频响分析下的特种车辆结构优化设计研究

杨来科 孔鲁明 王继桥

山东杨嘉汽车制造有限公司 山东济宁272613

    摘 要：随着社会的不断发展，特种车辆的生产规模和数量逐渐扩增，是保障社会生产生活正常运转的关键。轻便、稳定、灵活，是特种车辆的基本特点，只有不断提升特种车辆的性能，才能够促进其性能的有效发挥，为驾驶人员的有效操纵提供帮助。因此，应该对特种车辆的结构进行优化，提升特种车辆的安全性、稳定性和操纵性，体现特种车辆在社会生产生活中的应用价值。频响分析应用于特种车辆结构优化中，能够提升设计的规范性与科学性。文章将通过分析整车模型创建，探索基于频响分析的特种车辆结构优化设计策略。

关键词：频响分析；特种车辆；结构优化设计

1. 特种车辆概述

特种车辆，是指重量、外廓尺寸等各方面超出普通车辆限界的车辆。特种车辆通常经过专门改装和特制，且具有特殊用途，配置有相对固定的设备装置。特种车辆一般都有特殊标志或者具有特种车型，其与常规车辆的区别体现在 3 个方面：首先，特种车辆具备行驶特权。例如，警车、消防车、救护车等在执行任务期间，可酌情改变行驶路线和方向、加快速度，在确保安全的前提下不受交通信号灯的约束，道路行人和车辆应主动让行；道路养护类车辆在实施作业时，可以不受道路标线和各类交通标志的约束，但前提是不能对道路车辆通行造成影响；其次，特种车辆的驾驶必须是为了执行特殊任务，例如，消防车辆的功能是灭火，要加强维护保养，确保使用性能良好；救护车的职责是救治患者，在行驶时必须保证平稳；最后，特种车辆属于专用车辆，不能挪作他用。

特种车辆本身的专用性已经被全社会接受，如果需要更改其用途，需要将特殊装置和专用标志去除。特种车辆本身需要执行的是特殊任务，需要具备较高的灵活性、机动性和轻便性，而且对车载设备的耐久性、乘员的舒适性等也有着比较严格的要求，在这种情况下，加强对特种车辆振动问题的研究，也就显得非常必要。一直以来，对于特种车辆结构的优化都从未停止，也取得了许多显著成果，可以借助 Lanczos 模态法实施频响分析，通过加装减震器、优化电子舱骨架结构等方式，降低车辆振动加速度，促进其舒适性和稳定性的提高

2. 创建特种车辆整车模型

2.1 有限元模型

构建特种车辆的有限元模型，是特种车辆结构优化设计的重要基础和前提工作，电子舱、电站舱、驾驶舱，是特种车辆车架的主要组成部分。柴油式发动机机组是电站舱中的重要构件，电子仪表等是电子舱中的重要构件，铆钉是连接电子舱与电站舱的主要构件。车身的材料，是设计特种车辆时需要着重考虑的因素，只有保障车身材料的质量，才能够提升特种车辆结构性能，需要将聚酯泡沫填充在铝板之间。梯形结构由边梁式车架、纵梁和横梁组成，实现有限元模型的构建。模拟实验应用于特种车辆的底盘结构和车架中。简化的方式能够提升有限元模型的可操作性，将离散模型设计的方式应用于有限元模型的设计过程中，六面体结构单元应用于聚酯泡沫的连接位置，壳单元应用于其他位置。大约 55 万个单元包含在特种车辆的模型中，3D 单元有 4 万个左右。用长方形的结构表示电站舱，这是机组中的主要工作部分，重量较大是特种车辆驾驶舱的主要特点，可以选择质量点集中的方式，连接的过程中采用 RBE2 单元，连接被动侧部分的单元时，应用CBUSH 连接装置，其具有六自由度。特种车辆整车模型的被动侧与发电机机组底座实现了有效连接，应该将支撑质量点设置在车辆车桥的部件上，质量与各部分的对应，可以通过应用质量点集中的方法实现。频响实验的开展应在发动机基座和底板连接完成后进行，连接点数量为 4 个，10%以内的频响实验数值及仿真设计数值误差是合理的范围。

