駕駛室作為卡車的重要組成部分，其振動特性對于駕駛員的舒適度和長期健康具有至關重要的影響。振動不僅會導致駕駛員疲勞、分散注意力，還可能引發一系列健康問題。為了確保卡車在復雜路面工況下駕駛室結構不受破壞，并保持良好的NVH性能，駕駛室的結構動力學設計必須滿足掃頻振動環境的要求。

圖1 卡車駕駛室結構

卡車駕駛室遭受的正弦振動激勵主要來源包括路面不平度、發動機振動、傳動系統振動、輪胎不平衡等。為確保駕駛室結構在受外部（正弦）激勵下保持良好的振動特性和駕乘舒適性，需要對駕駛室結構進行相關的動力學設計和性能驗證，掃頻振動環境試驗和諧響應仿真是兩種重要的設計驗證手段。

其中，諧響應仿真是一種數值模型的動力學頻域計算技術，是對應于掃頻振動試驗的虛擬手段，用科學模擬的方法來評估結構在承受簡諧（正弦或余弦）載荷作用下的穩態響應，幫助工程師預測結構的動力學行為，并優化設計以避免共振、疲勞損傷等不良后果。

圖2 諧響應仿真分析

一、仿真APP解決方案

本案例基于伏圖隱式結構分析功能對某卡車駕駛室結構諧響應分析，并對仿真流程進行無碼化快速封裝，形成專用的卡車駕駛室結構諧響應分析仿真APP工具，可加速產品諧響應性能評估和動力學設計迭代，并替代部分正弦振動環境試驗。

本仿真APP可實現：

• 考察駕駛室金屬材料屬性對模態特性及諧響應結果的影響；

• 考察不同量級掃頻激勵載荷下，結構的諧響應分析結果，為駕駛室結構局部加強設計提供依據；

• 考察不同阻尼值對諧響應分析結果的影響，為阻尼性能設計提供依據。

1. 仿真流程搭建

1)?幾何導入

創建伏圖隱式結構分析工程，導入駕駛室結構幾何模型（.stp）。

圖3 導入幾何模型

2)?材料定義和賦予

駕駛室結構選用常規金屬鐵的材質，其密度為7829kg/m^3，楊氏模量為207GPa,泊松比為0.288。本案例中的駕駛室結構模型是殼結構，所以在材料賦予之前需預設其殼截面厚度。

圖4 材料定義和賦予

3)?網格剖分

對駕駛室結構進行網格剖分，本案例均采用一階三角形單元剖分。

圖5 網格剖分

4)?耦合連接創建

駕駛室結構底部與車架有4個安裝連接孔，為方便后續邊界條件的施加，這里創建了耦合連接（邊界條件約束點）。

圖6 四個連接孔的耦合連接創建

5)?邊界約束

對安裝孔的耦合連接點進行六個自由度全約束定義。

圖7 邊界約束

6)?創建頻率分析載荷步

本案例使用模態疊加法進行隨機振動分析，因此首先進行頻率（模態）分析，用于提取頻率分析的固有頻率和模態振型結果。

圖8 頻率分析載荷步創建和設置

通過模態計算，獲取了駕駛室結構前70階固有模態特性，包括模態頻率和模態振型。

駕駛室結構模態分析結果如下：

圖9 前70階模態頻率列表

圖10 模態振型

7)?創建諧響應分析載荷步

諧響應分析載荷激勵參照掃頻振動環境試驗的載荷譜，如下圖所示：

圖11 正弦掃頻幅值-頻率曲線

通常，在實際的掃頻振動環境試驗中，會設置1~2個交越頻率點。本案例中采用1個交越點的加速度掃頻曲線激勵，在交越點以下采用定位移控制，幅值為0.05mm。交越頻率為100Hz，在交越點以上采用定加速度控制，交越頻率點的加速度幅值通過下面公式計算得到為19.7392m/s^2。

