仿真APP助力提升卡车驾驶室驾乘舒适度与安全性

驾驶室作为卡车的重要组成部分，其振动特性对于驾驶员的舒适度和长期健康具有至关重要的影响。振动不仅会导致驾驶员疲劳、分散注意力，还可能引发一系列健康问题。为了确保卡车在复杂路面工况下驾驶室结构不受破坏，并保持良好的NVH性能，驾驶室的结构动力学设计必须满足扫频振动环境的要求。

图1 卡车驾驶室结构

卡车驾驶室遭受的正弦振动激励主要来源包括路面不平度、发动机振动、传动系统振动、轮胎不平衡等。为确保驾驶室结构在受外部（正弦）激励下保持良好的振动特性和驾乘舒适性，需要对驾驶室结构进行相关的动力学设计和性能验证，扫频振动环境试验和谐响应仿真是两种重要的设计验证手段。

其中，谐响应仿真是一种数值模型的动力学频域计算技术，是对应于扫频振动试验的虚拟手段，用科学模拟的方法来评估结构在承受简谐（正弦或余弦）载荷作用下的稳态响应，帮助工程师预测结构的动力学行为，并优化设计以避免共振、疲劳损伤等不良后果。

图2 谐响应仿真分析

本案例基于伏图隐式结构分析功能对某卡车驾驶室结构谐响应分析，并对仿真流程进行快速封装，形成专用的卡车驾驶室结构谐响应分析仿真APP工具，可加速产品谐响应性能评估和动力学设计迭代，并替代部分正弦振动环境试验。

本仿真APP可实现：

• 考察驾驶室金属材料属性对模态特性及谐响应结果的影响；

• 考察不同量级扫频激励载荷下，结构的谐响应分析结果，为驾驶室结构局部加强设计提供依据；

• 考察不同阻尼值对谐响应分析结果的影响，为阻尼性能设计提供依据。

以下详细介绍卡车驾驶室结构谐响应分析及其仿真APP工具制作方法。

1. 仿真流程搭建

1) 几何导入

创建伏图隐式结构分析工程，导入驾驶室结构几何模型（.stp）。

图3 导入几何模型

2) 材料定义和赋予

驾驶室结构选用常规金属铁的材质，其密度为7829kg/m^3，杨氏模量为207GPa,泊松比为0.288。本案例中的驾驶室结构模型是壳结构，所以在材料赋予之前需预设其壳截面厚度。

图4 材料定义和赋予

3) 网格剖分

对驾驶室结构进行网格剖分，本案例均采用一阶三角形单元剖分。

图5 网格剖分

4) 耦合连接创建

驾驶室结构底部与车架有4个安装连接孔，为方便后续边界条件的施加，这里创建了耦合连接（边界条件约束点）。

图6 四个连接孔的耦合连接创建

5) 边界约束

对安装孔的耦合连接点进行六个自由度全约束定义。

图7 边界约束

6) 创建频率分析载荷步

本案例使用模态叠加法进行随机振动分析，因此首先进行频率（模态）分析，用于提取频率分析的固有频率和模态振型结果。

图8 频率分析载荷步创建和设置

通过模态计算，获取了驾驶室结构前70阶固有模态特性，包括模态频率和模态振型。

驾驶室结构模态分析结果如下：

图9 前70阶模态频率列表

图10 模态振型

7) 创建谐响应分析载荷步

谐响应分析载荷激励参照扫频振动环境试验的载荷谱，如下图所示：

图11 正弦扫频幅值-频率曲线

通常，在实际的扫频振动环境试验中，会设置1~2个交越频率点。本案例中采用1个交越点的加速度扫频曲线激励，在交越点以下采用定位移控制，幅值为0.05mm。交越频率为100Hz，在交越点以上采用定加速度控制，交越频率点的加速度幅值通过下面公式计算得到为19.7392m/s^2。

对应于伏图谐响应仿真分析，这里创建2个谐响应分析步，第一个谐响应分析步，模拟中低频（20Hz~100Hz）的定位移扫频加载，位移幅值为0.05mm；第二个谐响应分析步，模拟中高频（100Hz~1000Hz）的定加速度扫频加载，加速度幅值为19.7392m/s^2。

图12 谐响应分析步-1（定位移）

图13 谐响应分析步-2（定加速度）

8) 谐响应结果评估

伏图谐响应分析可输出位移云图、速度云图、加速度云图以及应力云图等，且谐响应分析结果有其明显特点，即每个频率点的谐响应结果，会分为实部和虚部两个结果。

图14 谐响应分析（435.629Hz）位移结果-实部

图15 谐响应分析（435.629Hz）位移结果-虚部

图16 交越频率点（100Hz）加速度响应的一致性

选取驾驶舱结构上的三个观测点，其中，点1位于驾驶室后部立柱中间位置，点2位于驾驶室结构顶部中间位置，点3位于驾驶室底板前排连接孔位置。输出其Mises应力（虚部）的频域曲线，如下所示：

图17 观测点1、2、3的Mises应力（虚部）频域曲线

从图17可看出，在100Hz~1000Hz的定加速度扫频激励下，驾驶室结构上观测点1、2、3的Mises应力（虚部）的频域曲线有如下结论：

1） 观测点3的Mises应力（虚部）水平＞观测点1＞观测点2；

2） 三个观测点的Mises应力（虚部）频域曲线具有相似峰值特征，即当频率接近或等于结构的模态固有频率时，Mises应力的虚部出现明显的峰值。

3） 三个观测点的Mises应力（虚部）最大值出现在同一频率206.349Hz处，该频率也是结构的第4阶固有模态频率；

图18 谐响应分析（206.349Hz）应力结果-虚部

图19 参数设定与关联

2) APP封装

创建参数表单、图形表单及表单，通过鼠标拖拉拽的方式完成卡车驾驶室结构谐响应分析仿真APP的封装。

图20 APP封装

本案例能够快速预测驾驶室在扫频激励下振动响应，通过无代码化的开发环境快速生成仿真APP，帮助产品快速进行谐响应评估和动力学设计迭代，同时替代部分正弦振动环境试验，节约研发成本。

预测振动响应：在设计阶段就预测出驾驶室在不同频率激励下的振动响应情况，有助于设计师提前识别潜在的振动问题区域，并采取相应的优化措施。

提升驾驶舒适性：减少驾驶室内的振动和噪音水平，提高驾驶员的驾驶舒适性，降低长时间驾驶带来的疲劳感，提高驾驶安全性；

优化结构设计：基于仿真结果，对驾驶室的结构设计进行迭代优化，比如调整材料分布、增强结构刚度或改变连接方式等，以达到更好的振动控制效果；

节约研发成本：传统的正弦振动环境试验需要耗费大量的人力、物力和时间，而在虚拟环境中模拟试验条件，能快速评估驾驶室的振动性能，从而减少对物理原型的需求。

图21 谐响应分析步-2（中高频）加速度结果-虚部

相较于传统CAE仿真软件，基于伏图开发的仿真APP更加灵活易用，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。欢迎访问工业仿真APP商店Simapps，在线体验面向各种产品和场景的仿真APP。