基于模態(tài)分析的重型卡車后視鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邵林 李浩然 鄧超

摘 要：為改善后視鏡在重型卡車行駛過(guò)程中的抖動(dòng)，提高行車安全性，縮短某新型卡車研發(fā)周期，節(jié)省模具開(kāi)發(fā)及修改費(fèi)用，根據(jù)后視鏡不同結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)相結(jié)合的方式，按照“導(dǎo)入CAD模型—建立有限元模型—導(dǎo)入材料參數(shù)—建立約束—分析方案，察看結(jié)果”的流程，對(duì)重型卡車外后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)和材料后視鏡的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，為后視鏡的開(kāi)發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵字：后視鏡；有限元模型；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-135-04

Abstract： In order to improve the vibration of rear-view mirror of a heavy-duty truck in driving condition， enhance the safety of driving， shorten the period of development and decrease the cost of modification， combined with computer simulation approach， according to the process of “importing CAD model， establishing FEM model， assigning material properties， applying constraints， solving the cases， checking the results”， different structure of rear-view mirror are studied. By analyzing the vibration modes of rear-view mirror of different structure and material， a reliable and measurable proof is provided for the development of rear-view mirror.

Keywords： rear-view mirror； FEM model； vibration modes analysis

CLC NO.： U462.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-135-04

前言

在重型卡車行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和路面激勵(lì)的振動(dòng)通過(guò)車架前懸置及駕駛室懸置傳遞至駕駛室，引起車身的振動(dòng)，造成后視鏡不同程度的抖動(dòng)。嚴(yán)重的抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致駕駛員后方視線不清，易引發(fā)誤判，進(jìn)而發(fā)生交通事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，重型卡車后視鏡除了滿足國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)的要求，對(duì)后視鏡鏡面的曲率半徑、鏡面尺寸和安裝位置進(jìn)行合理選擇外，必須關(guān)注后視鏡的動(dòng)態(tài)特性。文章主要對(duì)重型卡車后視鏡的結(jié)構(gòu)形式與振動(dòng)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行研究。

1 后視鏡基本特征

重型卡車的后視鏡應(yīng)給駕駛員提供優(yōu)良的后視野，同時(shí)能根據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，而不會(huì)造成影像失真。重型卡車的后視鏡一般安裝在左右車門前部，為駕駛員提供左右后方的視野，為此外后視鏡的鏡片制成球面鏡。主鏡的曲率半徑為1200mm，失真率<3%；廣角鏡曲率半徑為300mm，失真率<3%。

2 后視鏡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

后視鏡與車身通過(guò)上固定座和下固定座連接，如圖1所示。

后視鏡總成結(jié)構(gòu)，如圖2所示。后視鏡總成由鏡片、后視鏡鏡體、后視鏡鏡座、內(nèi)部鑄鋁件、后視鏡后蓋、鏡臂后蓋、后視鏡上下支座、支座外裝飾板和下視攝像頭組成。

鏡片、鏡托板和轉(zhuǎn)向電機(jī)固定在后視鏡鏡體上，通過(guò)鏡臂與上、下支座連接，后視鏡后蓋和支座外裝飾板通過(guò)卡扣結(jié)構(gòu)安裝在后視鏡鏡體上及上、下支座上， 6個(gè)螺栓在車身連接螺栓預(yù)埋或安裝在后視鏡固定座分總成上，與車門連接。

決定后視鏡振動(dòng)模態(tài)的主要影響結(jié)構(gòu)是內(nèi)部鑄鋁件和上、下支座的結(jié)構(gòu)及材料。內(nèi)部鑄鋁件與后視鏡鏡座采用注塑一體結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。為提高上、下支座本體強(qiáng)度，一般采用內(nèi)部布置加強(qiáng)筋。

3 外后視鏡結(jié)構(gòu)的有限元模型描述

3.1 后視鏡有限元分析概述

重型卡車的行駛工況復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)及路面激勵(lì)時(shí)刻處于變化之中，使得后視鏡振動(dòng)在一個(gè)頻率范圍內(nèi)變化，為了避免后視鏡在車輛的行駛過(guò)程中發(fā)生共振，保證后視鏡的振動(dòng)在國(guó)家及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，就要對(duì)其固有頻率進(jìn)行控制。企業(yè)對(duì)后視鏡的設(shè)計(jì)規(guī)范中，要求進(jìn)行固有頻率測(cè)定。利用加速度傳感器布置在后視鏡及車身上，對(duì)后視鏡施加激振打擊，通過(guò)LMS SCADAS Mobile數(shù)采前端（64通道）模態(tài)信息采集器測(cè)定后視鏡的固有頻率。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：后視鏡一階模態(tài)頻率必須在15-18Hz。采用有限元分析的主要目的是在設(shè)計(jì)階段解決性能問(wèn)題，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)省試驗(yàn)和后續(xù)設(shè)計(jì)變更帶來(lái)的費(fèi)用。前處理軟件使用HyperMesh12.0，求解器使用Optistruct，后處理軟件使用HyperView 12.0。

