（动力机械及工程专业论文）基于多体动力学及有限元的摩托车动态特性研究.pdf

摘要 一 我国是摩托车生产大国，用户对摩托车品质的要求也在不断提高。摩托车的 振动等动态特性是其品质高低的一个重要指标。本文将探索如何应用有限元技 术、多体动力学仿真技术、实验技术相结合的方式来研究摩托车的动态特性。 首先应用有限元分析软件对某摩托车车架进行自由模态分析，并对该车架进 行了实验模态解析，验证了车架有限元模型的正确性，总结出较高精度的车架有 限元模型建模方法。 其次在车架有限性模型的基础上，添加整车其他附件，建立完整的谐响应分 析模型，并以实际摩托车车架结构更改案例为载体，论证了模型和实验结果的一 致性，通过对比分析预测摩托车结构的动态特性变化趋势，为摩托车正向设计提 供理论依据。 最后在a d a m s 中建立摩托车整车刚柔耦合多体动力学模型，既摩托车虚 拟样机模型，研究了摩托车在实际路面激励和发动机激励下的动态响应特性，并 以提高摩托车平顺性为目的，研究了摩托车悬架参数对摩托车平顺性的影响。 本文将仿真技术与试验技术有效结合，对摩托车整车动态特性分析以及摩托 车的平顺性分析进行了有意义的研究。研究结论对摩托车整车开发及动态性能优 化有一定指导意义。 关键词：有限元多体动力学摩托车动态特性仿真 a b s t r a c t c h i n ai sn o wal a 唱em o t o r c y c l ep r o d u c e r t h er e q u i r e m e n t so fh i 曲q u a l i t yf o r m o t o r c y c l eh a v eb e e nh e i 曲t e n e d o n ei m p o r t a n tf a c t o ro ft h eh i 曲q u a l i t ) ，o f m o t o r c y c l ei st h el o wv i b r a t i o n t h eu s a g eo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，e x p e r i m e n t s k i l l ，a n dm u i t i - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o nf o r i n v e s t i g a t i n g t h e d y n a m i c so f m o t o r c y c l ei se x p l o r e d f i r s t i y ，t h em o d a lo ft h em o 仃o c y c l e 触m ew a s 锄a l y z e dw h i c hi su s e dt h e s o 觚a r eo ff e m t h et e s tm o d a l跏a l y s i so ft h ef r a m ew a sc o m p l i s h e d ，柚d v a i i d a t e dt h ef i n i t ee l e m e n t 锄a l y s i sm o d e lo ft h em o t o r c y c l e 仔a m e a 陀l i a b l ea c c u r a t e w a y t 0b u i l df e mm o d e lw a ss u m m 撕z e d s e c o n d l y ，a d dt h eo t h e ra c c e s s o r i e st 0t h eb a s i cm o d e lo ft h e 触m e ，s oaw h o l e m o t o r c y c i em o d e lw 嬲b u i l tf o rh a 册o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，i tp r o v e dt h e 、 ，h o l e m o t o r c y c l em o d e lc o i n c i d e n c cw i t ht h et e s tr e s u l tb a s e do nae x a m p l ew h i c ht