CAE在叉车方向盘振动控制中的研究与应用

1 概述

随着人们的环保意识和对驾驶舒适性要求的提高，叉车的NVH问题日渐显现出来。

国内的一些工业车辆制造企业开始在NVH方面逐步加大研发投入，并取得良好的工程应用效果，同时一些商业软件（比如HyperWorks等）在企业中的应用也推动叉车NVH技术研发的进步。工业车辆的振动问题往往很复杂，涉及很多系统与部件，因此建立车辆整体的动力学模型非常困难。通常是根据工程师的经验对整车进行简化，主要研究一些与振动传递路径相关的部件的动力学参数。

传统的方法是建立这些部件的有限元模型，再进行自由模态分析或约束模态分析，然后为其结构的动力学特性修改提供意见。而本文中的采用混合建模方法是将复杂系统根据连接关系分成若干子结构。对一些通过有限元分析很难准确获得其模态参数的子结构使用试验模态分析方法建立其动力学模型。对其他较为简单的子结构采用有限元法建立动力学模型。最后通过模态综合理论得到全系统的动力学模型，这样获得的系统级模态参数会有较好的精度，后续的振动分析与设计会更加可靠。

本文中的方向盘和前板结构比较复杂，包括方向盘、转向柱和转向器等部件，很难通过有限元分析得到其精确的模态参数。

因此采用自由悬挂状态下的模态试验得到其的模态参数，同样护顶架也是通过模态试验得到其模态参数，车架是通过有限元建模的方案来构造其模型，最后在HyperMesh中通过MPC将试验模态的网格模型和有限元模型装配在一起提交计算系统级的模态参数。

2 混合建模方法的原理

模态综合法可分为自由界面的模态综合法和固定界面的模态综合法等。

其中自由界面对被试验的子结构相对比较容易实现，可以通过弹性绳或柔性支撑将子结构悬挂或安置。因此混合建模中，方法采用自由界面的模态综合法，并重点以Hou方法给予介绍。

3叉车主要结构部件的模态试验

3.1 模态试验原理

模态参数识别方法很多，较为传统的有最小二乘复指数法（LSCE）和频域直接参数识别法（FDPI）。本文采用LMSTest.lab中的LSCE来识别模态参数。首先锤击法得到结构的频响函数（FRF），再通过逆傅立叶变换得到时域的脉冲响应函数（IR）如方程9所示，最后采用LSCE方法完成极点和留数的估计以及模态确认。

3.2方向盘与护顶架子结构的试验模态结果

方向盘前板机构和护顶架模态试验采用比利时LMS模态测试分析软件及数据采集系统。软件中分析带宽设置为512Hz，频率分辨率为1Hz，响应点加速度测量采用PCB三向加速度，激励方式采用力锤锤击，被测部件的悬挂方式见图1。    

图1 方向盘前板机构和护顶架模态试验的悬挂方式

方向盘前板机构和护顶架的模态试验结果如表1、图2，3所示，本文仅列出他们前五阶弹性模态频率和模态振型。方向盘前板机构的第一阶模态主要表现为整体的弯曲振型，第二阶模态为整体左右摆动，第三、四阶模态分别为前板和方向盘的局部振型。护顶架的第一阶、二阶模态为护顶架前后腿的局部模态，振型分别扭转和左右摆动，第三阶、四阶模态为护顶架的整体模态，第五阶模态为护顶架顶棚的局部模态。

表1 方向盘前板机构和护顶架的试验模态频率

图2方向盘前板机构弹性模态振型图（从左到右依次1-5阶）

图3护顶架弹性模态振型图（从左到右依次1-5阶）

4叉车方向盘机构的振动分析

4.1系统级模态综合分析

上述试验模态分析得到方向盘前板机构和护顶架的模态参数，采用使得模态质量为1的正规化方式，这时模态刚度则等于固有角频率的平方，在HyperMesh中采用MPC（多点约束）把模态质量、模态刚度分别作为集中质量元素、集中刚性元素与试验模态模型中的每个节点联系起来。在试验模态中，0Hz的刚体模态可能无法获得，但是需要考虑子结构的刚体特性，因此可以在重心位置处用集中质量元素定义其质量和惯性，然后把重心节点与界面结合点用RBE2相连即可。

通过模态综合法建立的混合模型进行自由模态分析得到的结果如表2和图4所示，本文给出1-5阶系统级的弹性模态结果。其中第一、二和五阶模态均为方向盘的局部模态，模态振型分别表现为上下、前后和左右方向振动，第三阶（20.0Hz）和第四阶（34.7Hz）模态是系统的整体模态，模态振型分别表现为左右摆动和绕竖直方向的左右扭转。

表2 装配后系统级模态频率

图4装配后系统级模态振型图（从左到右依次1-5阶）

4.2 试验方案的验证

该车选配的发动机为直列四缸四冲程型式，其激振力主要为基频及其谐次成分，对于该发动机其基频为2阶次，主要谐次成分为4、6阶次等，阶次的计算公式10所示，式中Ο代表阶次、N表示气缸数、n表示发动机转数（rpm）、τ表示冲程数。

图5原始状态下方向盘三方向2阶振动数值

根据模态叠加原理，抑制图5中的两个振动峰值的方法之一为改变整体结构第三和第四阶系统的模态频率，使得这两个主要参与模态的模态频率偏离更大一些。经模态灵敏度仿真分析发现，第四阶模态频率与前板和护顶架之间连接的局部刚度关系最大，加强此处的连接可以较大的提高第四阶模态频率。如将仿真中此处连接的螺栓从半径为3mm的beam单元改为半径为6mm的beam单元，第四阶模态频率提高到38.5Hz，第三阶模态频率变为20.4Hz，方向盘其他局部模态频率基本不变。

因此根据上述理论分析，在实际操作中采用的方案是将前板和护顶架之间的连接螺栓加大预紧扭矩，通过此方法来提高此处连接的局部刚度。方案实施后，重新测试方向盘三个方向的2阶振动如图6所示，图中明显发现方向盘左右方向的振动峰值发生偏移并且得到一定程度的抑制，由原始状态的9m2/s左右降至5m2/s左右。

图6方案实施后方向盘三方向2阶振动数值

5 结论

本文基于HyperWorks软件，采用自由界面的模态综合法，完成方向盘前板机构和护顶架试验模态模型，以及车架有限元模型混合建模，并对装配后的整体结构进行了系统级自由模态分析，通过模态分析结果指导系统的动力学特性修改，最后实施方案证明分析结果可靠、有效。综合上述，可得如下结论：

1.混合建模的方法在工程上有很高的应用价值，尤其在某些子结构很难通过有限元分析得到其动力学参数时，可以通过试验模态分析获得其模态参数；同时对一些复杂系统，混合建模的方法可以完成准确的系统级数学模型构建，给大型工程问题求解提供方法和思路。

2.自由界面的模态综合法较之传递函数综合法和固定界面的模态综合法，工程师理解简单，操作实施方便，但是分割界面时，应注意界面处的刚度不能很大。

3.文章根据系统级模态分析结果和模态叠加原理，提出的实施方案得到了试验数据的验证，因此对此型号叉车的方向盘振动设计具有指导作用。

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