CN110737964A - 一种基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法，本发明运用刚柔耦合原理，运用柔性车架模型替代多刚体***中的刚性车架，建立刚柔耦合整车动力学模型，该模型更接近实际物理模型；同时应用UA轮胎模型，并建立各随机振动路况的计算模型，得出全***的动态响应，提高计算的精确度，该方法可以缩短研发周期，降低研发费用，为整车平顺性研究提供了理论支持和分析方法。
Description
技术领域：
本发明涉及汽车动力学分析领域，具体涉及一种基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法。
背景技术：
汽车行驶时，由于路面不平度引起的车辆行驶过程中的冲击和振动，会对构件材料的机械强度和疲劳强度产生影响，导致敏感的电气、电子和机械装置失灵，固定和活动结构的机械或结构损伤及旋转部件的过分磨损。如果人体受到强烈激发，并且其频率接近某一器官的共振频率，由于振动放大，常导致这个器官受损伤，损害人员的健康。
在车辆***的行驶平顺性研究中，车架的柔性变形不应被忽视，将车架作为刚性体的传统处理方法不能满足研究的需要。运用多刚体***动力学理论和柔性多体***动力学理论，采用计算机仿真技术，建立基于柔性车架的刚柔耦合整车模型，同时构建虚拟路面，引入轮胎模型，研究车辆在不同行驶速度下的行驶平顺性，有助于车辆设计参数的改进，避免样车的重复制造，有利于节约研发经费，缩短研发周期。
发明内容：
本发明提供一种基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法，建立一种运用多刚体***动力学理论和柔性多体***动力学理论，建立基于柔性车架的刚柔耦合整车模型，同时构建随机路面模型，引入轮胎模型，进行整车在不同路面和不同车速下的平顺性分析的方法。
本发明所采用的技术方案有：一种基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法，具体步骤为：
步骤一：在Pro/E软件中建立整车三维实体模型，并对其进行合理简化；
步骤二：利用Pro/E计算各主要部件的质量分布状况，得出质心位置、质量及转动惯量的质量特征，为整车动力学建模提供数据来源；
步骤三：通过ANSYS软件对车架进行柔性体建模时，由于车架多由板壳件组成，通过ANSYS软件对车架进行建模时，将单元类型选为SHELL63，通过由底向上的建模方法来建立其的有限元模型，并进行车架前十阶模态分析；
步骤四：在ANSYS中建立车架柔性体模型，并建立刚性连接区域后转为mnf格式导入ADAMS，替代多刚体***中的刚性车架，与悬架、车体构件建立相互约束关系，建立整车刚柔耦合动力学模型；
步骤五：轮胎模型的选取，轮胎采用UA轮胎模型，该轮胎模型考虑了非稳态效果，同时包含了轮胎的纵向、侧向松弛效应；
步骤六：建立随机路面模型，平滑后的功率谱密度函数用最小二乘法将空间频率为 0.011m-1到2.83m-1范围内的平滑数据，用一条直线进行拟合，路面功率谱密度的拟合表达式为：在MATLAB/Simulink模块中建立路面功率谱密度计算模型，得出随机路面激励，并将该随机路面激励编辑为rdf文件导入到ADAMS仿真环境中；
步骤七：在ADAMS软件中装配整车刚柔耦合动力学模型，并设置初始及边界条件，在ADAMS软件中对车辆进行刚柔耦合行驶动力学分析，得到驾驶员座椅处垂直加速度；
步骤八：计算驾驶员座椅处垂直总加权加速度的均方根值aw，用其评价人体主观舒适度，计算公式为：aw＝[(1.4axw)2+(1.4ayw)2+azw 2]12，完成车辆行驶平顺性分析。
进一步地，柔性体中任意一点P的绝对坐标表示为：
式中:rp——P在绝对坐标系中的位置；
R——柔性体坐标系在绝对坐标系中的位置矢量；
A——柔性体坐标系的方向矩阵；
柔性体的动能表达式为：
式中:M——柔性体的质量矩阵；
M表示为：
