抬工況，對扭工況，轉彎工況和制動工況，強度模型如圖7所示。

圖7 駕駛室強度模型

本文按照上述強度工況，對駕駛室進行分析，得到如圖8所示的計算結果，在Case1車輪上抬工況，駕駛室最大塑性應變值PEEQ為0.038%，在Case2對扭工況，駕駛室最大塑性應變值PEEQ為0.033%，在Case3轉彎工況，駕駛室最大塑性應變值PEEQ為0.101%，而在制動工況，駕駛室最大塑性應變值PEEQ為0.113%，均滿足設計目標要求（最大塑性應變PEEQ<0.5%）。

5 結論

本文基于有限元法，采用Nastran軟件，對某商用車駕駛室系統進行了CAE模態，彎曲扭轉剛度和強度分析，結果顯示：

（1）駕駛室前四階模態振型分別為一階彎曲模態，二階頂棚呼吸模態，三階扭轉模態，四階前圍呼吸模態，其頻率值均有效避開了發動機怠速頻率；

（2）駕駛室彎曲剛度K=5800N/mm，扭轉剛度值T= 10886Nm/deg，符合設計目標要求；

（3）駕駛室在車輪上抬工況，對扭工況，轉彎工況和制動工況下，其最大塑性應變值遠小于0.5%，滿足設計目標；

綜合評估該商用車駕駛室系統力學性能符合設計目標。

[1] 周冬龍.基于虛擬迭代的某輕卡后橋疲勞分析研究[D].山西:中北大學,2019.

[2] 雷飛,李貴濤.高強度鋼在商用車正碰安全性設計中的應用研究 [J].機械強度,2017,39(1):71-78.

[3] 龔紅兵.海南汽車試驗場可靠性試驗強化系數的計算[J].汽車研究與開發,1997,26(1):35-39.

Simulation Study on Mechanical Properties of a Commercial Vehicle Cab

Gong Junqi

( Product Development & Technical Center, Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

In this paper, base on the finite element method and Nastran software, the CAE model, bending and torsional stiffness and strength analysis of a commercial vehicle cab system are carried out. The results show that the first four models of the cab effectively avoid the idle frequency of the engine, while the bending and torsional stiffness meet the design objectives. And the maximum plastic strain of the cab under four working conditions achieves the design goal, so the commercial vehicle cab is comprehensively evaluated. The mechanical properties of the cab meet the design requirements.

Commercial vehicle; Cab;Mechanical properties

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.028

U463.81

A

1671-7988(2021)02-87-03

U463.81

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1671-7988(2021)02-87-03

龔俊奇，就職于江鈴汽車股份有限公司產品開發技術中心。