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
中图分类号：U469.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）36-0084-02
Abstract： With the continuous development of society， the production scale and quantity of special vehicles are gradually expanding， which is the key to ensure the normal operation of social production and life. Portability， stability， flexibility are the basic characteristics of special vehicles， thus only by improving the performance of special vehicles can we promote the performance of its effective function， to provide help for the effective control of the driver. Therefore， the structure of special vehicles should be optimized to improve the safety， stability and maneuverability of special vehicles， and reflect the application value of special vehicles in social production and life. The application of frequency response analysis in the structural optimization of special vehicles can enhance the standardization and scientificalness of the design. This paper will explore the optimal design strategy of special vehicle structure based on frequency response analysis by analyzing the whole vehicle model.
Keywords： frequency response analysis； special vehicle； structural optimization design
在特種车辆应用越来越广泛的当下，如何提升特种车辆的性能，保障其运行的可靠性，成了当前社会共同关注的重要问题。相关专业人员在进行特种车辆设计的过程中，采用了拓扑优化的方式，应用在军用雷电车辆的轻量化结构优化中，实现了特种车辆性能的有效提升。这种拓扑优化的设计方式，能够使得特种车辆的制造成本和车身自重降低，使得特种车辆的机动性提升。还有的专业人员在特种车辆的设计过程中，提出了有限元的模型理论，特种车辆稳定性和刚度等特性，能够通过创建整车模型而获得。电子舱结构的频响函数值，可以在有限元模型中计算，能够保障特种车辆优化中频响分析的科学性，实现设计水平的不断提升。特种车辆的运输底盘、电子舱的舱壁骨架等，是特种车辆结构优化的关键点。
1 创建特种车辆整车模型
1.1 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[1]。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。
1.2 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。
2 基于频响分析的特种车辆结构
2.1 频响分析理论
将振动响应结构分析应用于特种车辆中，需要保持稳态的激励振动状态，这就是频响分析理论的基本方式，激励振动响应是特种车辆在被动状态下接受的，动态变化性是激励振动响应的基本特征。直接法和模态法是在响应分析中采用频响理论时的两种主要方法。在模态式的实驗空间进行分析，是模态法的主要方式，线性数据叠加需要在模态空间中进行，实现频响函数公式的获取。所占内存较少是模态分析方式的优势，能够提升运算的质量，获得较为平滑和准确的频响曲线。振动中阻尼值影响状况、特种车辆结构预应力影响状况，也能够通过模态分析的方式有效体现，提升了分析效率[2]。
用运动的状态公式表达有限元的离散模型，能够提升频响分析理论的应用效果，此运动的状态公式为：（-ω2M+iωB+K）U（ω）=F（ω）。在此公式中，N个自由度状态下的刚度矩阵由K表示，特种车辆的结构质量矩阵由M表示，阻尼矩阵由B表示。耦合度的直接计算，可以在频响分析运用直接法时实现，将上述公式进行模态坐标的设计，是在频响分析中应用模态法时的关键点，计算过程应用单自由度的非耦合方程，其公式为（-ω2mi+iωbi+ki）ui（ω）=fi（ω）。在此公式中，转换完成后单自由度刚度模态值由ki表示，自由度由i表示，取值范围是1-N，模态质量由mi表示，模态阻尼由bi表示。
2.2 频响分析结果
提升特种车辆电子舱驾驶人的舒适性、稳定性和安全性，是分析特种车辆振动频响的主要目的，与此同时要不断提升电子设备耐久性[3]。行车舒适度的评估，需要通过对特种车辆电子舱舱壁和电子舱底板在不同频率下的加速度响应值进行测试来获取。将九个频响分析点设置在电子舱底板位置，施加振动激励数据，计算过程依靠RMS有效值数据谱，实现振动频响加速度值的获取，有效值谱的公式为RMS=■。加速度响应输出值可以方便获得，0.421m·s-1是电子舱后壁的加速度值，0.367m·s-1是左壁的加速度值，0.411m·s-1是右壁的加速度值。当加速度值大于0.2m·s-1时，很难保障驾驶的舒适感，因此应该优化设计其车身结构。
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。
4 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.
[3]王栋，高雯丽.基于频响函数约束的桁架结构尺寸优化设计[J].应用力学学报，2015，32（01）：101-106+176.
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