CN107818216B - 车辆驾驶室车架结构优化方法 - Google Patents

车辆驾驶室车架结构优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明旨在提供一种车辆驾驶室车架结构优化方法，包括以下步骤：A、构建传递路径分析模型，获取振动路径贡献量，确定车架目标路径；B、对实体模型输入预设激励进行测试，得到实测加速度值；构建有限元模型，得到仿真加速度值与各个方向仿真误差系数；C、设定实际优化总目标加速度值，计算实际结构优化目标加速度值；预设误差优化参数，计算总削减目标值并进行分解；计算仿真结构优化目标加速度值；D、构建等效切削率模型，计算车架目标路径的加速度目标值；E、对有限元模型的优化区域进行拓扑优化，得到优化后的驾驶室‑车架结构的有限元模型。该方法克服现有技术优化不全面、盲目性大的缺陷，具有针对性强、优化效率高的特点。

Description

车辆驾驶室车架结构优化方法
技术领域
本发明涉及车辆结构设计领域，具体涉及一种车辆驾驶室车架结构优化方法。
背景技术
低速载重货车因其性价比高而受到广泛欢迎，其特点是：适应性强、载重量大、在农村土路和泥泞路等较为恶劣的情况仍能保持很好的可靠性。但随着生活水平的不断提高，人们在注重性价比和可靠性的同时，对舒适性也提出了更高的要求。用户反映方向盘的抖动容易使驾驶者对方向的掌控感降低；仪表盘的振动使驾驶者更难看清车辆的运行数据；座椅的振动容易造成驾驶者的疲劳；而倒车镜的振动剧烈容易造成驾驶者对车外的情形产生误判。另外，根据该企业技术人员反映，该车驾驶室有数处容易产生振动裂纹。因此，该型号低速载重货车的振动问题需要加以控制。
低速载重货车的振动优化通常采用发动机悬置优化以及驾驶室-车架结构优化，目前现有的驾驶室-车架结构优化时，没有考虑到振动的传递路径，且没有分解总体目标，具有以下缺陷：
1、若不考虑振动路径，可能会导致目标点的振动降低，但是问题传递路径仍然没有改善，局部路径容易发生问题，无法提升整体性能；
2、若不考虑分解目标，对于一个整体系统而言，无法有针对性的进行优化。
发明内容
本发明旨在提供一种车辆驾驶室车架结构优化方法，该方法克服现有技术优化不全面、盲目性大的缺陷，具有针对性强、优化效率高的特点，从根本上解决振动问题。
本发明的技术方案如下：
一种车辆驾驶室车架结构优化方法，包括以下步骤：
A、对待优化的驾驶室-车架结构实体构建振动传递路径分析模型，以驾驶员座椅为响应点，分别构建总系统振动传递路径分析模型、车架子系统振动传递路径分析模型和驾驶室子系统振动传递路径分析模型，进行测试，获得总系统和两个子系统的传递函数和工况数据，分析总系统和两个子系统中的各个传递路径的振动贡献量和各频率响应，确定总系统和两个子系统中贡献量较大的振动路径和关键频率，作为优化目标路径；
B、建立待优化的驾驶室-车架结构的有限元模型，根据实体的振动传递路径分析模型，在有限元模型建立虚拟振动传递路径分析模型，同样分为总系统振动传递路径分析模型、车架子系统振动传递路径分析模型和驾驶室子系统振动传递路径分析模型，计算得到虚拟路径振动贡献量，确定虚拟振动传递路径分析模型中贡献量较大的振动路径，即虚拟测试路径；确保优化目标路径与虚拟测试路径一致，否则重新建立虚拟振动传递路径分析模型；
分别对响应点X向、Y向和Z向的加速度实测值与仿真值进行对比，分别求出对应的误差率，加1后作为仿真误差系数；
C、设定驾驶室-车架结构优化总目标，并将其与加速度实测值计算总削减目标值；利用等效削减的方式，将总削减目标值分解为驾驶室子系统的削减目标值与车架子系统的削减目标值；驾驶室-车架结构优化总目标乘以仿真误差系数得到仿真优化总目标；