h e r ea r e s 0 m em o d i f i c a t i o no nt h em o t o r c y c l e 矗锄es t r u c t u r e i tc a np r e d i c tt h em o t o rc y c l e d y n a m i cc h a 陀c t e r i s t i c sb yc o m p a r a t i v ea n a l y s i sa n di tp r o v i d e sat h e o 巧f o u n d a t i o n f o rm o t o r c y c l ed e s i g n f i n a l l y ；t h i sp a p e rb u i l daw h o l em u l t i b o d y d y n a m i c sm o d e lo fam o t o r c y c l ev i a a d a m s w h e r et h ei n f l u e n c eo ft h ei m p a c t sf 如mb o t hr o a da n de n g i n ei sc o n s i d e r e d t h ep r o t o t y p ec o u l db es i m u l a t e df o rd r i v i n go p e m t i o n w i t ht h er e s u l to ft h ev i r t u a l e x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e ra l s oe v a l u a t e dt i l eh a r s h n e s s ，v i b r a t i o no ft h ep r o t o 够p eb y c h 绷g i n gd i 毹r e n tp a m 】m e t e r so ft h es u s p e n s i o n i t st h eb a s i sf o r 如t u 代r i d ec o m f o r t s t u d y t h i sp a p e rm a d es o m em e a n i n g f h l ls t u d yo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o t o r c y c l e 如di t sr i d ec o m f o na n a i y s i sc o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o nt e c h n i q u ea n dt e s t t e c h n i q u e 1 1 1 e r e s e a r c h sc o n c l u s i o nh 舔 m e 粕i n g 如lg u i d 锄c e t 0t h e 、h o i e m o t o r c y c l e sd e v e l o p m e n t 卸dt h ed y n a m i cc h a m c t e r i s t i c so p t i m i z a t i o n k q 啊o r d s ：m u l t i b o d y - d y n a m i c s ，f i n i t ee l e m e n t ，d y n a m i cc h a m c t e r i s t i c s ，s i m u l a t i o n ， m o t o r c y c l e i i 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 近二十多年来，我国摩托车产业在改革开放的浪潮中得到飞速发展，目前早 已成为了世界摩托车生产大国。然而与急剧增长的产量相对比，我国摩托车行业 自主创新能力差、技术水平低下、相关配套基础设施落后。虽然以价格优势，占 领了部分拉美等第三世界国家的摩托车市场，但面对国外摩托车企业巨头( 如本 田、铃木、川崎、雅马哈、杜卡迪等企业) 强有力的竞争能力、原材料价格上调 等一系列不利因素的影响，国内的摩托车企业将面临残酷的挑战。