基于Ls-dyna 下的某重卡駕駛室懸置垂向沖擊工況建模優化

黨龍，周宗昊，王蘭，賀洋洋，周剛，趙永利

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

1 引言

有限元分析越來越多地被應用到產品的研發設計中，作用于Z 向-3G 的垂向沖擊工況是駕駛室懸置的一個重要分析工況[1-2]，考驗了駕駛室懸置彈性元件的壓縮、衰減沖擊性能和整個過程中駕駛室懸置系統的結構性能[3-4]。本文以某重卡駕駛室懸置為研究對象，優化駕駛室懸置垂向沖擊工況建模方案。此重卡駕駛室懸置系統主要結構包括前懸上托架、翻轉搖臂、翻轉軸、下支座、后懸鎖止系統、彈性元件等，結構如下圖1 所示。

圖1 某重卡駕駛室懸置系統結構圖

2 問題來源

公司現有駕駛室懸置分析采用Ls-dyna 下的動態仿真分析，由于計算時間較長，嚴重影響了產品研發效率。垂向沖擊工況，分析觀察時長為0.8s（在工作站中計算時長為22h），具體構成如下表1 所示。

由表1 可知，公司現有駕駛室懸置垂向沖擊工況分析觀察時長為0.8s，彈簧自由壓縮狀態為0.4s，且工況加載狀態時間較長，故對這兩個狀態的優化建模顯得十分必要。

表1 公司現有駕駛室懸置垂向沖擊工況分析觀察時長

3 模型搭建及彈簧參數設置

3.1 模型搭建

3.1.1 分析對象關鍵參數

本文分析時參考行業內部坐標系統規范，采用右手直角坐標系，X 軸與車輛的縱軸線平行，向前為正；Z 軸向上為正[3]。為方便模型搭建，駕駛室質心在前懸下支座安裝彈簧減震器點所在的XY 平面上的投影點為坐標原點O[5]。研究對象為某重卡駕駛室懸置，其三維數模、駕駛室質心等信息見下表2。確定各零部件之間的連接、約束關系后，在Hyper-mesh 下的Ls-dyna 模塊中搭建有限元模型。

表2 某重卡駕駛室懸置主要參數

3.1.2 工況初始狀態模型調整

工況初始狀態為駕駛室滿載裝車狀態。經實際測量，前懸彈簧減震器和后懸彈簧減震器長度分別為0.29m和0.27m。故將駕駛室懸置模型在Ls-Dyna 中調整到相應的裝車位置并按照各件之間的裝配關系連接模型。

3.1.3 阻尼參數設置

某重卡駕駛室懸置阻尼加載嚴格按照其圖紙曲線加載，以前懸為例，如下圖2 所示。

圖2 某重卡駕駛室懸置前懸阻尼加載曲線

3.2 彈簧參數設置

3.2.1 彈簧剛度曲線線型

公司現有駕駛室懸置動態分析時，駕駛室彈簧剛度曲線為過（0，0）點的斜率為K 的直線段，如下圖3 所示。

圖3 現有動態分析駕駛室懸置彈簧剛度曲線

為模擬駕駛室裝車狀態時前后懸彈簧的預壓狀態，需探求彈簧剛度曲線線型。將現有彈簧剛度曲線線型做出如下圖4（a）、圖4（b）調整。

圖4 調整后的兩種彈簧剛度曲線

將調整后的兩種彈簧剛度曲線帶入重力場模型分別進行分析計算，觀察前后懸彈簧減震器位移，若位移減小則視為該彈簧剛度曲線可以模擬彈簧預壓狀態，計算結果如下：

表3 兩種彈簧剛度曲線下的彈簧減震器位移對比 單位：mm

通過結果對比發現，方案b 彈簧剛度曲線可使前、后懸減震器位移減小，故方案b 彈簧剛度曲線線型更接近實際情況。

3.2.2 校核彈簧預壓參數

駕駛室滿載裝車時，駕駛室懸置承受駕駛室滿載Z 向-1G重力，由于此狀態相對車架靜止，故此狀態為力矩平衡狀態。此時前、后懸彈簧應有一定的預壓力，但由于彈簧減震器自身結構使其擁有初始壓縮狀態，從而無法通過直接測量彈簧拉伸/壓縮長度而確定裝車時的彈簧預壓值D預，所以在模型搭建時應當校核彈簧預壓值。

為校核某重卡駕駛室懸置前、后懸彈簧預壓值，在Ls-dyna 中按照b 彈簧剛度曲線線型分別設置不同的彈簧預壓值，由于在駕駛室裝車狀態時駕駛室懸置相對靜止，故只需在結果文件中得到彈簧壓縮量，若彈簧壓縮量為零，則對應的彈簧預壓值為此重卡駕駛室懸置真實彈簧預壓值。在有限元模型中將加速度設為Z 向-1G 的重力工況，前懸彈簧位移計為HF，后懸彈簧位移計為HR。首先校核HF的大小，如下表4 所示。

表4 預設不同前懸彈簧預壓值-前懸彈簧壓縮量

將上表數據擬合成曲線，如圖5 所示。

圖5 不同前懸彈簧預壓值-前懸彈簧位移

該曲線中，當HZ=0 時，D預=2836N，故將前懸預壓值設為2836N。

同法可得后懸彈簧預壓值為2572N。

3.3 工況優化

觀察分析結果發現，當加載垂向沖擊Z 向-3G 工況時，駕駛室迅速下落，限位塊在0.51s 后下落到下跳限位，并在下跳限位處保持0.24s 后回升，在此過程中，駕駛室懸置各件最大應力相對穩定。下圖6 為0.53s～0.75s 之間駕駛室懸置系統主要目標件所受應力值。

圖6 0.53s～0.75s 垂向沖擊工況各件所受應力

通過觀察結果發現，0.53s 后各件所受最大應力數值變化不大且無上升趨勢，故將下跳到限位塊保持0.24s 優化到保持0.05s。優化后分析總觀察時長為0.2s，計算公式見下式：

分析總觀察時長=0.11s（下跳時長）+0.05s（保持時長）+0.03s（恢復時長）=0.2s

由于分析觀察時長的縮短，經計算驗證，分析計算時長由現有分析方案的22h 優化至5h。

4 分析結果

4.1 能量曲線驗證

由于分析選用Ls-dyna 動態分析，在動態分析時，需要進行能量曲線驗證，具體觀測能量平衡關系及有無負能量的出現。通過計算，某重卡駕駛室懸置有限元分析能量曲線如下圖7 所示。

圖7 某重卡垂向沖擊工況能量曲線

上圖可以看出某重卡垂向沖擊工況滿足能量平衡且無負能量出現，能量曲線驗證無誤。

4.2 結果對比

由于現有分析方案有一段彈簧自由壓縮至裝車位置的位移，故對比位移結果并無意義，為例驗證優化方案，對比兩種方案優化前后各件最大應力結果，如下表5 所示。

表5 兩種方案各件最大應力結果對比

對比兩種建模方案下的駕駛室懸置各件最大應力，應力差均小于建模差異范圍，故兩種建模方案結果一致，優化方案可行。

5 總結

本文以優化垂向沖擊工況建模為出發點，以某重卡駕駛室懸置為研究對象。對現有公司建模方案的彈簧自由壓縮狀態和工況加載狀態進行優化建模并進行結果驗證。經計算，優化后的建模方案在保證結果準確的同時計算時長僅為現有分析方案計算時長的1/4，從而有效縮短了產品的研發周期，提升研發效率。