开题报告-基于ADAMSCar的FSAE赛车动力学仿真.doc

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告 本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 基于Adams的FSAE赛车动力学仿真 班 级 姓 名 院（系） 汽车工程学院 导 师 开题时间 2015.1.8 1课题研究的目的和意义1.1 课题研究目的本文是基于 SAE 方程式赛车(Formula SAE)基础上所开展的动力学研究。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。并且最终在该款 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。1.2 课题研究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。2国内外研究现状12国内数年前就开始相继有学校专项针对大学生方程式赛车进行性能研究，湖南大学作为国内最早参加FSAE的大学，在2008年1 2,湖南大学的张武用ADAMS建立了湖南大学FSAE赛车的整车虚拟样机，并运用国标进行整车操纵稳定性的动力学仿真和评价，改变参数变量,分析其对赛车操纵稳定性的影响规律，并提出改进意见。同年湖南大学的刘美燕针对FSAE悬架进行了仿真分析，并运用了多目标优化的方法对前悬架的主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角和车轮前束角变化进行了优化分析，并以稳态回转试验为例,探讨了后悬架轮胎倾角与轮胎束角对 FSAE 赛车整车操纵稳定性的影响,并对其进行了改进。20093年湖南大学的柴天结合FSAE赛车比赛规则和赛道的布置特点,从赛车底盘角度出发，提出了FSAE赛车设计参数制定的基本思路,确定了 FSAE赛车设计工作的基本方向和目标。在2011年，北京理工大学的倪俊4对和华南理工大学的吴健瑜5都对双横臂前悬架的运动学进行了的仿真及优化，研究了悬架参数中的敏感参数，获得了动态性能优越的悬架几何，改善了操控稳定性。同年，西华大学的廖小亮6利用ADAMS 软件建立FSAE 赛车悬架转向机构的虚拟样机模型，并对转向梯形机构进行优化设计，着重分析了梯形转向机构的几个约束条件和目标函数的建立，来改善赛车的操控性。另外，北京理工大学的倪俊、徐彬7基于ADAMS的基础上，建立了北理工FSAE赛车模型并进行了操纵稳定性仿真,特点在于建立了比赛赛道模型并仿真得到赛车在赛道上的极限行驶性能。在2012年北京理工大学的倪俊8针对赛车在弯道行驶时的动态转向特性进行了深入研究,得到了赛车在入弯和出弯时横摆角速度与前轮转角的传递函数,分别对轴距及转动惯量对赛车操纵稳定性的影响进行了分析。同年，北京理工大学的倪俊9总结了FSAE 赛车动力学仿真研究过程中UA 轮胎模型、Fiala 轮胎模型及魔术公式轮胎模型的选择及应用方法，简述了其建模机理，并给出了若干可以指导工程应用的结论。2013年，长安大学的周东玉10分析了悬架侧倾中心垂直位置和横向位置变动对赛车操稳性的影响，论述了控制侧倾中心横向位置的重要性；研究了车轮外倾角、前轮束角、悬架刚度、前轮主销偏置距对车辆稳定性的影响；改进了赛车操稳性的试验和评价方法，通过虚拟实验对赛车的稳态性能、瞬态响应特性和转向轻便性等性能进行了分析评价。同年，广东工业大学的王行11 以前后轴荷分配、质心高、转向系传动比、前后轮胎侧偏刚度和宽度比五个赛车设计过程中的主要设计参数设计变型车,并建立赛车及其变型车的整车模型,采用ADAMS提供的闭环控制方法对“驾驶员一车一道路”的闭环系统进行试验。在2014年，中北大学的姚一珂12 分析了悬架运动中导向机构变形、车身侧倾对外倾角等车轮定位参数的影响以及车轮定位参数对整车操纵稳定性的影响。国内从七十年代初,长春汽车研究所和清华大学都同时致力于车辆动力学的研究，研究工作主要集中在汽车操纵稳定性、平顺性性能指标的评价法、汽车力学模型的建立、车辆的性能预测和优化设计方法等13 14。1992年，清华大学的张海芩运用牛顿-欧拉法，建立了包含悬架系统、转向系统、轮胎模型和制动系统的非线性模型15，对汽车操纵稳定性和制动性进行了更进一步的研究。车辆动力学发展到了一个很高的水平。1973年16，美国Michigan大学教授等人研制出了ADAMS软件，国外车辆动力学中的操纵稳定性研究经历了由试验到理论，开环到闭环的研究过程。仿真计算也是由稳态到瞬态的响应仿真，力学模型由线性发展到非线性的多体系统模型。纵观国内国外，虽然动力学的建模和仿真在乘用车领域发展的很成熟，然而国内的大学生方程式赛车领域，相关研究比较少，所以这个题目还是很有研究意义的。3. 本课题的研究内容及技术方案本文的主要内容是运用虚拟样机技术，系统地完成以哈尔滨工业大学（威海）FSAE 赛车的操纵稳定性为研究目的的虚拟样机设计流程。利用虚拟样机技术建立赛车的整车动力学模型，参照国家标准试验和比赛项目对整车进行了操纵稳定性仿真研究。通过仿真，分析对影响操纵稳定性的因数及其规律，提出改进意见，为以后的 FSAE 赛车设计提供参考。主要研究内容及技术方案包括以下四个方面：（1）根据哈尔滨工业大学（威海） FSAE 赛车的所有结构参数，利用 ADAMS/Car 软件建立了整车的动力学模型，包括前后悬架系统、前后轮胎、转向系统及车身结构。从而将虚拟样机技术引入到 FSAE 赛车性能研究领域。