另一方面，客 户对摩托车的安全性、动力性、经济性、舒适性的要求也越来越苛刻。由以前“代 步拉货”的需求逐步变化到“享受性、乐趣性、精致性”的需求。于是如果要在 国际市场竞争中取得有利的位置，真正的成为世界摩托车工业的制造基地，就必 须不断的提高创新能力、提升产品质量，满足不同市场的需求。 摩托车在实际行驶状况中，所处工作环境极其复杂、多变，尤其是中小城镇 以及农村和山区，由于道路状况严重、负荷大、以及用户的不正确操作行为，引 起了摩托车的很多问题，如车架的断裂以及骑乘舒适性降低，发动机噪音偏大等 问题。所以为了让摩托车工作得安全、可靠，对其动、静态性能的研究就显得尤 为重要川。因此如何在设计初期就能对摩托车强度、刚度、动态特性等做出正确 的评估和预测，已经成为国内摩托车企业急需迫切解决的问题。随着时代的进步， 计算机技术和数值计算理论的高速发展，特别是有限元技术和最优化设计技术的 发展和应用，一种跨学科的数值仿真技术计算机辅助工程( c a e ，c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术得以快速的发展，被大量用于摩托车的结构强度、振动舒 适性以及优化设计研究中1 2 】。这种基于虚拟样机的计算机数值模拟技术使摩托车 在动态环境下的行驶状况得以再现成为可能，并且能够做出定量的性能预测和分 析，是最为有效的现代化摩托车设计技术。然而国内企业在该领域的研究还处于 起步阶段，其创新能力差、技术水平低下以及相关试验设备和手段的欠缺等因素， 导致与世界领先水平仍然有很大一截差距。 与国内相比，国外汽车摩托车工业在计算机数值模拟技术上的应用较早。福 特汽车公司位于英国的子公司一美洲虎( j a g u a r ) 汽车公司采用计算机数值设计 分析技术对某车型发动机盖进行设计，其设计时间由2 个月减少为2 小时。事实上 美国福特汽车公司自2 0 0 0 年应用计算机数值设计分析技术后，其新车型开发周期 从3 6 个月降低到1 2 1 8 个月；开发后期设计修改率减少5 0 ；原型车制造和试验成 第一章绪论 本减少5 0 ；投资收益提高5 0 。美国的g e ，t i m k e n 等公司，欧洲的l o t u s 。s 从b 等公司引入了计算机数值模拟技术，取得了很好的成绩。日本s u z u k i 、y 鲫a h a 、 h o n d a 等世界知名的摩托车企业对计算机数值模拟技术研究和应用也极为重视， 他们均有自己专门的从事计算机数值模拟技术研究应用的队伍。但是国外企业非 常注重知识保护，具有参考价值的文献资料很难获取。随着我国加入世界贸易组 织，我国的摩托车产品已不再可能依靠政府来保护自己的市场，必须与国际接轨， 面对国际市场。我国摩托车行业想要立足于国际著名摩托车之列，就必须持续快 速的开发拥有自主知识产权、质量过硬、外观新颖而且成本低廉的商品。这就要 求我们在摩托车新产品的研发中，必须跟上现代科学技术的发展，从现在起就应 该对计算机数值模拟技术予以足够的重视。 1 2 国内外研究现状 在摩托车产品研发中，传统方法就只是静强度校核的静态设计。这种把本属 于动态过程的问题用静态问题来对待，其弊端很多。摩托车在实际道路行驶过程 中，将受到来自路面不平度和发动机工作的双重激励，是一种动态工况，因此应 对其动态分析。我国也有不少技术人员应用计算机数值模拟技术和相关试验技术 研究摩托车的动态特性。 唐倩等人建立了一种基于虚拟样机技术的摩托车整车的虚拟动力学模型 并对虚拟动力学建模系统中零件之间的连接关系处理、动载荷的合理施加等技术 难点进行了研究；通过输入路面载荷谱，分析了摩托车的平顺性能，并对结果进 行评价和优化，大大提高了摩托车的设计质量，该方法为摩托车产品的开发及改 进提供了有力的手段p j 。 陈松等人应用m s c a d a m s 建立摩托车的多刚体模型，并对其进行动力学 仿真，得出垂向振动加速度。对垂向振动加速度进行数据处理，得到垂向振动加 速度的自功率谱密度函数，并参考汽车的平顺性评价指标，利用加速度加权均方 根值为评价指标，对摩托车的平顺性进行评价研究【4 1 。 肖合林建立了发动机系统的受迫振动力学模型和摩托车在不平路面行驶的 受迫振动力学模型，分析摩托车振动原理，提出了摩托车减振措施的四个方向： 消除振源、避开共振区、采用适当的隔振器、提高车架抗振能力1 5 1 。 