最后运用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动微分方程：
式中:K——柔性体的模态刚度矩阵；
M——柔性体的质量矩阵；
D——模态阻尼矩阵；
fg——广义重力；
Kξ,
——物体内部由于弹性变形和阻尼引起的广义力；
Q——对应于外力的广义力；
λ——对应于约束的拉格朗日乘子；
使用拉格朗日乘子法建立第n个柔性体的方程形式为：
式中：K为动能的表达式，Qn广义力，λ为拉式乘子；
对方程(1)进一步推导得到：
令
式中
为速度二项式，其中包含哥氏力和陀螺力引起的力学效应，将上式带入(1)中，得
将方程(2)与***的约束方程联立，构成多体***刚柔耦合动力学方程。
本发明具有如下有益效果：本发明运用刚柔耦合原理，运用柔性车架模型替代多刚体***中的刚性车架，建立刚柔耦合整车动力学模型，该模型更接近实际物理模型；同时应用UA轮胎模型，并建立各随机振动路况的计算模型，得出全***的动态响应，提高计算的精确度，该方法可以缩短研发周期，降低研发费用，为整车平顺性研究提供了理论支持和分析方法。
附图说明：
图1为本发明基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法的流程图。
图2为matlab随机路面功率谱密度计算模型。
图3为B级随机路面激励。
图4为20km/h时的垂向加速度。
图5为40km/h时的垂向加速度。
图6为60km/h时的垂向加速度。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明运用刚柔耦合基本理论：在研究刚柔耦合多体***动力学问题时，刚体采用多刚体***动力学建立动力学方程，由于柔性体有无限多自由度，一般采用离散化技术将柔性体离散为有限多个节点，通过节点自由度对柔性体的变形进行描述。
柔性体中任意一点P的绝对坐标可以表示为：
式中:rp——P在绝对坐标系中的位置；
R——柔性体坐标系在绝对坐标系中的位置矢量；
A——柔性体坐标系的方向矩阵；
柔性体的动能表达式为：
式中:M——柔性体的质量矩阵。
M表示为：
最后运用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动微分方程：
式中:K——柔性体的模态刚度矩阵；
M——柔性体的质量矩阵；
D——模态阻尼矩阵；
fg——广义重力；
Kξ,
——物体内部由于弹性变形和阻尼引起的广义力；
Q——对应于外力的广义力；
λ——对应于约束的拉格朗日乘子。
使用拉格朗日乘子法建立第n个柔性体的方程形式为：
式中：K为动能的表达式，Qn广义力，λ为拉式乘子。
对方程(1)进一步推导可以得到：
令
式中为速度二项式，其中包含哥氏力和陀螺力引起的力学效应。将上式带入(1)中，得
将方程(2)与***的约束方程联立，构成多体***刚柔耦合动力学方程。
基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法具体步骤为：
步骤一：在Pro/E软件中建立整车三维实体模型，并对其进行合理简化；
步骤二：利用Pro/E计算各主要部件的质量分布状况，得出质心位置、质量及转动惯量等质量特征，为整车动力学建模提供数据来源；
步骤三：通过ANSYS软件对车架进行柔性体建模时，由于车架多由板壳件组成，通过ANSYS软件对车架进行建模时，将单元类型选为SHELL63，通过由底向上的建模方法来建立其的有限元模型，并进行车架前十阶模态分析；
步骤四：在ANSYS中建立车架柔性体模型，并建立刚性连接区域后转为mnf格式导入ADAMS,替代多刚体***中的刚性车架，与悬架、车体等构件建立相互约束关系，建立整车刚柔耦合动力学模型；
步骤五：轮胎模型的选取，轮胎采用UA轮胎模型，该轮胎模型考虑了非稳态效果，同时包含了轮胎的纵向、侧向松弛效应，在只需要有限几个参数的情况下，有非常好的精度；
UA轮胎模型参量
