驾驶室作为卡车的重要组成部分，其振动特性对于驾驶员的舒适度和长期健康具有至关重要的影响。振动不仅会导致驾驶员疲劳、分散注意力，还可能引发一系列健康问题。为了确保卡车在复杂路面工况下驾驶室结构不受破坏，并保持良好的NVH性能，驾驶室的结构动力学设计必须满足扫频振动环境的要求。

图1 卡车驾驶室结构

卡车驾驶室遭受的正弦振动激励主要来源包括路面不平度、发动机振动、传动系统振动、轮胎不平衡等。为确保驾驶室结构在受外部（正弦）激励下保持良好的振动特性和驾乘舒适性，需要对驾驶室结构进行相关的动力学设计和性能验证，扫频振动环境试验和谐响应仿真是两种重要的设计验证手段。

其中，谐响应仿真是一种数值模型的动力学频域计算技术，是对应于扫频振动试验的虚拟手段，用科学模拟的方法来评估结构在承受简谐（正弦或余弦）载荷作用下的稳态响应，帮助工程师预测结构的动力学行为，并优化设计以避免共振、疲劳损伤等不良后果。

图2 谐响应仿真分析

一、仿真APP解决方案

本案例基于伏图隐式结构分析功能对某卡车驾驶室结构谐响应分析，并对仿真流程进行无码化快速封装，形成专用的卡车驾驶室结构谐响应分析仿真APP工具，可加速产品谐响应性能评估和动力学设计迭代，并替代部分正弦振动环境试验。

本仿真APP可实现：

• 考察驾驶室金属材料属性对模态特性及谐响应结果的影响；

• 考察不同量级扫频激励载荷下，结构的谐响应分析结果，为驾驶室结构局部加强设计提供依据；

• 考察不同阻尼值对谐响应分析结果的影响，为阻尼性能设计提供依据。

1. 仿真流程搭建

1) 几何导入

创建伏图隐式结构分析工程，导入驾驶室结构几何模型（.stp）。

图3 导入几何模型

2) 材料定义和赋予

驾驶室结构选用常规金属铁的材质，其密度为7829kg/m^3，杨氏模量为207GPa,泊松比为0.288。本案例中的驾驶室结构模型是壳结构，所以在材料赋予之前需预设其壳截面厚度。

图4 材料定义和赋予

3) 网格剖分

对驾驶室结构进行网格剖分，本案例均采用一阶三角形单元剖分。

图5 网格剖分

4) 耦合连接创建

驾驶室结构底部与车架有4个安装连接孔，为方便后续边界条件的施加，这里创建了耦合连接（边界条件约束点）。

图6 四个连接孔的耦合连接创建

5) 边界约束

对安装孔的耦合连接点进行六个自由度全约束定义。

图7 边界约束

6) 创建频率分析载荷步

本案例使用模态叠加法进行随机振动分析，因此首先进行频率（模态）分析，用于提取频率分析的固有频率和模态振型结果。

图8 频率分析载荷步创建和设置

通过模态计算，获取了驾驶室结构前70阶固有模态特性，包括模态频率和模态振型。

驾驶室结构模态分析结果如下：

图9 前70阶模态频率列表

图10 模态振型

7) 创建谐响应分析载荷步

谐响应分析载荷激励参照扫频振动环境试验的载荷谱，如下图所示：

图11 正弦扫频幅值-频率曲线

通常，在实际的扫频振动环境试验中，会设置1~2个交越频率点。本案例中采用1个交越点的加速度扫频曲线激励，在交越点以下采用定位移控制，幅值为0.05mm。交越频率为100Hz，在交越点以上采用定加速度控制，交越频率点的加速度幅值通过下面公式计算得到为19.7392m/s^2。

对应于伏图谐响应仿真分析，这里创建2个谐响应分析步，第一个谐响应分析步，模拟中低频（20Hz~100Hz）的定位移扫频加载，位移幅值为0.05mm；第二个谐响应分析步，模拟中高频（100Hz~1000Hz）的定加速度扫频加载，加速度幅值为19.7392m/s^2。

图12 谐响应分析步-1（定位移）

图13 谐响应分析步-2（定加速度）

8) 谐响应结果评估

伏图谐响应分析可输出位移云图、速度云图、加速度云图以及应力云图等，且谐响应分析结果有其明显特点，即每个频率点的谐响应结果，会分为实部和虚部两个结果。

图14 谐响应分析（435.629Hz）位移结果-实部

图15 谐响应分析（435.629Hz）位移结果-虚部

图16 交越频率点（100Hz）加速度响应的一致性

选取驾驶舱结构上的三个观测点，其中，点1位于驾驶室后部立柱中间位置，点2位于驾驶室结构顶部中间位置，点3位于驾驶室底板前排连接孔位置。输出其Mises应力（虚部）的频域曲线，如下所示：

图17 观测点1、2、3的Mises应力（虚部）频域曲线

从图17可看出，在100Hz~1000Hz的定加速度扫频激励下，驾驶室结构上观测点1、2、3的Mises应力（虚部）的频域曲线有如下结论：

1） 观测点3的Mises应力（虚部）水平＞观测点1＞观测点2；

2） 三个观测点的Mises应力（虚部）频域曲线具有相似峰值特征，即当频率接近或等于结构的模态固有频率时，Mises应力的虚部出现明显的峰值。

3） 三个观测点的Mises应力（虚部）最大值出现在同一频率206.349Hz处，该频率也是结构的第4阶固有模态频率；

图18 谐响应分析（206.349Hz）应力结果-虚部

2. 仿真APP封装

1) 参数设定与关联

对卡车驾驶室结构谐响应分析进行参数设定与关联。

图19 参数设定与关联

2) APP封装

创建参数表单、图形表单及表单集合，通过鼠标拖拉拽的方式完成卡车驾驶室结构谐响应分析仿真APP的封装。

图20 APP封装

二、仿真APP应用

本案例能够快速预测驾驶室在扫频激励下振动响应，通过无代码化的开发环境快速生成仿真APP，帮助产品快速进行谐响应评估和动力学设计迭代，同时替代部分正弦振动环境试验，节约研发成本。

预测振动响应：在设计阶段就预测出驾驶室在不同频率激励下的振动响应情况，有助于设计师提前识别潜在的振动问题区域，并采取相应的优化措施。

提升驾驶舒适性：减少驾驶室内的振动和噪音水平，提高驾驶员的驾驶舒适性，降低长时间驾驶带来的疲劳感，提高驾驶安全性；

优化结构设计：基于仿真结果，对驾驶室的结构设计进行迭代优化，比如调整材料分布、增强结构刚度或改变连接方式等，以达到更好的振动控制效果；

节约研发成本：传统的正弦振动环境试验需要耗费大量的人力、物力和时间，而在虚拟环境中模拟试验条件，能快速评估驾驶室的振动性能，从而减少对物理原型的需求。

图21 谐响应分析步-2（中高频）加速度结果-虚部

图22 谐响应分析步-2（中高频）Mises应力结果-虚部

三、仿真APP赋能千行百业

相较于传统CAE仿真软件，基于伏图开发的仿真APP更加灵活易用，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。欢迎访问工业仿真APP商店Simapps，在线体验面向各种产品和场景的仿真APP。

四、关于伏图

伏图（Simdroid）具备固体力学、流体力学、电动力学、热力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。可登陆Simapps，申请试用仿真工具Simdroid。