张志弘等作了摩托车整车振动性能匹配优化设计技术的研究，通过改变摩托 车车架的板厚、管厚、管径，前后减振器的弹性系数、阻尼系数，悬挂系统的弹 性系数等设计变量，达到了性能匹配效果【6 1 。 王韬等人利用有限元分析方法，对某整车，车架进行了模态分析，找出了其振 动原因，从实验和模拟分析两方面入手，对摩托车和核心部件车架进行结构改进。 2 第一章绪论 使摩托车振动烈度下降3 0 左右【1 7 1 。 顾灿松等人针对某1 2 5 摩托车局部振动比较严重，采用有限元分析软件 a n s y s ，对该款车架进行了结构模态分析，得到车架固有频率和振型，为后续车架 结构优化改进工作奠定了基础【8 】。， 国外摩托车企业对摩托车数值模拟技术的研究与应用较早。比如哈雷公司利 用计算机数值模拟技术来仿真整车迂回行驶在复杂地形过程，并以此为依据来评 估其设计摩托车的性能。还有些企业将摩托车数值模拟技术应用于竞赛摩托车设 计试验的整个环节中，根据模拟来实现悬架参数、操纵稳定性、质量布置等方面 的优化【9 】【l o 】【l l 】【1 2 】。在其他相关应用中，计算机数值模拟技术还被用于与开发试验 整个过程相结合，形成虚拟数据库等一系列应用。由此可知，国外的摩托车计算 机数值模拟技术已形成体系，并且可以作一些系统级别以上的仿真试验，由此大 幅度的减少物理样机试验。 1 3 论文研究目的及意义 1 3 1 研究的目的 本文研究目的有二：一是对于摩托车的舒适性，现在的用户越来越看重了， 往往成为选择该产品的重要因素。舒适性中起决定因素的是振动问题，包括路面 激励和发动机激励两种激励引起的整车振动，而这两种激励给乘客的感觉是不一 样的，前者是“颠簸”的感觉，后者是“发麻”的感觉。“发麻”感是企业和用户都不 能忍受的，所以本文主要针对发动机激励引起的振动问题进行研究。对于振动问 题的解决，往往又分为两种方式：正向法和逆向法。正向法就是在产品( 包括样 车) 还未生产出来的阶段就对振动进行控制，以使后来的产品能有较好的振动效 果。逆向法就是在产品( 包括样车) 已经生产出来了，发现振动效果不佳，然后 用降振、隔振等方法进行振动效果提升。本文利用现代计算机数值分析技术研究 了在正向设计时摩托车车架的动态特性和振动响应，形成一种进行车架振动设计 的方法。这对摩托车企业缩短新车型的开发周期，提高设计成功率，避免在批量 生产后因振动问题而蒙受经济损失，适应快速变化的市场需求，增强市场竞争力 具有非常重要的现实意义，同时该课题研究所涉及有限元理论、振动理论也有一 定的学术价值。二是利用某摩托车企业新研发的某型摩托车作为具体研究对象， 结合试验技术、计算机仿真技术对此摩托车进行动力学分析：用道路试验得到路 面文件等边界条件；用仿真软件建立分析模型：在模型足够精确的基础上进行平 顺性仿真分析；最后以提高摩托车平顺性为目的，采用实验设计的方法对摩托车 第一章绪论 悬架参数等进行了优化分析，使悬架参数等得到合理的匹配。 1 3 2 研究的意义 国内摩托车车型老旧，绝大部分是抄袭国外的产品。产品定位主要集中在中 低排量，在动力性和舒适性等品质方面的追求更是远远不足。重庆作为我国摩托 车的生产基地，有着摩托车世界之都的声誉，但仍然停留在仿制这个阶段，不论 整车还是零部件的自主设计、试验开发水平，相对国外先进的摩托车企业还是有 很大差距。重庆摩托车的产量处于国内领先地位，但设计开发水平还不高。因此， 解决我市摩托车工业发展面临的关键技术问题，确立我市摩托车工业在国内的优 势地位，增强我市摩托车在国内、国际竞争力已刻不容缓。 在摩托车的诸多使用性能中，目前国内生产的摩托车的乘坐舒适性还不态令 人满意，其乘坐舒适性不佳，档次上不去，影响了产品的品质和销售，甚至企业 的形象。因此在一个全新的摩托车产品设计完成之后，物理样机试制之前，必须 对它的动态性能有一个较为清楚的了解，这已经成为企业急需迫切解决的问题。 运用计算机仿真分析技术对摩托车虚拟样机的研究就恰好能解决这个问题。因 此，本论文拟对摩托车动态特性和平顺性等关键技术进行研究不仅具有理论价 值，对提高我市摩托车的自主开发能力也具有重要意义。 1 4 论文的主要内容 本文应用有限元分析软件针对我司某款骑式摩托车原始结构的振动特性与 采取一定控制措施后的振动特性进行计算机数值仿真分析，并与试验结果进行对 比，揭示由于摩托车车架及其与发动机、油箱、手把、脚蹬、后货架等组合体的 动态特性所导致的摩托车振动的原因，探索出在产品的正向设计阶段发现及控制 这种振动的有效方法，达到比较准确预测摩托车振动特性的目的。