對應于伏圖諧響應仿真分析，這里創建2個諧響應分析步，第一個諧響應分析步，模擬中低頻（20Hz~100Hz）的定位移掃頻加載，位移幅值為0.05mm；第二個諧響應分析步，模擬中高頻（100Hz~1000Hz）的定加速度掃頻加載，加速度幅值為19.7392m/s^2。

圖12 諧響應分析步-1（定位移）

圖13 諧響應分析步-2（定加速度）

8)?諧響應結果評估

伏圖諧響應分析可輸出位移云圖、速度云圖、加速度云圖以及應力云圖等，且諧響應分析結果有其明顯特點，即每個頻率點的諧響應結果，會分為實部和虛部兩個結果。

圖14 諧響應分析（435.629Hz）位移結果-實部

圖15 諧響應分析（435.629Hz）位移結果-虛部

圖16 交越頻率點（100Hz）加速度響應的一致性

選取駕駛艙結構上的三個觀測點，其中，點1位于駕駛室后部立柱中間位置，點2位于駕駛室結構頂部中間位置，點3位于駕駛室底板前排連接孔位置。輸出其Mises應力（虛部）的頻域曲線，如下所示：

圖17 觀測點1、2、3的Mises應力（虛部）頻域曲線

從圖17可看出，在100Hz~1000Hz的定加速度掃頻激勵下，駕駛室結構上觀測點1、2、3的Mises應力（虛部）的頻域曲線有如下結論：

1）?觀測點3的Mises應力（虛部）水平＞觀測點1＞觀測點2；

2）?三個觀測點的Mises應力（虛部）頻域曲線具有相似峰值特征，即當頻率接近或等于結構的模態固有頻率時，Mises應力的虛部出現明顯的峰值。

3）?三個觀測點的Mises應力（虛部）最大值出現在同一頻率206.349Hz處，該頻率也是結構的第4階固有模態頻率；

圖18 諧響應分析（206.349Hz）應力結果-虛部

2. 仿真APP封裝

1)?參數設定與關聯

對卡車駕駛室結構諧響應分析進行參數設定與關聯。

圖19 參數設定與關聯

2)?APP封裝

創建參數表單、圖形表單及表單集合，通過鼠標拖拉拽的方式完成卡車駕駛室結構諧響應分析仿真APP的封裝。

圖20 APP封裝

二、仿真APP應用

本案例能夠快速預測駕駛室在掃頻激勵下振動響應，通過無代碼化的開發環境快速生成仿真APP，幫助產品快速進行諧響應評估和動力學設計迭代，同時替代部分正弦振動環境試驗，節約研發成本。

預測振動響應：在設計階段就預測出駕駛室在不同頻率激勵下的振動響應情況，有助于設計師提前識別潛在的振動問題區域，并采取相應的優化措施。

提升駕駛舒適性：減少駕駛室內的振動和噪音水平，提高駕駛員的駕駛舒適性，降低長時間駕駛帶來的疲勞感，提高駕駛安全性；

優化結構設計：基于仿真結果，對駕駛室的結構設計進行迭代優化，比如調整材料分布、增強結構剛度或改變連接方式等，以達到更好的振動控制效果；

節約研發成本：傳統的正弦振動環境試驗需要耗費大量的人力、物力和時間，而在虛擬環境中模擬試驗條件，能快速評估駕駛室的振動性能，從而減少對物理原型的需求。

圖21 諧響應分析步-2（中高頻）加速度結果-虛部

圖22 諧響應分析步-2（中高頻）Mises應力結果-虛部

三、仿真APP賦能千行百業

相較于傳統CAE仿真軟件，基于伏圖開發的仿真APP更加靈活易用，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產品研發效率。歡迎訪問工業仿真APP商店Simapps，在線體驗面向各種產品和場景的仿真APP。

四、關于伏圖

伏圖（Simdroid）具備固體力學、流體力學、電動力學、熱力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。可登陸Simapps，申請試用仿真工具Simdroid。