某轻型卡车驾驶室结构与噪声性能优化设计研究

摘要

本文主要运用有限元分析方法和结构优化方法对轻型卡车驾驶室的结构静动态特性和声学特性进行了研究。一方面，运用拓扑优化和尺寸优化相结合的方法提高了驾驶室的模态特性和弯扭刚度。另一方面，采用添加阻尼材料的方式降低了驾驶室内部噪声，并对阻尼材料进行了优化布局，节省了材料。
　　首先建立了驾驶室结构有限元模型，并通过试验验证了模型的准确性。在Optistruct软件中，分析了驾驶室的自由模态和弯曲、扭转刚度，得出了驾驶室第一阶模态频率偏低，弯曲和扭转刚度不足的结论。
　　为了改善驾驶室结构的静动态特性，首先采用拓扑优化的方法找到驾驶室结构薄弱的区域，采用添加加强板的方式提高其刚度，通过优化结果验证了这种方案的合理性。然后对新增加的加强板的厚度进行了尺寸优化，使驾驶室静动态性能满足要求的同时新增加的加强板的质量最小。经过拓扑优化和尺寸优化后，在质量相比优化前增加1.7％的基础上，驾驶室的第一阶模态频率相比优化前提高了12.03％，弯曲刚度提高了9.8％，扭转刚度提高了17.4％。
　　在Hypermesh软件中建立了驾驶室声固耦合模型，分别对结构优化前和优化后进行了主驾右耳声学频率响应分析，结果表明前文的结构优化在提高驾驶室静动态性能的同时也对驾驶室内部噪声也有一定的降噪作用。通过计算驾驶室场点声学频率响应曲线，确定出主要的峰值频率作为后续的优化目标，计算出峰值频率点的板件贡献量、模态贡献量和节点贡献量，综合利用这些声学诊断方法确定出需要优化的板件和局部区域。
　　采用铺设阻尼材料的方式来改善驾驶室的声学性能。首先分析了自由阻尼材料和约束阻尼材料的降噪效果，然后以顶棚铺设阻尼材料为例，对顶棚自由阻尼层进行拓扑优化，有效降低了特定频率处的声压，并且拓扑优化后阻尼材料保留的部分与节点贡献量较大的区域基本一致，为下文多频率声压级的阻尼优化方法的提出做铺垫。采用了两种方法对阻尼材料进行了优化布置，其中板件贡献量结合综合模态应变能的方法计算效率快，但对峰值降噪效果有限，节点贡献量结合拓扑优化的方法对驾驶室峰值噪声降噪明显，而且对整段频率都有很好的降噪作用，并且阻尼材料的使用量比上一种方法更少，但计算效率相对较慢。总之，这两种阻尼铺设方法对驾驶室声学性能都有一定的改善，达到了预期的降噪效果，具有一定的工程意义。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究概况

1．3 主要研究内容和各章节安排

1．4本章小结

第二章 驾驶室有限元建模与静动态性能分析

2．1 驾驶室车身有限元模型的建立

2．1．1 模型简化与处理

2．1．2 网格划分以及精度控制

2．1．3 有限元模型建立

2．2 驾驶室车身模态分析

2．2．1 驾驶室车身结构计算模态分析

2．2．2 驾驶室结构试验模态分析

2．3 驾驶室静力学分析

2．3．1 弯曲工况分析

2．3．2 扭转工况分析

2．4 本章小结

第三章 基于拓扑优化的驾驶室结构优化

3．1 拓扑优化方法

3．1．1 均匀化方法

3．1．2 变厚度法

3．1．3 渐进结构优化法

3．1．4 变密度法

3．2 驾驶室车身结构拓扑优化数学模型的建立

3．2．1 固有频率优化数学模型

3．2．2 单工况下刚度优化数学模型

3．3 拓扑优化结果分析

3．3．1 一阶固有模态频率拓扑优化

3．3．2 弯曲工况下拓扑优化

3．3．3 扭转工况下拓扑优化

3．3．4 综合工况下拓扑优化

3．4 驾驶室白车身结构修改

3．5 尺寸优化分析

3．6 优化前后车身结构性能对比

3．6．1 驾驶室静动态性能对比

3．6．2 原点动刚度性能对比

3．7 本章小结

第四章 驾驶室内部噪声诊断分析

4．1 轻型卡车驾驶室声腔模型的建立

4．1．1 驾驶室声腔模态理论分析

4．1．2 驾驶室声腔模型的建立

4．1．3 声腔自由模态分析

4．2 驾驶室声固耦合的建立

4．2．1 驾驶室声固耦合理论分析

4．2．2 驾驶室声固耦合模型的建立

4．2．3 声固耦合模型试验验证

4．3 驾驶室内部声场频率响应分析

4．4 驾驶室声学贡献量分析

4．4．1 板件贡献度分析

4．4．2 基于改进的面板贡献量分析方法

4．4．3 模态参与因子分析

4．4．4 节点贡献度分析

4．4．5 节点贡献量的仿真验证

4．5 本章小结

第五章 驾驶室阻尼降噪优化分析

5．1．1 粘弹性阻尼材料简介

5．1．2 驾驶室阻尼降噪原理

5．2 阻尼板结构种类的选取

5．2．1 自由阻尼层布置

5．2．3 两种阻尼方式效果对比

5．3 基于加权模态应变能的阻尼铺设

5．3．1 驾驶室结构模态应变能分析

5．3．2 驾驶室车身阻尼布置

5．4 基于拓扑优化的阻尼铺设

5．4．1 阻尼拓扑优化的数学模型

5．4．2 顶棚自由阻尼层的拓扑优化

5．4．3 基于节点贡献量和拓扑优化相结合的阻尼铺设方法

5．5 两种方法的效果比较

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况