终期答辩-基于adamscar的fsae赛车动力学仿真

哈尔滨工业大学威海毕业设计答辩,基于ADAMS/Car的FSAE赛车动力学仿真,指导老师：王权姓名：李锟学号：110140226,论文跨架结构,选题目的及意义,目录,建模过程,轮胎模型选择,轮胎模型拟合过程,模型验证,稳态回转试验仿真分析,蛇行试验仿真分析,1,2,3,4,5,6,7,8,转向盘转角阶跃输入仿真分析,9,转向轻便性试验仿真分析,10,车辆质心纵向位置对操控性的影响,11,悬架弹簧刚度参数对操控性的影响,12,结论,13,选题目的及意义,本文应用动力学仿真软件ADAMS建立较为精确的 FSAE 虚拟样机，实现赛车底盘的参数化优化设计，可以迅速建立相近车型的整车模型，结合赛车其他系统的虚拟样机，对该 FSAE 赛车进行动力学分析，对赛车的操纵稳定性进行评估和优化，为以后的赛车设计提供了有效的参考。,汽车是一个复杂的系统，整车的操纵稳定性受到轮胎、悬架、转向等多方面因素的影响，基于赛车性能要求和普通车辆的差异，本文将从赛车性能要求实际出发，考虑悬架系统参数与整车布置参数对整车动力学性能的影响，在保证一定平顺性的基础上对操控性进行仿真优化，达到提高赛车操纵稳定性的目的。并且最终在 FSAE 赛车的基础上，通过多体动力学仿真，来检验和研究底盘参数对整车操纵稳定性的影响。,选题目的：,选题意义：,论文框架结构,第一章,阐述课题研究的目的和意义，介绍目前国内外的研究现状，以及概述课题研究的主要内容。,建立了ADAMS/Car虚拟样机模型，并进行了验证。介绍了轮胎模型的相关知识和选择依据。,参照汽车操纵稳定性试验国家标准，结合汽车操纵稳定性的理论，利用 ADAMS/Car软件对赛车虚拟样机进操纵稳定性试验的仿真分析。,本章运用国家标准对HRT原型车与变型车进行了仿真分析，进行了稳态回转仿真试验、蛇行仿真试验、转向盘转角阶跃输入仿真实验。,第二章,第三章,第四章,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,轮胎模型选择,轮胎是汽车系统最具有代表性的非线性部件,汽车操纵稳定性的计算精度很大程度上取决于轮胎力数学模型的精度。,在汽车动力学仿真中，轮胎建模的方法为数学模型“经验半经验模型”，目前广泛应用的有基于魔术公式（Magic Formula）公式的轮胎模型。,轮胎模型拟合过程,轮胎实验,实验数据,PAC2002轮胎模型,模型验证,组装形成FSAE 整车虚拟样机后，利用在赛道的实测数据对动力学模型的收敛性和仿真精度进行验证。,GB/T 6323.6-1994. 汽车操纵稳定性试验方法稳态回转试验,根据实验标准与比赛规则，使整车动力学模型在设定平路面上以最低稳定车速直线行驶（仿真中以10 km/h 为准），待车速稳定，调整方向盘转角使转弯半径为9.125m ，固定此时的方向盘转角，沿圆周稳定行驶一段时间后，开始缓慢连续加速（纵向加速度为0.4m/s2），直至汽车的侧向加速度达到18m/s2 ，记录整个仿真过程。画出：车厢侧倾角随侧向加速度变化曲线；前后轴侧偏角差值随侧向加速度变化曲线；转弯半径比随侧向加速度变化曲线ADAMS 仿真中不能直接输出不足转向角，根据以下公式求得：,评价与分析,根据 QC/T 480-1999 规定，本项试验按中性转向点的侧向加速度值an 、不足转向度U、车箱侧倾度K 三项指标进行计分，最后综合为稳态回转试验的计分评价。,中性转向点的侧向加速度计分表：,经过分析，这是由于赛车一直处于不足转向特性中，随着侧向加速度增加不足转向程度增加，当侧向加速度大于零时，将不会出现中性转向点，所以为了方便对比使 N =100。,侧偏角差与侧向加速度曲线斜率大于零，随着侧向加速度的增加，转向半径增加，赛车始终具有不足转向，但随着侧向加速度增加不足转向程度增加。