并且应用多体 动力学分析软件建立了刚柔耦合的摩托车整车多体动力学模型，详细分析了摩托 车在实际道路行驶时摩托车动态响应情况，最后以提高摩托车平顺性为目的，对 摩托车前悬架参数进行了优化分析。具体内容如下： 1 ) 结合试验法和解析法分析车架的模态特性，总结出较高精度的车架有限元 模型建模方法，为进一步分析做好基础。 2 ) 详细论述如何建立完善的摩托车谐响应分析模型、并以实际摩托车车架 结构更改案例为载体，论证模型和实验结果的一致性，通过对比分析预测摩托车 结构的动态特性变化趋势为摩托车正向设计提供理论依据。 3 ) 在m s c a d a m s 中建立摩托车整车刚柔耦合多体动力学模型，既摩托车 4 第一章绪论 虚拟样机模型，研究摩托车在实际路面激励和发动机激励下的动态响应，对它的 动态性能做一个较为清楚的了解，为后续的平顺性分析打下坚实的基础。 4 ) 根据多体动力学建立的平顺性仿真模型，讨论了摩托车前悬架参数对驾 乘舒适性的影响。 5 第二章摩托车车架有限元模型及其模态分析 2 1 引言 第二章摩托车车架有限元模型及其模态分析 摩托车车架是整个摩托车的脊梁，它支撑着发动机、骑乘者和其它总成。摩 托车在使用过程中，始终受到来自不平路面的激励以及发动机的激励，从而车架 不可避免会产生扭转变形、垂直平面内的弯曲变形和振动，进而影响摩托车的操 纵稳定性和乘坐舒适性等。车架的动态特性对车架在各种负荷下的振动、操纵稳 定性和乘坐舒适性都有很大的影响，因此，车架结构模态分析在现代摩托车结构 设计中具有十分重要的意义【1 3 】【1 4 1 【l s 】【嘲。 本章针对我司某款摩托车车架进行了结构模态分析，分析其动态特性。首先 简要介绍了模态分析的理论以及模态分析的两种基本途径解析法和实验法， 并分别利用这两种方法进行了车架的模态分析。 2 2 模态分析概论 模态分析理论【1 7 1 8 】是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的，近5 0 年来， 随着信号处理技术的进步、计算机处理能力的提升，模态分析理论已经形成为一 套独特的理论，广泛应用在机械、土木等工程领域中。 模态分析理论并不适用于所有结构，它有以下基本假设： 1 ) 线性假设：结构的动态特性是线性的，即任何输入组合引起的输出等于 各自输出的组合，其动力学特性可以用一组线性二阶微分方程描述； 2 ) 时不变性假设：结构的动态特性不随时间而改变，即微分方程的系数是 与时间无关的常数； 3 ) 可观测性假设：即用于确定系统动态特性所需的全部数据都是可测量的。 模态分析理论适用于线性时不变系统，但上述假设都是理想工况，实际系统 肯定不能完全满足上述假设，只能将实际结构近似、简化为一个线性系统。 对于线性时不变系统或者可以简化为线性时不变系统的结构，考虑一般粘性 阻尼情况，可看作为一个多自由度系统，可以建立如下运动微分方程组： 【m 】 支( f ) ) + 【c 】 j ( ，) ) + 【k 】 = f ( s ) )( 2 2 ) 简化为：【z 0 ) 】 x o ) ) = f o ) ) ( 2 3 ) s 是拉氏变换因子， x ( s ) 和 ，( s ) ) 分别是位移响应和力向量的拉氏变换， 【z ( s ) 】是动位移阻抗矩阵。则传递函数如下： 日( s ) ：熙：眺) 】。1 ( 2 4 ) x ( s ) ) 、 4 和z 是系统特征方程的根，因此，传递函数式( 2 4 ) 可重写为： 一眢2 2 氰+ 焉) 是常数，】，、【彳】：是留数且满足下式： 【彳】，= 口谚( 【z ( 以) 】) 兀e ( 4 一五) j t l j ， = e 口谚( 【z ( 以) 】)( 2 6 ) e 是一个与极点有关的常数，哪( 【z ( 4 ) 】) 的第，行与第，阶模态向量甲成 比例，则有： 砌( 【z ( 以) 】) = 尺， 甲) ， 甲 ：( 2 。