矿车驾驶室的模态灵敏度分析及其结构优化

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M odel Sensitivity Analysis and Structural Optimization of the Tramcar CabZHANG Long，CHEN Jian(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：This article has set up the structural FE model of some mining locomotive by HyperMesh.The modal analysis iSmade by NASTRAN.A modal sensitivity analysis is performed through OptiStruct，based on the FEM structural andcoresponding sensitive area identifed.We set increasing the first torsional frequency of the cab as the main objective.Bymeans of the structure optimization，we improve the vibration character。

Key words：HyperMesh；NASTRAN；modal analysis；OptiStruct；model sensitivity；structural optimization车辆 NVH(Noise/Vibration/Harshness)技术是 以控制振动、噪声水平来满足用户 日益提高的安全保障和舒适乘坐环境的要求。在整车设计阶段，NVH性能成为重要参考指标。

板件等的振动对于 NVH性能有至关重要 的影响。模态分析作为振动工程理论 的-个分支 ，常被用来确定结构部件等的振动特性 ，即固有频率和振型。

模 态分析结果 为 NVH性能评估和后续开展各种动态结构设计方法提供了强有力的参数依据。

基于 CAE仿真技术的结构优化设计整体属于多学科技术综合的优化控制系统 ，常见种类有形貌优化、尺寸优化等，国内外的学者做过大量理论与实践 方面的研究工作 。

本课题 以某型号矿用 自卸汽车驾驶室为研究对象 ，采 用 Pro/E建 CAD模 型 ，如 图 1所 示 。 在HyperMesh中完成几何清理 、网格划分及相关参数设置前处理 。提交文件至 MSC.NASTRAN分析求解 ，获得驾驶室结构动态特性参数。

- 阶频率是评价驾驶室动态性能的-个重要指图 1 驾驶室 CAD模型标2Jo要 求驾驶 室的各阶固有频率远离外部激励源(如路面不平度 ，发动机 的工作运转 ，传动系的不平衡等)的频率，避免共振发生。

针对低阶模态频率过低、刚度不足的问题 ，用OptiStruct求解器作灵敏度分析高效快速选定影 响低阶关注模态的灵敏结构部件 ，将板件的厚度作 为设计变量，重新计算模态，结果表明低阶模态频率有了较大程度的提高。

1 有限元建模收稿 日期 ：2013-叭-180基80金10项202目01：10受80安10徽20 00重21大科技资助专项资助，项目编号： 有限元分析I I方法依托计算机技术和数值分析方： l n H r /J / /J n r 、]L l开 I/ x J I l且 /J J/J/设 计 -五矸究 汽车科技第3期2013年5月式中： 为单元节点位移矢量。

根据灵敏度的定义，对设计变量 i求偏倒，得：等 K善-等 等6-to2M等0(5 d id i0l戈； d ； d ； 、将上式左乘 ，由于K为对称矩阵，整理得到：等泐 6- 豢 (K6-to2M6)Ox，i Ox(6 d ； d ； ： 、由式知(1(6-to2Mt)T0代入(6)式简化为 ：2 6-toa - M6 、将振型 向量对质量矩阵做归～化处理 ，并对上式简化，结合 to2rf得到系统的固有频率对设计变量 的灵敏度关系式 ：善Ox南 等6上2 (8) j-8订 。 。 l。3.2 板厚对驾驶室-阶频率的灵敏度选容驶室的几个典型部件 (见表 3)的板块厚度为设计变量，运用 Optistruct求解器进行计算分析，以提高-阶模态频率为目标函数，质量上限为原来的 99%作为约束条件 ，即在不增加驾驶室重量的前提下改善振动特性，计算出-阶固有频率对板厚的灵敏度(见图6)。

8.O0E-027.o0E-026.00E-02型 5.00E-024.00E-023.00E-O22.OOE-021.O0E-02O.00E00- -- I l。

42 88 89 97 99 l12 113 253 l52 806 84图6 -阶模态频率对板厚灵敏度表 3 驾驶室部件部件 ID 部件名称42 顶盖外板88 左右侧嗣外板89 前 围板97 左右侧围内板99 顶盖 内板l12 前地板外侧113 后地板外侧253 地板内侧152 左右门内板806 左右门外板84 后围板· 4 ·由图 6、表 3可以看出，顶盖内板、地板 内侧、左右门内板等部件板厚的改变对驾驶室-阶模态频率影响较大。

4 优化分析尺寸优化是 Optistruct提供的-种优化设计方法，是在对模型的形状有了-定的设计思路后所进行的-种细节设计口纠，由灵敏度分析确定顶盖 内板 、地板 内侧和左右门内板为修改对象，采用不同厚度进行模态分析，兼顾生产成本，最终确定将项盖内板和左右 门内板厚度提高 1.5 mm，地板内侧厚度提高3 mil，重新计算模态频率如表4所示。

表 4 优化后各阶模态频率阶次 计算频率(Hz)1 4.482 O46E0l2 4.13O 358E013 4.447 785E014 4.978 533e015 4.476 290eOl6 7.439 303E017 6.200 334E0132 1.024 201E0236 1.085 O52EO251 1.234 338E025 结论介绍了驾驶室模型有限元分析的具体流程 ，用HyperMegh进行几何清理和网格划分，提交 MSC。

NASTRAN对模型求解、分析模态，进而通过灵敏度分析寻找到灵敏区域，这～分析思路与流程为后续其他的结构修改提供参考，具有-定实际意义。

针对驾驶室-阶模态频率(17.8 Hz)偏低的问题，利用灵敏构件的尺寸优化来指导驾驶室结构的改进与优化设计，进而提高驾驶室的动态特性♂合优化前后的结果对比，可见提出的方案可行，有效的实现了提高-阶模态频率(44.8 Hz)的目标。