CN103970916B - 一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法 - Google Patents

一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法,包括以下步骤:1)建立驾驶室总成的CAD模型,并对其进行网格划分,建立驾驶室总成有限元模型;2)基于驾驶室总成有限元模型建立驾驶室内部声场和驾驶室外部声场;3)根据当前设计图纸中密封条的形状建立密封条的结构有限元模型,并以设定的压缩量对密封条进行非线性静态压缩;4)建立声固声三域耦合模型;5)计算驾驶室的隔声量;6)判断当前驾驶室的隔声量是否满足设计要求,若是,则以当前设计图纸作为驾驶室最终结构输出,若否,则修改设计图纸中密封条的形状和压缩量,返回步骤3)。与现有技术相比,本发明具有可降低驾驶室内部噪声、提高驾驶室隔声量和密封性能等优点。

Description

一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法
技术领域
本发明涉及一种机械结构设计方法,尤其是涉及一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法。
背景技术
随着技术的进步,工业化水平不断提高,工程机械的应用在各行各业中非常广泛。人们对工程机械的要求越来越高,已经不仅仅局限在作业效率和可靠性等指标,对工程机械的舒适性和振动噪声控制的要求也越来越高。在这样的背景下,工程机械的噪声问题受到了各重工企业的普遍重视。噪声污染已经与水污染、大气污染共同成为世界范围内的三大环境问题。随着房地产、高铁等支柱产业的快速发展,工程机械噪声污染逐渐成为城市环境噪声的主要组成部分,严重地影响了人们的工作和生活。工程机械的驾驶室内部噪声不仅对驾驶员自我感觉和工作能力产生消极的影响,而且会导致健康严重失调、疲劳、早期失聪、高血压、神经疾病等问题。过强的噪声也会对人的听觉系统造成损害,工作人员如果长期处于86dB(A)的噪声环境中,听力就会受到损伤;而90dB(A)以上的噪声则可导致耳聋或严重失聪;人耳对强噪声的短期极限承受限度为125dB(A)左右。噪声控制也关系到工程机械工作的平顺性、耐久性和安全性。因此振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的,既要减小振动,降低噪声,又要提高乘坐舒适性,保证产品的经济性,使工程机械的噪声控制在标准范围之内。
早在1993年,一部分国产装载机因噪声过高,北京市交管局不发给使用牌照,购买单位纷纷要求退货,使工程机械生产企业受到了一次强烈的冲击。1984年,原机械工业部颁发了JB3774-1984《工程机械噪声限值》;1990年国家环保局颁布了GB12523-90《建筑施工场界噪声限值》。在以上基础上,参照ISO/DIS6393-6396:1995,1996年颁布了国家标准GB16710.1-1996《工程机械噪声限值》,该标准规定的限值作为现阶段我国工程机械产品的最低指标,作为强制性标准发布实施。以挖掘机为例,驾驶室内部司机位置处的噪声限制为92dB(A)。2010年我国发布了新的标准:GB 16710-2010《土方机械噪声限值》,该标准已于2012年1月1日起正式实施。以挖掘机为例,在I阶段(2012-01-01起实施)驾驶室内部司机位置处的噪声限值为83dB(A),在II阶段(2015-01-01起实施)驾驶室内部司机位置处的噪声限值为80dB(A)。由此可见,对驾驶员耳旁噪声的要求越来越严格。
根据噪声产生和传播的机理,可以把噪声控制技术分为以下三类:一是对噪声源的控制,二是对噪声传播途径的控制,三是对噪声接受者的保护。其中对噪声源的控制是最根本、最直接的措施,包括降低噪声的激振力及降低发动机部位对激振力的响应等,即改造振源和声源。但是在噪声源难以进行控制时,就需要在噪声的传播途径中采取措施,例如吸声、隔声、消声、减振及隔振等措施。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可降低驾驶室内部噪声、提高驾驶室隔声量和密封性能的基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法,所述的驾驶室包括驾驶室总成和密封条,所述的设计方法包括以下步骤:
1)根据驾驶室的设计图纸建立驾驶室总成的CAD模型,并对其进行网格划分,建立驾驶室总成有限元模型;
2)基于驾驶室总成有限元模型建立驾驶室内部声场和驾驶室外部声场;
3)根据当前设计图纸中密封条的形状建立密封条的结构有限元模型,并以设定的压缩量对密封条进行非线性静态压缩,获得受压变形后的密封条有限元模型;
4)将驾驶室总成有限元模型、驾驶室内部声场、驾驶室外部声场和受压变形后的密封条有限元模型进行耦合,建立声固声三域耦合模型;
5)根据步骤4)建立的声固声三域耦合模型计算驾驶室的隔声量;
6)判断当前驾驶室的隔声量是否满足设计要求,若是,则以当前设计图纸作为驾驶室最终结构输出,若否,则修改设计图纸中密封条的形状和压缩量,返回步骤3)。
所述的密封条的结构有限元模型采用Mooney-Rivlin模型。