7 ) 尺，是一与矩阵【爿】有关的常数，设q ，= e 尺，则传递函数可描述如下： 一善( 雩严+ 雩簪】 则频率响应函数矩阵： 鼢，= 喜( 等孚+ 雩孚】 亿9 ， 如将传递函数进行拉氏反变换，则可得到脉冲响应函数矩阵： 胃( f ) ：兰白， + m乍 1 m 一 ，枷 第三窳摩托车车架谐响应分析研究 3 4 6 左主脚蹬的测试结果 l 左主脚蹬试验左右方冉 z 嘲姗砌x 哪7 嘲姗瓢舶 1 左主脚蹬试验前后方向 硎t 哪m 帅 1 左主脚蹬试验上下方向 j |v h j 一 谴 一 一 i 2 o 姗姗堋吣7 啪姗 图3 2 8 实验中左主脚蹬传感器的位置及振动测试结果 分析图3 2 8 中的曲线不难看出：在左主脚蹬的前后方向，左测点的振动加 速度约在7 5 0 0 转有一个小的共振峰，为主振动方向；在左主脚蹬的左右方向、 上下方向，左测点的振动加速度显示在5 0 0 0 转后加速度的急剧上升，并在6 0 0 0 达到共振峰。 3 4 7 副脚蹬的测试结果 副脚蹬加速度传感器位置如图3 2 9 所示，其振动加速度的测试结果如图3 3 0 所示。 图3 2 9 实验中副脚蹬传感器的位置 3 9 第三章摩托车车架谐响应分析研究 1 左副脚蹬试验前后方向 1 右副脚蹬试验前后方冉 - ou 5 o 3 5 j _ o 书k 3 o f 2 5 一 ，o2 o ，l 2 o l一胛薯量 1 5 ，li 喜一薯 1 o 一l 朋 lo ，r v v 图3 3 0 副脚蹬振动测试结果 分析图3 3 0 中的曲线不难看出：在副脚蹬的前后方向，左右测点的振动加 速度都显示约在6 4 0 0 转有一个小的共振峰；在副脚蹬的左右方向，左测点的振 动加速度在6 4 0 0 转、8 0 0 0 转分别有一个共振峰，右测点的振动加速度在6 3 0 0 转有一个共振峰，并且副脚蹬的左右方向为主振动方向；在副脚蹬的上下方向， 左测点的振动加速度在6 4 0 0 转有一个共振峰，右测点的振动加速度在6 3 0 0 转有 一个共振峰：对比左右测点的加速度值可知，左副脚蹬的加速度值明显偏大。 3 5 整车仿真测试点与试验的对比 针对仿真模型我们采用了与试验相同位置的1 1 个点作为我们的评价点，包 括x ，y z 方向的振动位移频率响应数据，其中，淡蓝色线条代表x 方向( 前后 方向) 即摩托车行驶方向；紫色线条代表模型的y 方向。即为垂直地面的方向 ( 上下方向) ；红色线条代表z 方向，即垂直摩托车中性面的方向( 左右方向) ； 图中，横坐标为频率，纵坐标为位移响应。 需要说明的是： 1 ) 对于纵轴的数据，虽然是位移响应，但却不能认为是车架在某频率下的 第三章摩托车车架谐响应分析研究 真实的位移响应。这是因为，( 1 ) 在分析模型中，为了能把所有可能的振动都激 励起来，所施加的载荷比较大；( 2 ) 实际结构中其阻尼的大小不太确切，在仿真 中给整个模型施加的阻尼为0 1 。因此，对仿真结果中位移响应的评价，更多的 应从一个相对的角度去看，也就是说它反应了在某一频率下，车架上各点响应大 小的相对关系，或车架上同一点，在不同频率时响应大小的相对关系： 2 ) 实际中，发动机的激励包括侧击力和往复惯性力，并且他们具有不同的 相位，仿真中，这两个力是分别计算的，一方面是为了加载的方便，另一方面， 是为了知道车架对哪种激励更敏感； 3 ) 虽然在实际中，发动机激励的大小是随着发动机的转速急速上升的，但 在谐响应分析中，激励的大小始终是保持不变的，只有频率在发生变化。因此， 对低频和高频的响应进行评价时，必须考虑到这一点，不能用同样的标杆去衡量， 即是说低频的标杆要高些，同时由于谐响应分析本身的局限性和实验中必须增加 人为的操控，分析中约束的施加不能完全仿真实验状态，也会导致实验与计算的 偏差； 4 ) 对谐响应计算结果进行评价时，更多的是把一个相对的量进行比较，主 要是对比在一定的激励下，不同结构之间响应的差异程度，其绝对值没有太大的 意义。 5 ) 油箱与车架连接的松紧对分析结果也有很大的影响，由于实际中这种连 接可能是松、一般、紧三种情况，分析中，通过调节油箱前后连接处的单元多少、 材料厚度、弹性模量等，对这三种情况均进行了计算。 3 5 1 左手把内外各点仿真x y z 方向振动响应 一 -_- 。 