D、对优化目标路径构建等效消减率模型，得到优化目标路径分别对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；结合上述等效削减率与车架子系统的削减目标值进行计算得到优化目标路径的加速度目标值；
E、在待优化的驾驶室-车架结构的有限元模型中确定优化区域和非优化区域，优化区域确定时要避开具有结构功能性的部位，对优化区域的厚度进行优化，计算优化后结构的响应点的X向、Y向和Z向的加速度值以及优化目标路径的加速度值；
若上述结果满足优化达标条件，则优化完成，得到优化后的驾驶室-车架结构的有限元模型的优化区域厚度图；
若上述结果不满足优化达标条件，则持续进行优化，直至响应点的X向、Y向和Z向的加速度值以及车架目标路径的加速度值满足优化达标条件。
优选地，所述的步骤C具体为：
C1、根据需求设定驾驶室-车架结构优化总目标：响应点的X向、Y向和Z向的实际优化总目标加速度值；
C2、预设误差优化参数，将驾驶室-车架结构优化总目标与响应点的X向、Y向和Z向的实测加速度值的差值乘以误差优化参数得到响应点的X向、Y向和Z向的总削减目标值；
C3、将响应点的X向、Y向和Z向的总削减目标值根据比例分解为驾驶室子系统等效削减目标值与车架子系统等效削减目标值，驾驶室子系统等效削减目标值大于车架子系统等效削减目标值，所述的比例大小范围为7/3-6/4；
C4、将驾驶室-车架结构优化总目标乘以仿真误差系数得到仿真优化总目标：响应点的X向、Y向和Z向的仿真化目标加速度值。
优选地，所述的步骤D具体为：
D1、通过优化目标路径的悬置传递率、振动贡献率、相位贡献率的乘积构建等效消减率模型，得到优化目标路径分别对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；
等效消减率Km的计算如下：Km＝K1K2K3；
其中Km为优化目标路径对于响应点的各方向的等效消减率，K1为优化目标路径对于响应点的各方向是悬置传递率；K2为振动贡献率，为优化目标路径点振动量与其对响应点各方向的贡献量之比；所述的K3为车架目标路径的相位贡献率，为车架目标路径贡献相位与响应点的相位差的余弦绝对值；
D2、构建优化目标路径的等效削减率与车架子系统等效削减目标值的关系式；
其中Wi为优化目标路径的加速度预期削减量，i为车架目标路径的数量；Vix、Viy、Viz分别为第i个优化目标路径对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；Gx、Gy、Gz分别为响应点的X向、Y向和Z向的车架子系统等效削减目标值；
对式(1)进行求解，求出满足式(1)的加速度预期削减量中的最小值，用优化目标路径的优化前实测振动加速度减去(1)式计算得到的加速度预期削减量的最小值即可得到优化目标路径的加速度目标值。
优选地，所述的步骤E中的对优化区域的厚度进行优化具体为：
预设各驾驶室-车架结构的有限元模型的优化区域的厚度范围，在厚度范围内对优化区域的厚度进行拓扑优化。
优选地，所述的步骤E中的优化达标条件是指响应点的X向、Y向和Z向的加速度值分别低于对应的响应点的X向、Y向和Z向的仿真结构优化目标加速度值，且优化目标路径的加速度值分别不超过优化目标路径的加速度目标值的1.15倍。
优选地，所述的优化区域为车顶盖、后板和发动机前悬置安装横梁的区域。
本发明的有益效果如下：
1、通过将优化技术与前期传递路径分析结果相结合，驾驶室响应点的振动达到了预期目标，且相关问题振动路径也得到了优化，被优化的车辆的振动问题得到了综合改善；
2、本发明使用拓扑优化技术，结合前面多级TPA的分析结果，确定了明确的目标和约束条件，既优化了目标点的振动，又优化了问题路径，针对性强，克服了以往的优化盲目性大、效率低下，甚至此消彼长，无法从根本上解决振动问题的缺点。