所述的步骤5)中计算驾驶室的隔声量具体包括以下步骤:
51)将驾驶室外部声场定义为混响声场;
52)在驾驶室内部声场中设置一个吸声面,将声波无反射的吸收;
53)根据驾驶室外表面的面积计算入射声波的声功率Wi
式中:Prms为混响声场声压的均方根值,Si为驾驶室外表面的面积,ρ为空气的密度,c为声音的传播速度;
54)根据驾驶室内部声场中的吸收面计算透射声波的声功率Wo
式中:Prms为驾驶室内部声场吸收面各测点声压的均方根值,So为驾驶室内部声场吸收面的面积;
55)根据公式计算出驾驶室的隔声量TL。
所述的步骤6)中的设计要求为GB 16710-2010标准。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)在实际环境中,空气对于驾驶室板件的振动有反作用,本发明通过建立声固声三域耦合模型,充分考虑驾驶室内外声场对驾驶室板件振动的影响,能够准确的计算出驾驶室的隔声量;
(2)本发明在充分考虑内外声场作用的基础上,对密封条的材料、形状及其压缩量进行分析优化,有效地提高驾驶室的密封性能,达到降低驾驶室内部噪声的目的;
(3)通过本发明方法设计出的驾驶室结构具有良好的密封性能,不仅能够保证常规的结构性能,如刚强度特性、低阶振动特性等,而且具有较高的隔声性能。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图;
图2为本发明驾驶室总成的CAD模型示意图;
图3为本发明驾驶室外部声场的示意图;
图4为本发明驾驶室内部声场的示意图;
图5为本发明密封条非线性静态压缩示意图;
图6为本发明驾驶室外部混响室示意图;
图7为本发明驾驶室内部吸声面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示,一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法,所述的驾驶室包括驾驶室总成和密封条,所述的设计方法具体包括以下步骤:
1)通过测绘扫描点云等方法根据驾驶室的设计图纸建立驾驶室总成的CAD模型,在建立驾驶室CAD模型过程中,考虑到模型复杂程度以及对结果精度影响的情况下,对模型的局部进行一定的简化,即忽略对结果影响较小的局部凸台及倒角等,仅考虑驾驶室部分结构的内、外两层板,车门玻璃、侧围玻璃以及前风挡玻璃等,如图2所示。
然后采用有限元前处理软件Hypermesh对驾驶室总成的CAD模型进行网格划分,建立驾驶室总成有限元模型,模型主要采用壳单元建模,点焊采用CWELD模拟,缝焊采用刚性单元RBE2模拟。驾驶室总成中钢板材料参数为:密度为7.85×10-9t/mm3,弹性模量2e5MPa,泊松比0.3。玻璃的材料参数为:密度为2.4e-09t/mm3,弹性模量7.1e4Mpa,泊松比0.22。
2)基于驾驶室总成有限元模型建立驾驶室内部声场和驾驶室外部声场。驾驶室外部声场如图3所示,其中:1为驾驶室总成有限元模型,2所示的线框模型为建立的驾驶室外部声场。驾驶室内部声场如图4所示。
3)根据当前设计图纸中密封条的形状建立密封条的结构有限元模型,密封条的材料为橡胶,橡胶是一种超弹性材料,具有高度的非线性,本实施例中选取Mooney-Rivlin模型作为密封条结构有限元模型,该材料模型在模拟天然橡胶材料的中、小变形具有足够的准确度。
根据开闭件(车门、天窗等)的装配关系,以设定的压缩量对密封条进行非线性静态压缩,获得受压变形后的密封条有限元模型,如图5所示,其中:3为驾驶室天窗的有限元模型,4为受压变形后的密封条,5为驾驶室顶盖天窗口处的钢板的有限元模型。
4)将驾驶室总成有限元模型、驾驶室内部声场、驾驶室外部声场和受压变形后的密封条有限元模型进行耦合,建立声固声三域耦合模型。
5)根据步骤4)建立的声固声三域耦合模型计算驾驶室的隔声量,具体包括如下步骤:
51)将驾驶室外部声场定义为混响声场,本实施例中通过24个平面声波来形成混响声场,如图6所示;
52)在驾驶室内部声场中设置一个吸声面,将声波无反射的吸收,如图7所示,其中:6所示的外部线框模型为驾驶室内部声场,7所示的内部网格模型为吸声面;
53)根据驾驶室外表面的面积计算入射声波的声功率Wi
式中:Prms为混响声场声压的均方根值,Si为驾驶室外表面的面积,ρ为空气的密度,c为声音的传播速度;
54)根据驾驶室内部声场中的吸收面计算透射声波的声功率Wo
式中:P′rms为驾驶室内部声场吸收面各测点声压的均方根值,So为驾驶室内部声场吸收面的面积;
55)根据公式计算出驾驶室的隔声量TL。
6)判断当前驾驶室的隔声量TL是否满足设计要求,若是,则以当前设计图纸作为驾驶室最终结构输出,若否,则修改设计图纸中密封条的形状和压缩量,返回步骤3)。本实施例中的设计要求为GB 16710-2010标准。
本发明所提供的考虑舱外声场分析和密封性能的驾驶室结构设计方法是一种综合考虑结构设计、计算机辅助分析以及材料自身特性的一种新的设计方法,涵盖了结构设计、有限元分析技术、声固耦合分析技术、橡胶非线性静力分析技术等,这些分析方法的有效组合准确有效的对驾驶室的密封性能进行分析和优化。该方法在驾驶室总成密封性能分析中的推广将会极大提高设计质量和缩短设计周期。