,对于赛车而言，需要较小的转向不足度，来保证车辆的侧向极限性能；另外赛车注重高侧向加速度时车辆的操控稳定性，所以对评价标准进行部分修改。以侧向加速度为9.8 m/s2为不足转向度计算基准以侧向加速度为9.8 m/s2为不足转向度计算基准，不足转向度的上限值 U100=0.03 degs2/m，不足转向度的下限值 U60=0.16 degs2/m。,在国标中不足转向度U，按前、后桥侧偏角差值与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2m/s2处的平均斜率计算，不足转向度的上限值 U100=0.24 degs2/m，不足转向度的下限值 U60=0.60 degs2/m。评分按照下士计算,按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2m/s2处的平均斜率计算，其评价计分值按照下式计算：,对于普通车而言，N的满分值为 100。但 FSAE 赛车很少考虑平顺性，侧倾刚度值很大，所以其车身侧倾角小，N值已经超过 100。鉴于 FSAE 赛车目前尚无操纵稳定性的评价体系，以以上数据为基准，重新制定N100、N60的值，将该实验评价分数定为基准值，即N=80。经计算N100=0.05，N60=0.09。,稳态回转试验仿真分析试验的综合评价计分值：,蛇行试验轨迹曲线：,参照 GB/T 6323.1-1994：汽车在一定间隔的标桩间蛇行穿行，评价汽车的机动性、响应性和稳定性的试验。用汽车横摆角速度响应、转向盘转角、车身侧倾角、横向加速度等指标进行评价。,闭环控制的实现：,ADAMS/Car 提供了机器控制（Driving Machine）的方法，设计者可根据具体的试验要求创建物理试验过程。,平均横摆角速度峰值r,平均横摆角速度峰值r的计分值由下式计算：,FSAE赛车为单座方程式赛车，这就决定了赛车具有较轻的质量和转动惯量，这使得赛车在瞬态响应很快，已超出了标准的平均横摆角速度峰值的上限值，为此对标准的评价参数进行部分修改。平均横摆角速度峰值的上限值 100 =25.5 deg/s，平均横摆角速度峰值的下限值 60 =40.5 deg/s。,平均转向盘转角峰值 ,平均转向盘转角峰值 的计分值由下式计算：,在FSAE赛车中转向传动比为4：1左右，远远小于乘用车20:1的转向传动比，因此对评价指标进行部分修改，平均转向盘转角峰值的上限值 100 =16deg，平均转向盘转角峰值的下限值 60 =28deg。,蛇行实验综合评价计分值：,参照 GB/T 6323.2-1994，以阶跃形式进行角输入，用横摆角速度评价汽车响应特性的试验。,根据FSAE赛车特点，使侧向加速度达到9.8m/s2，阶跃时间0.2s。,转角阶跃输入试验的评价计分值由下式计算：,由仿真结果看出，FSAE赛车转角阶跃输入下的超调量为3%，所以赛车可以看做为欠阻尼系统，但非常接近临界阻尼状态。赛车的响应时间与轮胎侧偏刚度k有关，轮胎侧偏刚度越大，响应时间越小。,参照 GB/T 6323.5-1994，该试验汽车行驶轨迹是一种渐变曲率的双纽线。其极坐标方程如下：,闭环控制的实现：在 ADAMS/Car 中进行转向轻便性试验，转向盘是由软件内部的机器控制。所以，首先绘出双纽线，再建立 dcd 路径文件，再建立 dcf 控制文件，执行 dcf 文件驱动进行仿真。,转向轻便性试验按转向盘最大操舵力F m与转向盘平均操舵力Fs两项指标进行评价计分。,转向盘最大操作力Fm的评价计分值为：,根据转向盘平均操作力Fs的评价计分值为：,转向轻便性试验的综合评价计分值为：,FSAE 赛车转型系统采用最简洁高效的齿轮齿条转向器，无助力系统，赛车质量轻，但轮胎的摩擦系数大，所以表 3.18 中的转向盘平均操舵力仍在操舵力上下限值之内。