ljl j-ji u“工t i i l 一 - i l j li i ju上工 i h u u i in lu u i 频率 频率 图3 3 l 左手把内外各点仿真x y z 方向位移响应 4 l m - 位移嘀应 h n 位移响应 第三章摩托车车架谐响应分析研究 表3 2 各图的主要频率下的峰值、频率对比 测点名称频率h zx 内外淡蓝色前后y 内外紫色上下z 内外红色左右 改进 6 4 6 2 5 7 6 1 9 05 4 0 9 6 门5 2 后车 8 4 1 2 52 6 9 48 2 96 0 9 l 把内 外点 9 4 2 51 4 6 l5 2 63 8 5 9 1 2 8 7 5 o 6 1 4 9 5 38 门0 1 4 2 6 2l 2 ll 门55 门3 试验结果中，左手把内外点在9 1 7 h 【z ( 5 5 0 0 r m i n ) ，1 0 0 h z ( 6 0 0 0 “m i n ) ，1 0 6 7 h z ( 6 4 0 0 r m i n ) ，l2 6 7 h z ( 7 6 0 0 r m i n ) 等频率有振动峰值。通过对比可知，仿真结果 中，均出现了相近的振动峰值，并且仍以前后、左右为主振动方向2 3 1 2 前坐垫 左右各点仿真x 腭z 方向振动响应。 3 5 2 前座垫左右各点仿真x y z 方向振动响应 f l 1 到l _ j l lli 一l - i i一jjl l i 1j l工工一工l 】j工工l u i u -u u u i 频率频率 图3 3 2 前座垫左右各点仿真x z 方向位移响应 表3 3 各图的主要频率下的峰值、频率对比列表 测点名称 频率h zx 左，右淡蓝色前后y 左右紫色上下z 左，右红色左右 6 4 6 2 5 2 7 8 6 4 1 32 0 2 8 4 1 2 5 5 71 8 ，1 91 5 1 4 前 坐 9 4 2 5 0 1 1 9 2 3 ，1 32 3 2 0 垫1 1 4 8 8i 0 31 8 ，1 0 3 l ，3 3 1 4 2 6 20 5 3 o 2 试验结果中，前座垫在9 1 7 h z ( 5 5 0 0 r m i n ) ，1 0 6 7h z ( 6 4 0 0 r m i n ) ，1 2 5h z ( 7 5 0 0 r m i n ) ，1 4 1 7h z ( 8 5 0 0 r m i n ) 等频率点出现了振动峰值，但加速度的值并不 大，仿真结果中，在相近的频率处均出现了振动峰值，并且其数值仍不大，且也 是以上下为主振动方向。 4 2 ” “ “ 。 位移响应 第三章摩托车车架谐响应分析研究 3 5 3 后座垫左右各点仿真) w 亿方向振动响应 h 址- 位 黔 1 i l n 一 i 一一j ll上j - t 一 一一一 jl jl j jl 1j- 】工工 h l工】” u u il i ，i 】i 1 i u 频率频率 图3 3 3 后座垫左右各点仿真x z 方向位移响应 表3 4 各图的主要频率下的峰值、频率对比列表 测点名称 频率h zx 左右淡蓝色前后y 左右紫色上下z 左右红色左右 6 4 6 2 55 2 61 3 0 1 51 0 7 1 1 3 8 4 1 2 58 1 52 8 3 92 0 2 l 后 坐 9 4 2 51 9 5 21 6 8 61 5 8 垫 1 1 02 l 1 82 l 1 7o 7 2 1 1 4 8 8l l 门64 8 4 92 0 1 4 1 5 2 7 58 81 3 1 35 5 试验结果中，后座垫在9 5h z ( 5 7 0 0 r m i n ) ，1 2 8 3h z ( 7 7 0 0 r m i n ) ，1 4 0 h z ( 8 4 0 0 r m i n ) ，1 4 1 7h z ( 8 5 0 0 “，m i n ) 等频率处均有振动峰值，且加速度的值大于 前座垫，在仿真结果可知，在相近的频率点处均出现了振动峰值，并且其数值也 大于前座垫，且是以上下、左右为主振动方向。 3 5 4 后扶手左右各点仿真x y z 方向振动响应 一 一 一 l 佚一 。