3、独创了目标分解和等效消减相结合，将系统级的目标分解到驾驶室与车架子系统，进而对驾驶室与车架结构进行优化，通过最少和最易于加工制造的改进方式，实现最大、同时最经济的减振效果。
具体实施方式
下面结合实施例具体说明本发明。
实施例1
本实施例的车辆驾驶室车架结构优化方法包括以下步骤：
A、对待优化的驾驶室-车架结构实体构建振动传递路径分析模型，以驾驶员座椅为响应点，分别构建总系统振动传递路径分析模型、车架子系统振动传递路径分析模型和驾驶室子系统振动传递路径分析模型，进行测试，获得总系统和两个子系统的传递函数和工况数据，分析总系统和两个子系统中的各个传递路径的振动贡献量和各频率响应，确定总系统和两个子系统中贡献量较大的振动路径和关键频率，作为优化目标路径；
本实施例进行传递路径分析后，驾驶室后右悬X向主动侧与驾驶室后右悬Z向主动侧这2个路径对驾驶室影响较大，且优化空间较大，优化性价比高，因此将它们作为优化目标路径；
B、建立待优化的驾驶室-车架结构的有限元模型，根据实体的振动传递路径分析模型，在有限元模型建立虚拟振动传递路径分析模型，同样分为总系统振动传递路径分析模型、车架子系统振动传递路径分析模型和驾驶室子系统振动传递路径分析模型，计算得到虚拟路径振动贡献量，确定虚拟振动传递路径分析模型中贡献量较大的振动路径，即虚拟测试路径；确保优化目标路径与虚拟测试路径一致，否则重新建立虚拟振动传递路径分析模型；
分别对响应点X向、Y向和Z向的加速度实测值与仿真值进行对比，分别求出对应的误差率，加1后作为仿真误差系数；
本实施例预设激励通过实测实验获取，响应点的X向、Y向和Z向的实测加速度值以及仿真加速度值如表1所示；可计算得到X向仿真误差系数为1.21，Y向仿真误差系数为1.27，Z向仿真误差系数为1.23；
表1实测与仿真加速度表
C、设定驾驶室-车架结构优化总目标，并将其与加速度实测值计算总削减目标值；利用等效削减的方式，将总削减目标值分解为驾驶室子系统的削减目标值与车架子系统的削减目标值；驾驶室-车架结构优化总目标乘以仿真误差系数得到仿真优化总目标；
所述的步骤C具体为：
C1、根据需求设定驾驶室-车架结构优化总目标：响应点的X向、Y向和Z向的实际优化总目标加速度值；
C2、预设误差优化参数，本实施例设为1.4，将驾驶室-车架结构优化总目标与响应点的X向、Y向和Z向的实测加速度值的差值乘以误差优化参数得到响应点的X向、Y向和Z向的总削减目标值；
C3、将响应点的X向、Y向和Z向的总削减目标值根据比例分解为驾驶室子系统等效削减目标值与车架子系统等效削减目标值，驾驶室子系统等效削减目标值大于车架子系统等效削减目标值，所述的比例大小范围为7/3-6/4；本实施例选用比例为6/4；具体参数如表2所示；
表2
C4、将驾驶室-车架结构优化总目标乘以仿真误差系数得到仿真优化总目标：响应点的X向、Y向和Z向的仿真化目标加速度值；具体参数如表3所示；
表3
D、对优化目标路径构建等效消减率模型，得到优化目标路径分别对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；结合上述等效削减率与车架子系统的削减目标值进行计算得到优化目标路径的加速度目标值；
所述的步骤D具体为：
D1、通过优化目标路径的悬置传递率、振动贡献率、相位贡献率的乘积构建等效消减率模型，得到优化目标路径分别对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；
等效消减率Km的计算如下：Km＝K1K2K3；
其中Km为优化目标路径对于响应点的各方向的等效消减率，K1为优化目标路径对于响应点的各方向是悬置传递率；K2为振动贡献率，为优化目标路径点振动量与其对响应点各方向的贡献量之比；所述的K3为车架目标路径的相位贡献率，为车架目标路径贡献相位与响应点的相位差的余弦绝对值；