（2）根据 ADAMS 的仿真控制原理，参照普通汽车的操纵稳定性道路试验方法和国家标准 GB/T6323-1994 汽车操纵稳定性试验方法，并根据比赛项目适当修改实验参数，进行操纵稳定性试验仿真，包括：蛇形试验、转向盘转角阶跃输入试验、转向盘转角脉冲输入试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验和稳态回转试验。并根据实验调试数据和赛事经验适当调整性能评价指标，使实验更有效。（3）选择赛车的主要结构参数，根据参数变化设计出几种变形车型。对所有的变形车型进行操纵稳定性试验仿真，将结果与原型车相比较，研究不同参数对赛车操纵稳定性的影响规律。（4）根据参数影响规律，对 FSAE 赛车就操纵稳定性方面提出改进意见，对今后的设计工作具有重要的指导意义。4. 本设计的特色本文特色是将国家标准 GB/T6323-1994 汽车操纵稳定性试验方法运用到FSAE赛车的性能的评价，根据实际调试数据和经验对标准实验参数做相应的调整，使之更加适合FSAE的赛车性能评价，形成具有特色的评价方法，为以后车队赛车动力学评价提供科学良好的基准。5. 进度安排1-3周：查阅资料，包括相关动力学仿真相关论文，操控性仿真评体系文献，动力学相关书籍，并学习Adams软件。4-5周：继续学习Adams软件及其模型机理。6周：收集整车与各个总成详细参数。7-9周：逐步完成各个总成Adams虚拟样机模型的建立，包括轮胎、转向、悬架、动力系统、车身系统、传动系统建模。10-11周：完成Adams整车组装及参数模型的调试，根据国家标准进行动力学仿真，得出仿真结果。12-14周：完成变种车的仿真，得出仿真结果。15-18周：整理运算实验成果，按照要求撰写论文各章内容，并准备答辩。6. 参考文献1 张武. FSAE赛车操纵稳定性的仿真研究D. 湖南大学,2008.2 刘美燕. FSAE赛车悬架仿真分析及操纵稳定性虚拟试验D. 湖南大学,2008.3 柴天. FSAE 赛车整车性能分析与研究D. 湖南大学, 2009.4 倪俊,徐彬. FSAE赛车双横臂前悬架运动学仿真及优化J. 车辆与动力技术, 2011, (4):51-54.5 吴健瑜. 大学生方程式赛车悬架设计及优化研究D. 华南理工大学, 2011.6 倪俊, 徐彬. 基于ADAMS的FSAE赛车建模与操纵稳定性仿真J. 工程设计学报, 2011, (5):354-358.7 廖小亮, 孙泽海. 基于ADAMS的FSAE赛车转向梯形机构的优化设计J. 湖北汽车工业学院学报, 2011, (4):39-42.8 倪俊. FSAE赛车动力学仿真中轮胎模型应用J. 汽车工程学报, 2012, 02(5). DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2012.05.08.9 倪俊. FSAE赛车弯道竞赛动态转向特性研究J. 车辆与动力技术, 2012, (2).10 周东玉. FSAE赛车总布置、悬架设计及整车操稳性分析D. 长安大学, 2013. DOI:10.7666/d.D408865.11 王行. 方程式赛车操纵稳定性研究D. 广东工业大学, 2013.12 姚一珂. 悬架特性对FSC赛车操纵稳定性影响的分析D. 中北大学, 2014.13 喻凡, 林逸编著.汽车系统动力学M. 北京：机械工业出版社, 200514 郭宽友.汽车操纵稳定性的影响闪素及评价方法研究J.重庆工学院学院学报(自然科学版),2007:07: 53-56.15 张威,张景海,隗海林,等.汽车动力学仿真模型的发展J.汽车技术,2003(2):3-6.16 贾长治,殷军辉,薛文星.MDADAMS虚拟样机从入门到桔通M.北京:机械工业出版社,2010.17 QC/T 480-1999. 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法S. 199918 GB/T 6323.6-1994. 汽车操纵稳定性试验方法 稳态回转试验S. 199419 GB/T 6323.5-1994. 汽车操纵稳定性试验方法 转向轻便性试验S. 199420 GB/T 6323.4-1994. 汽车操纵稳定性试验方法 转向回正性能试验S. 199421 GB/T 6323.1-1994. 汽车操纵稳定性试验方法 蛇行试验 S.199422 GB/T 6323.3-1994. 汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验(转向盘转角脉冲输入) S.199423 GB/T 6323.2-1994. 汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输入) S.199424 郭孔辉. 汽车操纵稳定性M .长春:吉林人民出版社. 1983 .25 郭孔辉. 汽车操纵动力学M. 吉林科学技术出版社, 199126 余志生. 汽车理论M. 第5版. 北京：机械工业出版社，2009 .27 王望予. 汽车设计M. 第4版. 北京：机械工业出版社，2004.28 鸠田幸夫. 汽车设计制造指南M. 北京：机械工业出版社，2011.29 任卫群. 车路系统动力学中的虚拟样机M. 电子工业出版社, 200530 (德)威鲁麦特. 车辆动力学模拟及其方法M. 北京理工大学出版社,199831 (美)格里斯比. 车辆动力学基础M. 清华大学出版社,200632 (美)拉贾马尼. 车辆动力学及控制M. 北京：机械工业出版社,201033 (德)米奇克. 汽车动力学M. 清华大学出版社,200934 雷雨成. 汽车系统动力学及仿真M.国防工业出版社,199735 安部正人. 车辆操纵动力学M. 机械工业出版社,201236 陈军. 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