CAE于某叉車方向盤振動控制研究中的應(yīng)用

1 概述

      隨著人們的環(huán)保意識和對駕駛舒適性要求的提高，叉車的NVH問題日漸顯現(xiàn)出來。國內(nèi)的一些工業(yè)車輛制造企業(yè)開始在NVH方面逐步加大研發(fā)投入，并取得良好的工程應(yīng)用效果，同時一些商業(yè)軟件（比如HyperWorks等）在企業(yè)中的應(yīng)用也推動叉車NVH技術(shù)研發(fā)的進(jìn)步。工業(yè)車輛的振動問題往往很復(fù)雜，涉及很多系統(tǒng)與部件，因此建立車輛整體的動力學(xué)模型非常困難。通常是根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)對整車進(jìn)行簡化，主要研究一些與振動傳遞路徑相關(guān)的部件的動力學(xué)參數(shù)。傳統(tǒng)的方法是建立這些部件的有限元模型，再進(jìn)行自由模態(tài)分析或約束模態(tài)分析，然后為其結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性修改提供意見。而本文中的采用混合建模方法是將復(fù)雜系統(tǒng)根據(jù)連接關(guān)系分成若干子結(jié)構(gòu)。對一些通過有限元分析很難準(zhǔn)確獲得其模態(tài)參數(shù)的子結(jié)構(gòu)使用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法建立其動力學(xué)模型。對其他較為簡單的子結(jié)構(gòu)采用有限元法建立動力學(xué)模型。最后通過模態(tài)綜合理論得到全系統(tǒng)的動力學(xué)模型，這樣獲得的系統(tǒng)級模態(tài)參數(shù)會有較好的精度，后續(xù)的振動分析與設(shè)計會更加可靠。

      本文中的方向盤和前板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括方向盤、轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向器等部件，很難通過有限元分析得到其精確的模態(tài)參數(shù)。因此采用自由懸掛狀態(tài)下的模態(tài)試驗(yàn)得到其的模態(tài)參數(shù)，同樣護(hù)頂架也是通過模態(tài)試驗(yàn)得到其模態(tài)參數(shù)，車架是通過有限元建模的方案來構(gòu)造其模型，最后在HyperMesh中通過MPC將試驗(yàn)?zāi)B(tài)的網(wǎng)格模型和有限元模型裝配在一起提交計算系統(tǒng)級的模態(tài)參數(shù)。

2 混合建模方法的原理

      模態(tài)綜合法可分為自由界面的模態(tài)綜合法和固定界面的模態(tài)綜合法等。其中自由界面對被試驗(yàn)的子結(jié)構(gòu)相對比較容易實(shí)現(xiàn)，可以通過彈性繩或柔性支撐將子結(jié)構(gòu)懸掛或安置。因此混合建模中，方法采用自由界面的模態(tài)綜合法，并重點(diǎn)以Hou方法給予介紹。

3叉車主要結(jié)構(gòu)部件的模態(tài)試驗(yàn)

3.1 模態(tài)試驗(yàn)原理

      模態(tài)參數(shù)識別方法很多，較為傳統(tǒng)的有最小二乘復(fù)指數(shù)法（LSCE）和頻域直接參數(shù)識別法（FDPI）。本文采用LMSTest.lab中的LSCE來識別模態(tài)參數(shù)。首先錘擊法得到結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)（FRF），再通過逆傅立葉變換得到時域的脈沖響應(yīng)函數(shù)（IR）如方程9所示，最后采用LSCE方法完成極點(diǎn)和留數(shù)的估計以及模態(tài)確認(rèn)。

3.2方向盤與護(hù)頂架子結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果

       方向盤前板機(jī)構(gòu)和護(hù)頂架模態(tài)試驗(yàn)采用比利時LMS模態(tài)測試分析軟件及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件中分析帶寬設(shè)置為512Hz，頻率分辨率為1Hz，響應(yīng)點(diǎn)加速度測量采用PCB三向加速度，激勵方式采用力錘錘擊，被測部件的懸掛方式見圖1。     

圖1 方向盤前板機(jī)構(gòu)和護(hù)頂架模態(tài)試驗(yàn)的懸掛方式

      方向盤前板機(jī)構(gòu)和護(hù)頂架的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖2，3所示，本文僅列出他們前五階彈性模態(tài)頻率和模態(tài)振型。方向盤前板機(jī)構(gòu)的第一階模態(tài)主要表現(xiàn)為整體的彎曲振型，第二階模態(tài)為整體左右擺動，第三、四階模態(tài)分別為前板和方向盤的局部振型。護(hù)頂架的第一階、二階模態(tài)為護(hù)頂架前后腿的局部模態(tài)，振型分別扭轉(zhuǎn)和左右擺動，第三階、四階模態(tài)為護(hù)頂架的整體模態(tài)，第五階模態(tài)為護(hù)頂架頂棚的局部模態(tài)。

表1 方向盤前板機(jī)構(gòu)和護(hù)頂架的試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率