优化目标路径对各方向的悬置传递率、振动贡献率、相位贡献率均可由传递路径分析计算得到，优化目标路径对各方向等效消减率如表4所示；
表4
等效削减率 X向 Y向 Z向
驾驶室后右悬X向主动侧 0.27 0.24 0.12
驾驶室后右悬Z向主动侧 0.3 0.2 0.1
D2、构建优化目标路径的等效削减率与车架子系统等效削减目标值的关系式；
其中Wi为优化目标路径的加速度预期削减量，i为车架目标路径的数量，本实施例i＝2；Vix、Viy、Viz分别为第i个优化目标路径对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；Gx、Gy、Gz分别为响应点的X向、Y向和Z向的车架子系统等效削减目标值；
对式(1)进行求解，求出满足式(1)的加速度预期削减量中的最小值：驾驶室后右悬X向主动侧的加速度预期削减量为0.5m/s2，驾驶室后右悬Z向主动侧车架预期削减量为0.5m/s2；
用优化目标路径的优化前实测加速度减去(1)式计算得到的优化目标路径的加速度预期削减量的最小值，即可得到驾驶室后右悬X向主动侧的加速度目标值为0.6m/s2，驾驶室后右悬Z向主动侧车架目标值为0.8m/s2；
E、在待优化的驾驶室-车架结构的有限元模型中确定优化区域和非优化区域，优化区域确定时要避开具有结构功能性的部位，预设各驾驶室-车架结构的有限元模型的优化区域的厚度范围，在厚度范围内对优化区域的厚度进行拓扑优化，计算优化后结构的响应点的X向、Y向和Z向的加速度值以及优化目标路径的加速度值；
若上述结果满足优化达标条件，则优化完成，得到优化后的驾驶室-车架结构的有限元模型的优化区域厚度图；
若上述结果不满足优化达标条件，则持续进行优化，直至响应点的X向、Y向和Z向的加速度值以及优化目标路径的加速度值满足优化达标条件；
所述的步骤E中的优化达标条件是指响应点的X向、Y向和Z向的加速度值分别低于对应的响应点的X向、Y向和Z向的仿真结构优化目标加速度值，且优化目标路径的加速度值分别不超过优化目标路径的加速度目标值的1.15倍；
本实施例的优化区域为车顶盖、后板和发动机前悬置安装横梁；车顶盖厚度范围为1.5mm-3.5mm，后板厚度范围为1mm-3mm，发动机前悬置安装横梁厚度范围为7mm-14mm；
本实施例采用LMS设备及LMS Test.Lab软件获取传递函数和工况数据；采用Hyperworks软件和LMS Virtual Lab软件进行有限元模型建立、优化以及传递路径分析。
本实施例得到的优化参数结果如表5所示：
表5

Claims (5)

1.一种车辆驾驶室车架结构优化方法，其特征在于包括以下步骤：
A、对待优化的驾驶室-车架结构实体构建振动传递路径分析模型，以驾驶员座椅为响应点，分别构建总系统振动传递路径分析模型、车架子系统振动传递路径分析模型和驾驶室子系统振动传递路径分析模型，进行测试，获得总系统和两个子系统的传递函数和工况数据，分析总系统和两个子系统中的各个传递路径的振动贡献量和各频率响应，确定总系统和两个子系统中贡献量较大的振动路径和关键频率，作为优化目标路径；
B、建立待优化的驾驶室-车架结构的有限元模型，根据实体的振动传递路径分析模型，在有限元模型建立虚拟振动传递路径分析模型，同样分为总系统振动传递路径分析模型、车架子系统振动传递路径分析模型和驾驶室子系统振动传递路径分析模型，计算得到虚拟路径振动贡献量，确定虚拟振动传递路径分析模型中贡献量较大的振动路径，即虚拟测试路径；确保优化目标路径与虚拟测试路径一致，否则重新建立虚拟振动传递路径分析模型；
分别对响应点X向、Y向和Z向的加速度实测值与仿真值进行对比，分别求出对应的误差率，加1后作为仿真误差系数；