2.2 施加激励荷载

分析振动仿真实验的结构，有助于特种车辆在不同频率下振动响应值的计算。在实验的过程中，选择 75Hz、100Hz、125Hz、150Hz 四个频率实验值，在实验中应该考虑到车辆加速度的对振动反应的影响，Z 方向加速度增大会增强 Z 方向的振动反应。激励振动源选择特种车辆的发动机，激励荷载实验在特种车辆发动机被动侧展开。

3.基于频响分析的特种车辆结构优化设计

3.1 电子舱舱壁设计

优化设计舱壁结构时，重点内容是电子舱的舱壁上下结构和结构铝板之间的聚酯泡沫层，在优化设计之前，刚度低是聚酯泡沫层存在的主要问题，因此应该加强聚酯泡沫层的刚度，实现特种车辆电子舱舱壁结构的优化。

3.2 电子舱底部设计

在特种车辆运行的过程中，振动能量会由运输底盘传输至电子舱车身，对于该能量振动值的优化，是特种车辆电子舱底部优化设计的关键。为了实现电子舱承受能量的降低，可以采用设置减震器的方式，将其安装在电子舱底部位置。电子舱承受的作用力，能够由于减震器的设置得到有效缓解。为了避免隔振装置的松动，需要设置四个限位锁在电子舱四个底角支撑中，能够有效优化电子舱底部结构。

3.3 运输底盘设计

优化设计运输底盘，也是实现特种车辆结构不断优化的重要内容。在特种车辆频响分析模型中，电子舱底板振动加速度达到 0.421m·s-1，这时在特种车辆柴油发动机机组中，电子舱舱身会受到底盘振动影响，将底盘断开能够实现电子舱频响振动途径的改变，因此需要设置 0.1m 的间隙于特种车辆电子舱和电站舱之间。强筋加筋设置在电子舱横向方向中，使得断面位置能够分担振动频响作用力，电子舱和电站舱之间的断面强度由于作用力的平移而增强。保持特种车辆其他结构的连接方式不变，对特种车辆运输底盘优化设计效果进行检验。

3.4 频响分析结果

进一步的特种车辆结构模型频响分析实验，可以在特种车辆结构优化设计完成后进行，电子舱左壁、右壁、前壁、后壁和电子舱底板部位的频响振动加速度值能够有效获取。通过实验能够发现，电子舱底板的加速度下降比率达到了 77.80%；电子舱前壁的加速度下降比率达到了77.69%；电子舱后壁的加速度下降比率达到了 83.76%；电子舱左壁的加速度下降比率达到了 78.21%；电子舱右壁的加速度下降比率达到了 76.16%。电子舱壁得到了有效的优化，提升了特种车辆的整体舒适性。

结束

语为了便于对特种车辆结构进行深入了解，需要建立特种车辆的有限元模型，真实的频响振动实验数据与有限元分析的模拟数据之间的对比，也能够在构建特种车辆整车模型的过程中完成。为了优化特种车辆电子舱舱壁骨架结构，通过采用断开式底盘和安装减振装置的方式，能够对特种车辆电子舱振动响应值进行削弱。特种车辆电子舱设备结构振动响应值加速度比率的下降，得益于特种车辆的结构优化设计，能够保障特种车辆驾驶的舒适性。随着特种车辆在社会生产生活中应用范围的扩大，加强特种车辆结构的优化设计势在必行，这是提升特种车辆形式稳定性的重要基础。

参考文献：

[1]汪学文.基于频响分析的特种车辆结构优化设计[J].企业技术开发，2017，36（10）：37-39.

[2]侯献军，莫丽蓉，刘志恩，等.基于频响分析的某特种车辆结构优化设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017，41（01）：43-46+51.