基于载荷谱的驾驶室随机振动疲劳仿真分析

兼济天下

1、引言
某型工程车辆主要在复杂的矿区工作，行驶条件恶劣，相较于道路用车，对自身结构强度的要求更高。在崎岖不平的道路上行驶时，驾驶室产生振动的主要激励源来自路面随机振动或发动机的振动激励，当外界激振频率与驾驶室系统的固有频率接近时，会使驾驶室产生共振，本文对标驾驶室随机振动台架试验，基于Abaqus驾驶室有限元分析模型，获得了驾驶室的固有振动模态；并根据驾驶室受到的随机振动冲击情况，选取25km/h主要空载工况的载荷谱进行随机振动分析。以此结果为前提，结合驾驶室板材各材料S-N曲线和疲劳累计损伤理论，利用Duty Cycle分析方法，进行多轴随机振动疲劳强度分析。

2、驾驶室有限元模型
车辆是一个相对比较复杂的振动系统，根据分析的具体问题进行简化。该驾驶室系统结构振动可简化为单质量系统的振动，驾驶室作为单质量系统，其与车架之间的衬套连接为刚性连接，其理论模型如图1所示。

图1 驾驶室振动模型

其中，m为车身质量，k为衬套刚度，q为驾驶室的外部激励，z为输出的驾驶室随机振动响应，由于该驾驶室与车架连接处无橡胶悬置，故在此处不考虑阻尼带来的影响，只在频率响应分析时，加入结构阻尼。

驾驶室作为主要研究对象，建立其详细的结构模型，包括骨架、蒙皮、门窗、内饰、外饰、铰接链等连接。驾驶室的主体结构采用shell单元进行建模，如等壁厚的蒙皮和主体框架，座椅、仪表、内饰、灯等挂件采用质量点单元代替。

整个驾驶室三维模型经过有限元网格划分后，共有约140万个shell单元，19个质量点单元，1个衬套单元，用于模拟门锁不同方向刚度、5个梁单元，用于模拟铰链部位的旋转轴，如图2所示。

图2 驾驶室有限元模型

3、模态分析理论
对驾驶室进行模态分析，可以通过前几阶主要振型，初步判断驾驶室局部结构易被激励部位，有针对性的改进驾驶室结构，从而提高驾驶室整体和局部的结构刚度，减小局部振动，提升驾驶员的舒适性。同时根据经验，驾驶室1阶扭转固有频率是衡量驾驶室设计水平的一个重要指标，在尺寸、质量相近的情况下，第一阶固有频率越高，说明驾驶室整体或局部刚度越高，不易被外部载荷激励，设计也越合理。

无阻尼模态分析控制方程：

有阻尼模态分析控制方程：

理论模态分析是根据网格化的材料特征，得到的质量<M>和刚度<K>的矩阵。基于有限元的模态分析，其自由度远远大于试验模态分析，但对应的模态振型和对应点的振动形态，是与实际形态试验形态保持一致的。

基于Abaqus软件进行的驾驶室模态分析为线性分析，任何非线性单元都会被忽略，由于驾驶室自身结构特点，整体骨架均采用shell单元建模，故进行模态分析时，适合采用Lanczos方法进行模态分析，Lanczos方法比其它分析方法求解速度更快，节省计算资源。

由模态分析结果可知，该驾驶室前六阶模态如表1所示。

表1 驾驶室前六阶固有频率

由表1可知，该驾驶室第一阶频率为13.1Hz，为车门扭转振型，第三阶频率仍位于车门处，由频率和振型结果可知，车门部位刚度较弱，振型易被激励，如图3所示。

图3 驾驶室主要振型

通过以上模态分析结果，可以对驾驶室的动力学特性有一定了解，为后续的频响分析打下基础。

4、频率响应分析
通常所指的频响函数，是结构的输出响应和输入激励力之比，同时测量激励力和由该激励力引起的结构响应，将测量到的时域数据通过快速傅里叶变换从时域转换为频域，经过变换，频率响应函数呈现为复数形式，包括实部和虚部，也可以叫做幅值和相位。频率响应分析的幅值是由输出响应位置的模态振型值乘以输入激励位置的模态振型值控制的。