转向盘的力既不能过大也不能过小，过大会导致车手在紧凑的赛道操作困难，过小会使反馈减小，车辆极限感降低。,车辆变型参数的选取,汽车的转向特性是汽车操纵稳定性中最为重要的一个内容，由公式稳定性因数K可以看出，质心至前后轴的距离 a、b 及前后轮胎侧偏刚度对汽车的转向特性有很大的影响。在赛车设计初期，为了使赛车总布置顺利进行，必须清楚质心纵向位置对整车操控性的影响，只对质心纵向位置进行研究。悬架系统对车辆的操控稳定性有着显著的影响，尤其是悬架弹簧的刚度，弹簧刚度直接决定车辆的侧倾刚度与适乘刚度，所以对弹簧刚度对操控稳定性进行研究。,变型车参数,仿真项目：对变形车进行定转弯半径仿真、蛇形实验、方向盘角阶跃输入实验。而方向盘反馈力的微小变化是经常被忽略的，所以转向轻便性实验不进行仿真。,在侧向加速度小于10.5m/s2时，原型车与变型车都呈现出轻微不足转向特性，变型车B质心位于前轴之前，转向不足度最大，变型车D质心位于质心之后，相对于变型车B转向不足度变小。仿真结果与双轴汽车线性模型是一致的。,在侧向加速度大于10.5m/s2时，车辆的在前后配重相等时即变型车C呈现轻微的转向不足；质心位于前后轴中点之前的变型车B，即前轴配重大于后轴配重时，赛车在小侧向加速度呈现轻微转向不足，当侧向加速度达到某一点时，赛车呈现转向过度。当质心位于前后轴中心之后时，随着后轴载荷比例的增大，赛车呈现的转向不足特性越大。仿真结果显然与小侧向加速度具有不同的趋势，这是因为赛车轮胎进入非线性区与线性区和非线性的过渡区的结果。此时，车辆的转向特性不能使用稳定因数判断。,原型车的横摆角速度峰值最大，变型车C的横摆角速度峰值最小。横摆角速度峰值越小，赛车的操控稳定性越好。,变型车D所需的方向盘转角最大，变型车C所需要的方向盘的转角最小。所需方向盘转角越小，赛车操控稳定性越好。,变型车与原型车均属于欠阻尼系统，原型车A与变型车C、变型车D响应时间基本一致，而变型车B响应最慢。,变型车D分数最高，变型车B分数最低。综上所述，FSAE赛车质心应该位于车辆几何中心之后靠近中心的区间，如果太靠近后轴会造成整车布置的困难，45/55的配重比可作为设计基准值。,变形参数选取,仿真项目：对变形车进行定转弯半径仿真、蛇形实验、方向盘角阶跃输入实验。而方向盘反馈力的微小变化是经常被忽略的，所以转向轻便性实验不进行仿真。,原型车与变型车都呈现出轻微不足转向特性。原型车A偏频处于中间值，转向不足度反而最小，转向特性与偏频并没有直接关系。转向特性变化主要是由于偏频改变引起的前后侧倾刚度比的变化。侧倾角度变化是由于赛车侧倾刚度变化引起的，侧倾刚度是由偏频间接决定的。,侧向加速度平均值、方向盘转角平均值与偏频不存在简单的线性关系。,在蛇形试验中，横摆角速度平均值随偏频的增加而减小。,在转角输入试验中，原型车A响应时间最短，响应最快；变型车E响应时间最长。,原型车A评分最高，变型车E评分最低。综上所述，在忽略平顺性的条件下，前后偏频比4.22/4.07可以作为设计基准值。,结论,汽车操纵稳定性指标限值与评价方法并不能很好的评价FSAE赛车，但根据FSAE赛车特点重新定义评价上下限度后，对仿真结果进行评价并计分，结果趋于合理。质心位置参数在小范围移动时，主要改变了车辆的稳态转向特性，当轮胎工作在非线性区间时，质心位于车辆几何中心之前使车辆具有转向不足特性的倾向，相反则具有转向过度的特性的倾向。对于HRT14赛车45/55的配重比可作为基准值。稳态回转实验与转向盘角阶跃输入的评分差距明显。前后偏频的改变会导致车辆的侧倾角刚度改变，在忽略防侧倾杆的作用时，偏频越高，车辆的侧倾角刚度增大。在一定范围内，偏频增大会使车辆横摆响应加快，超过某一值后，车辆横摆响应反而变慢。对于HRT