C、设定驾驶室-车架结构优化总目标，并将其与加速度实测值计算总削减目标值；利用等效削减的方式，将总削减目标值分解为驾驶室子系统的削减目标值与车架子系统的削减目标值；驾驶室-车架结构优化总目标乘以仿真误差系数得到仿真优化总目标；
D、对优化目标路径构建等效消减率模型，得到优化目标路径分别对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；结合上述等效削减率与车架子系统的削减目标值进行计算得到优化目标路径的加速度目标值；
所述的步骤D具体为：
D1、通过优化目标路径的悬置传递率、振动贡献率、相位贡献率的乘积构建等效消减率模型，得到优化目标路径分别对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；
等效消减率Km的计算如下：Km＝K1K2K3；
其中Km为优化目标路径对于响应点的各方向的等效消减率，K1为优化目标路径对于响应点的各方向是悬置传递率；K2为振动贡献率，为优化目标路径点振动量与其对响应点各方向的贡献量之比；所述的K3为车架目标路径的相位贡献率，为车架目标路径贡献相位与响应点的相位差的余弦绝对值；
D2、构建优化目标路径的等效削减率与车架子系统等效削减目标值的关系式；
其中Wi为优化目标路径的加速度预期削减量，i为车架目标路径的数量；Vix、Viy、Viz分别为第i个优化目标路径对于响应点的X向、Y向和Z向的等效削减率；Gx、Gy、Gz分别为响应点的X向、Y向和Z向的车架子系统等效削减目标值；
对式(1)进行求解，求出满足式(1)的加速度预期削减量中的最小值，用优化目标路径的优化前实测振动加速度减去(1)式计算得到的加速度预期削减量的最小值即可得到优化目标路径的加速度目标值；
E、在待优化的驾驶室-车架结构的有限元模型中确定优化区域和非优化区域，优化区域确定时要避开具有结构功能性的部位，对优化区域的厚度进行优化，计算优化后结构的响应点的X向、Y向和Z向的加速度值以及优化目标路径的加速度值；
若上述结果满足优化达标条件，则优化完成，得到优化后的驾驶室-车架结构的有限元模型的优化区域厚度图；
若上述结果不满足优化达标条件，则持续进行优化，直至响应点的X向、Y向和Z向的加速度值以及车架目标路径的加速度值满足优化达标条件。
2.如权利要求1所述的车辆驾驶室车架结构优化方法，其特征在于：
所述的步骤C具体为：
C1、根据需求设定驾驶室-车架结构优化总目标：响应点的X向、Y向和Z向的实际优化总目标加速度值；
C2、预设误差优化参数，将驾驶室-车架结构优化总目标与响应点的X向、Y向和Z向的实测加速度值的差值乘以误差优化参数得到响应点的X向、Y向和Z向的总削减目标值；
C3、将响应点的X向、Y向和Z向的总削减目标值根据比例分解为驾驶室子系统等效削减目标值与车架子系统等效削减目标值，驾驶室子系统等效削减目标值大于车架子系统等效削减目标值，所述的比例大小范围为7/3-6/4；
C4、将驾驶室-车架结构优化总目标乘以仿真误差系数得到仿真优化总目标：响应点的X向、Y向和Z向的仿真化目标加速度值。
3.如权利要求1所述的车辆驾驶室车架结构优化方法，其特征在于：
所述的步骤E中的对优化区域的厚度进行优化具体为：
预设各驾驶室-车架结构的有限元模型的优化区域的厚度范围，在厚度范围内对优化区域的厚度进行拓扑优化。
4.如权利要求1所述的车辆驾驶室车架结构优化方法，其特征在于：
所述的步骤E中的优化达标条件是指响应点的X向、Y向和Z向的加速度值分别低于对应的响应点的X向、Y向和Z向的仿真结构优化目标加速度值，且优化目标路径的加速度值分别不超过优化目标路径的加速度目标值的1.15倍。
5.如权利要求1所述的车辆驾驶室车架结构优化方法，其特征在于：
所述的优化区域为车顶盖、后板和发动机前悬置安装横梁的区域。
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