在频率响应分析步中，提取前50阶模态，分别对每一阶模态进行单位载荷激励，通常结构阻尼设置为0.05，进行频率响应分析，得到各阶模态的频率响应函数。

5、载荷谱数据采集和处理
在驾驶室悬置位置及驾驶室重心位置，应用传感器测量对应的振动信号，该型车空载行驶速度较低，约25km/h，将在该行驶速度下测得的空载激励信号。试验采集的空载信号为一个运货周期的信号，需截取该段时域信号内振动恶劣的某段，作为台架振动和仿真分析的载荷输入。

图4 X、Y、Z三向功率谱密度曲线

随机振动激励常采用功率谱密度表示，通过实际测量的时域载荷谱，经Ncode软件可转化为PSD功率谱密度，如图4所示。然后进行驾驶室不同方向的随机振动分析，计算三向随机振动的累积损伤。

6、多轴随机振动疲劳损伤分析
随机载荷下的各种结构的疲劳寿命评估，是工程上普遍关注的问题。对于一个振动系统，其输入称之为振源或激励，系统所产生的振动称为对输入的响应。随机振动无法通过时间函数来描述，需要在频域范围内，对振动进行随机概率描述，因此引入功率谱密度（PSD），作为随机振动载荷输入。

随机振动分析基于Miner线性累计损伤理论，认为试样所受不同方向的载荷所造成的损伤无先后次序，可依次进行累积叠加。在该分析中，由于振动试验台无法进行多轴加载，只能依次进行单个轴向的载荷加载，故在仿真分析时，只考虑单一方向载荷的单独作用，然后将多个方向计算的损伤累计叠加，得到驾驶室的总损伤即可。

图5 Ncode随机振动分析流程

根据Ncode经典五框图，利用随机振动分析模块及Duty Cycle方法，对驾驶室进行x、y、z三个方向载荷的加载，并计算三向随机振动的累计损伤。

7、试验结果与仿真结果对标
驾驶室经过振动台三向振动测试，主要故障包括：

1）驾驶室门锁部位损坏严重

原因分析：驾驶室前6阶主要振型中，有2阶频率的主要振型位于车门处，说明车辆在实际行驶过程中，车门处很容易被激励，由于车门主要由两个铰链和一个门锁，形成三角约束状态，门锁部位单一支撑，易造成门锁损坏。

改善措施：增加车门阻尼和限位装置，增加门锁孔位，加强车门关闭时的约束，分散载荷。

2）驾驶室前围焊接部位焊点开裂

原因分析：开裂部位位于前围边缘，该处焊接结构需要优化。

改善措施：焊接处增加焊点数量，并在前围边缘粘胶，增强前围与主题框架之间的结合强度。

3）驾驶室支架部位开裂

原因分析：驾驶室焊接过程中，部分加强筋没有完全焊劳，导致结构缺少支撑，结构偏弱，在振动过程中造成支架开裂。

改善措施：将加强筋部位焊接牢固，提高该处的结构强度。

8、结论
根据驾驶室受路面随机振动激励影响，获取车辆行驶过程中的实际路面载荷谱激励，并通过快速傅里叶变换，转化为不同方向的功率谱密度。利用HyperMesh进行驾驶室有限元模型建模，基于Abaqus软件和Lanczos方法，进行驾驶室模态分析，并提取驾驶室各阶模态频率响应函数，依据Miner线性疲劳累计损伤理论，对驾驶室进行多轴随机振动疲劳损伤分析，该套分析流程成功验证了驾驶室的结构薄弱环节。同时，此次分析也充分证明模态振型对驾驶室振动的影响，在今后的设计和验证过程中，对驾驶室进行模态分析，分析各阶模态频率及固有振型是十分必要的，有利于了解驾驶室固有动力学属性，提前发现问题，为驾驶室的结构设计与改进奠定理论基础，节省驾驶室研发周期和成本。