步骤六：建立随机路面模型，按照GB/T 7031-2005/ISO 8608:1995《机械振动—道路路面谱测量数据报告》，平滑后的功率谱密度函数可以用最小二乘法将空间频率为0.011m-1到2.83m-1范围内的平滑数据，用一条直线进行拟合，路面功率谱密度的拟合表达式为：
在MATLAB/Simulink模块中建立路面功率谱密度计算模型，得出随机路面激励，并将该随机路面激励编辑为rdf文件导入到ADAMS仿真环境中。
步骤七：在ADAMS软件中装配整车刚柔耦合动力学模型，并设置初始及边界条件，分别以20km/h,40km/h,60km/h行驶，在ADAMS软件中对车辆进行刚柔耦合行驶动力学分析，得到驾驶员座椅处垂直加速度；
步骤八：计算驾驶员座椅处垂直总加权加速度的均方根值aw，用其评价人体主观舒适度，计算公式为：aw＝[(1.4axw)2+(1.4ayw)2+azw 2]12。将计算出的aw值对应ISO 2631 —1《人体承受全身振动的评价》中加速度均方根值与人体主观感受对照表，完成车辆行驶平顺性分析。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一：在Pro/E软件中建立整车三维实体模型，并对其进行合理简化；
步骤二：利用Pro/E计算各主要部件的质量分布状况，得出质心位置、质量及转动惯量的质量特征，为整车动力学建模提供数据来源；
步骤三：通过ANSYS软件对车架进行柔性体建模时，由于车架多由板壳件组成，通过ANSYS软件对车架进行建模时，将单元类型选为SHELL63，通过由底向上的建模方法来建立其的有限元模型，并进行车架前十阶模态分析；
步骤四：在ANSYS中建立车架柔性体模型，并建立刚性连接区域后转为mnf格式导入ADAMS，替代多刚体***中的刚性车架，与悬架、车体构件建立相互约束关系，建立整车刚柔耦合动力学模型；
步骤五：轮胎模型的选取，轮胎采用UA轮胎模型，该轮胎模型考虑了非稳态效果，同时包含了轮胎的纵向、侧向松弛效应；
步骤六：建立随机路面模型，平滑后的功率谱密度函数用最小二乘法将空间频率为0.011m-1到2.83m-1范围内的平滑数据，用一条直线进行拟合，路面功率谱密度的拟合表达式为：
在MATLAB/Simulink模块中建立路面功率谱密度计算模型，得出随机路面激励，并将该随机路面激励编辑为rdf文件导入到ADAMS仿真环境中；
步骤七：在ADAMS软件中装配整车刚柔耦合动力学模型，并设置初始及边界条件，在ADAMS软件中对车辆进行刚柔耦合行驶动力学分析，得到驾驶员座椅处垂直加速度；
步骤八：计算驾驶员座椅处垂直总加权加速度的均方根值aw，用其评价人体主观舒适度，计算公式为：aw＝[(1.4axw)2+(1.4ayw)2+azw 2]1/2，完成车辆行驶平顺性分析。
2.如权利要求1所述的基于随机路面激励的车辆刚柔耦合行驶平顺性分析方法，其特征在于：柔性体中任意一点P的绝对坐标表示为：
式中:rp——P在绝对坐标系中的位置；
R——柔性体坐标系在绝对坐标系中的位置矢量；
A——柔性体坐标系的方向矩阵；
柔性体的动能表达式为：
式中:M——柔性体的质量矩阵；
M表示为：
最后运用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动微分方程：
式中:K——柔性体的模态刚度矩阵；
M——柔性体的质量矩阵；
D——模态阻尼矩阵；
fg——广义重力；
Kξ,
——物体内部由于弹性变形和阻尼引起的广义力；
Q——对应于外力的广义力；
λ——对应于约束的拉格朗日乘子；
使用拉格朗日乘子法建立第n个柔性体的方程形式为：
式中：K为动能的表达式，Qn广义力，λ为拉式乘子；
对方程(1)进一步推导得到：
令
式中
为速度二项式，其中包含哥氏力和陀螺力引起的力学效应，将上式带入(1)中，得
将方程(2)与***的约束方程联立，构成多体***刚柔耦合动力学方程。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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