Claims (3)

1.一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法,所述的驾驶室包括驾驶室总成和密封条,其特征在于,所述的设计方法在充分考虑内外声场作用的基础上,对密封条的材料、形状及其压缩量进行分析优化,包括以下步骤:
1)根据驾驶室的设计图纸建立驾驶室总成的CAD模型,并对其进行网格划分,建立驾驶室总成有限元模型;
2)基于驾驶室总成有限元模型建立驾驶室内部声场和驾驶室外部声场;
3)根据当前设计图纸中密封条的形状建立密封条的结构有限元模型,并以设定的压缩量对密封条进行非线性静态压缩,获得受压变形后的密封条有限元模型;
4)将驾驶室总成有限元模型、驾驶室内部声场、驾驶室外部声场和受压变形后的密封条有限元模型进行耦合,建立声固声三域耦合模型;
5)根据步骤4)建立的声固声三域耦合模型计算驾驶室的隔声量;
6)判断当前驾驶室的隔声量是否满足设计要求,若是,则以当前设计图纸作为驾驶室最终结构输出,若否,则修改设计图纸中密封条的形状和压缩量,返回步骤3);
所述的步骤5)中计算驾驶室的隔声量具体包括以下步骤:
51)将驾驶室外部声场定义为混响声场;
52)在驾驶室内部声场中设置一个吸声面,将声波无反射的吸收;
53)根据驾驶室外表面的面积计算入射声波的声功率Wi
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式中:Prms为混响声场声压的均方根值,Si为驾驶室外表面的面积,ρ为空气的密度,c为声音的传播速度;
54)根据驾驶室内部声场中的吸收面计算透射声波的声功率Wo
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式中:Prms为驾驶室内部声场吸收面各测点声压的均方根值,So为驾驶室内部声场吸收面的面积;
55)根据公式计算出驾驶室的隔声量TL。
2.根据权利要求1所述的一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法,其特征在于,所述的密封条的结构有限元模型采用Mooney-Rivlin模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于驾驶室隔声量分析的驾驶室设计方法,其特征在于,所述的步骤6)中的设计要求为GB 16710-2010标准。
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