圖2方向盤前板機(jī)構(gòu)彈性模態(tài)振型圖（從左到右依次1-5階）

圖3護(hù)頂架彈性模態(tài)振型圖（從左到右依次1-5階）

4叉車方向盤機(jī)構(gòu)的振動分析

4.1系統(tǒng)級模態(tài)綜合分析

      上述試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到方向盤前板機(jī)構(gòu)和護(hù)頂架的模態(tài)參數(shù)，采用使得模態(tài)質(zhì)量為1的正規(guī)化方式，這時模態(tài)剛度則等于固有角頻率的平方，在HyperMesh中采用MPC（多點(diǎn)約束）把模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度分別作為集中質(zhì)量元素、集中剛性元素與試驗(yàn)?zāi)B(tài)模型中的每個節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來。在試驗(yàn)?zāi)B(tài)中，0Hz的剛體模態(tài)可能無法獲得，但是需要考慮子結(jié)構(gòu)的剛體特性，因此可以在重心位置處用集中質(zhì)量元素定義其質(zhì)量和慣性，然后把重心節(jié)點(diǎn)與界面結(jié)合點(diǎn)用RBE2相連即可。

      通過模態(tài)綜合法建立的混合模型進(jìn)行自由模態(tài)分析得到的結(jié)果如表2和圖4所示，本文給出1-5階系統(tǒng)級的彈性模態(tài)結(jié)果。其中第一、二和五階模態(tài)均為方向盤的局部模態(tài)，模態(tài)振型分別表現(xiàn)為上下、前后和左右方向振動，第三階（20.0Hz）和第四階（34.7Hz）模態(tài)是系統(tǒng)的整體模態(tài)，模態(tài)振型分別表現(xiàn)為左右擺動和繞豎直方向的左右扭轉(zhuǎn)。

表2 裝配后系統(tǒng)級模態(tài)頻率

圖4裝配后系統(tǒng)級模態(tài)振型圖（從左到右依次1-5階）

4.2 試驗(yàn)方案的驗(yàn)證

      該車選配的發(fā)動機(jī)為直列四缸四沖程型式，其激振力主要為基頻及其諧次成分，對于該發(fā)動機(jī)其基頻為2階次，主要諧次成分為4、6階次等，階次的計算公式10所示，式中Ο代表階次、N表示氣缸數(shù)、n表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）、τ表示沖程數(shù)。

圖5原始狀態(tài)下方向盤三方向2階振動數(shù)值

      根據(jù)模態(tài)疊加原理，抑制圖5中的兩個振動峰值的方法之一為改變整體結(jié)構(gòu)第三和第四階系統(tǒng)的模態(tài)頻率，使得這兩個主要參與模態(tài)的模態(tài)頻率偏離更大一些。經(jīng)模態(tài)靈敏度仿真分析發(fā)現(xiàn)，第四階模態(tài)頻率與前板和護(hù)頂架之間連接的局部剛度關(guān)系最大，加強(qiáng)此處的連接可以較大的提高第四階模態(tài)頻率。如將仿真中此處連接的螺栓從半徑為3mm的beam單元改為半徑為6mm的beam單元，第四階模態(tài)頻率提高到38.5Hz，第三階模態(tài)頻率變?yōu)?0.4Hz，方向盤其他局部模態(tài)頻率基本不變。

     因此根據(jù)上述理論分析，在實(shí)際操作中采用的方案是將前板和護(hù)頂架之間的連接螺栓加大預(yù)緊扭矩，通過此方法來提高此處連接的局部剛度。方案實(shí)施后，重新測試方向盤三個方向的2階振動如圖6所示，圖中明顯發(fā)現(xiàn)方向盤左右方向的振動峰值發(fā)生偏移并且得到一定程度的抑制，由原始狀態(tài)的9m2/s左右降至5m2/s左右。

圖6方案實(shí)施后方向盤三方向2階振動數(shù)值

5 結(jié)論

      本文基于HyperWorks軟件，采用自由界面的模態(tài)綜合法，完成方向盤前板機(jī)構(gòu)和護(hù)頂架試驗(yàn)?zāi)B(tài)模型，以及車架有限元模型混合建模，并對裝配后的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)級自由模態(tài)分析，通過模態(tài)分析結(jié)果指導(dǎo)系統(tǒng)的動力學(xué)特性修改，最后實(shí)施方案證明分析結(jié)果可靠、有效。綜合上述，可得如下結(jié)論：

1.混合建模的方法在工程上有很高的應(yīng)用價值，尤其在某些子結(jié)構(gòu)很難通過有限元分析得到其動力學(xué)參數(shù)時，可以通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得其模態(tài)參數(shù)；同時對一些復(fù)雜系統(tǒng)，混合建模的方法可以完成準(zhǔn)確的系統(tǒng)級數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，給大型工程問題求解提供方法和思路。

2.自由界面的模態(tài)綜合法較之傳遞函數(shù)綜合法和固定界面的模態(tài)綜合法，工程師理解簡單，操作實(shí)施方便，但是分割界面時，應(yīng)注意界面處的剛度不能很大。

3.文章根據(jù)系統(tǒng)級模態(tài)分析結(jié)果和模態(tài)疊加原理，提出的實(shí)施方案得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，因此對此型號叉車的方向盤振動設(shè)計具有指導(dǎo)作用。