3.2 模態(tài)分析有限元法

3.2.1 結(jié)構(gòu)離散化

該步驟與靜力分析完全相同，只是由于兩者分析內(nèi)容不同，對(duì)網(wǎng)格形式的要求有可能不一樣。例如，靜力分析時(shí)要求在應(yīng)力集中部位加密網(wǎng)格，但在動(dòng)態(tài)分析中，由于固有頻率和主振型主要與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布有關(guān)，因此它要求整個(gè)結(jié)構(gòu)采用盡可能均勻的網(wǎng)格形式。

3.2.2 單元分析

單元分析的任務(wù)仍是建立單元特性矩陣，形成單元特性方程。在動(dòng)態(tài)分析中，除剛度矩陣外，單元特性矩陣還包括質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣。采用虛位移原理建立單元特性矩陣。在動(dòng)載荷作用下，對(duì)于任一瞬時(shí)，設(shè)單元節(jié)點(diǎn)發(fā)生虛位移 ，則單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的虛位移 和虛應(yīng)變 。這時(shí)單元內(nèi)產(chǎn)生的虛應(yīng)變能為：

稱為單元節(jié)點(diǎn)載荷列陣，它是作用在單元上的體力、面力和集中力向單元節(jié)點(diǎn)移置的結(jié)果。

3.2.3 總體矩陣集成

總體矩陣集成的任務(wù)是將各單元特性矩陣裝配成整個(gè)結(jié)構(gòu)的特性矩陣，從而得到整體平衡方程，即：

結(jié)構(gòu)的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣均由單元的相應(yīng)矩陣集合而成。

3.3 Radioss的模態(tài)提取方法

Radioss軟件中的模態(tài)分析是線性分析，即在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的，任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略，它們將被當(dāng)作是線性的。例如，如果分析中包含了接觸單元，則系統(tǒng)取其初始狀態(tài)的剛度值并且不再改變此剛度值。但材料性質(zhì)可以是線性的或非線性的、各向同性的或正交各向異性的、恒定的或和溫度相關(guān)的。在進(jìn)行模態(tài)分析運(yùn)算時(shí)必須指定楊氏模量（EX）和密度（DENS）。

Radioss中可選擇的模態(tài)提取方法有7種：Subspace法、Block Lanczos（分塊Lanczos）法、PowerDynamiCS法、Reduced法、Unsymmetric法和Damped法和QRDamped。

在通常應(yīng)用中，我們一般選擇前四種方法即Subspace法、BlockLanczos法、Power Dynamics法及Reduced法。Unsymmetric法和Damped法和QRDamped法只是在特殊情形下才會(huì)用到。模態(tài)提取方法主要取決于模型的大小（相對(duì)于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力而言）和具體的應(yīng)用場(chǎng)合。綜合比較四種方法，由于車架的有限元模型含有較多的節(jié)點(diǎn)和單元。再結(jié)合模型與電腦硬件配置，本文選用分塊Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析。

3.4 后視鏡模態(tài)

后視鏡使用2階實(shí)體單元模擬，基本單元尺寸為3mm。鏡片、鏡托板和轉(zhuǎn)向電機(jī)采用集中質(zhì)量單元進(jìn)行建模，螺栓等連接使用RBE2 剛性單元模擬。后視鏡固定于車門有限元模型，如圖4所示。

后視鏡總質(zhì)量為5.26Kg，其中配重2.07Kg。

4 后視鏡模態(tài)結(jié)果

計(jì)算后視鏡模態(tài)，將后視鏡安裝在帶車門和前擋風(fēng)的白車身上，約束駕駛室懸置，計(jì)算其50Hz內(nèi)的模態(tài)結(jié)果，重點(diǎn)重點(diǎn)關(guān)注后視鏡一階模態(tài)頻率。計(jì)算后得到：右側(cè)后視鏡的一階模態(tài)為14.1Hz，如圖5所示。NVH試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量結(jié)果為14.5Hz，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差范圍在3%，圖6為測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。

5 結(jié)論

后視鏡作為重型卡車寬度方向上最外緣的產(chǎn)品，在車輛行駛過(guò)程中受車輛振動(dòng)影響最大。作為駕駛員觀察工具，后視鏡振動(dòng)直接影響到行車安全，所以在車輛研發(fā)初期應(yīng)重視后視鏡的振動(dòng)特性。通過(guò)CAE仿真分析，能在設(shè)計(jì)階段掌握重型卡車后視鏡的振動(dòng)模態(tài)，規(guī)避振動(dòng)問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)省模具修改的費(fèi)用，使后視鏡開(kāi)發(fā)周期得以縮短。后視鏡振動(dòng)模態(tài)分析只是NVH 問(wèn)題中的一部分，關(guān)于重型卡車后視鏡在行車中的噪聲仿真分析等方面還需要做進(jìn)一步探索。

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