一 一l u lj iij l - 一 一 l ul i一 一t 一|l 一j 上， 工l 工l n“1 l “u u u l iu u -工 频率频率 4 3 ” - u 位移响应 m 小 “ 位移响应 m - 位移响应 第三章摩托车车架谐响应分析研究 图3 3 4 后扶手左右各点仿真x y z 方向位移响应 表3 5 各图的主要频率下的峰值、频率对比列表 测点名称频率，h zx 左右淡蓝色前后y 左右紫色上下z 左右红色左右 6 4 6 2 58 2 3 7 1 9 4 8 71 8 8 1 8 7 8 4 1 2 54 2 l1 7 5 04 5 4 4 后 扶 9 4 2 57 9 1 0 81 3 5 2 0 06 7 手1 1 05 6 5 28 8 8 0l l 1 1 4 8 81 5 1 65 0 4 04 5 2 5 1 4 2 6 21 | 4 l l 5i o 1 5 2 7 56 91 4 1 82 l 2 2 试验结果中，后扶手在9 6 7h z ( 5 8 0 0 r m i n ) ，l l1 7h z ( 6 7 0 0 r m i n ) ，1 2 6 7h z ( 7 6 0 0 r m i n ) ，1 4 1 7h z ( 8 5 0 0 r m i n ) 等频率处均有振动峰值，且在三个方向的加速 度水平相当，由仿真结果可知，在相近的频率点处均出现了振动峰值，并且也是 在三个方向。 3 5 5 副脚蹬左右各点仿真x y z 方向振动响应 l “i 群 u u l i i r j _ lul jl 蕃 ， l u ii l 一 一 li l jliii u l juu 1 iu u u n u u 蜱频率 图3 3 5 副脚蹬左右各点仿真x z 方向位移响应 表3 6 各图的主要频率下的峰值、频率对比列表 测点名称 频率，h zx 左右淡蓝色前后y 蔚右紫色上下z 左右红色左右 6 4 6 2 58 9 7 0 7 53 4 9 3 8 4 1 2 56 52 9 1 95 0 1 2 副 脚 9 4 2 52 9 1 55 2 2 71 1 3 l 蹬1 1 4 8 84 0 71 5 l1 3 3 l l 1 4 3 0o 04 0l 2 1 7 2 6 26 5 l2 02 6 6 7 第三章摩托车车架谐响应分析研究 试验结果中，副脚蹬在1 1 1 7h z ( 6 7 0 0 r m i n ) ，1 3 3 3 ( 8 0 0 0 r m i n ) ，1 4 1 7 h z ( 8 5 0 0 r m i n ) 等频率处均有振动峰值，且左脚蹬的振动要大些，并以左右振动为 主。由仿真结果可知，在相近的频率点处均出现了振动峰值，且规律与实验基本 一致。 3 5 6 左主脚蹬仿真x y z 方向振动响应 i )lu 、一 l l 一 i 】jj工工，l ，iu lu lu i 频率 图3 3 6 左主脚蹬仿真x z 方向位移响应 表3 7 各图的主要频率下的峰值、频率对比列表 测点名称 频率h zx 左淡蓝色前后y 左紫色上下z 左红色左右 6 4 6 2 52 4 5 61 9 8 4 1 2 523 34 9 左 主 9 4 2 52 35 37 6 脚1 1 4 8 83 9 5 3 4 蹬 1 4 2 6 2020 1 7 2 6 21 8 81 8 试验结果中，左主脚蹬在1 0 0h z ( 6 0 0 0 r m i n ) 。1 2 8h z ( 7 7 0 0 r m i n ) ， 1 4 0 h z ( 8 4 0 0 r m i n ) 等频率处均有振动峰值，并且以前后为主。由仿真结果可知，在相 近的频率点处均出现了振动峰值，且也以前后为主。 综上所述，计算结果与实验结果的总趋势还是比较一致的，两者基本吻合。 因此说明所建立的计算机仿真模型可以较好的和实验反应结果相吻合，能较为准 确的体现出整车结构动态特性，分析模型能够达到工程精度的要求。这为摩托车 整车正向设计，预测其动态性能提供了坚实的基础。 4 5 位移响应 第三章摩托车车架谐响应分析研究 3 6 小结 通过对车型改进前后的模型进行谐响应分析，在模型建立的过程中，完成一个 整车有限元模型的基础上，针对改进措施，进行了改进部位模型的修改，在计算的 过程中依然采用相同的约束和激励的施加，同时在数据的提取中，提取的是相同位 置的位移信息，在整个模型的建立、计算、后处理中，均保证了模型的一致性和可 比性并能够很好的和振动试验结果吻合，说明模型可靠有实用价值。该分析方 法分析耗时短，可在相对较短时间内完成各种对策的对比，从而从中选择最佳对 策。 通过对计算结果的分析：第一款车架的振动特点是在发动机转速低于6 0 0 0 转的常用转速范围内，有三个比较明显的振动：5 9 7 5 h z 、8 0 7 5 h z 、9 2 h z ，尤其 是8 0 7 5 h z 和9 2 h z 的振动对驾乘的舒适性影响很大；添加改进措施后，整车各 部位的振动峰值在工作转速范围内的振动峰值得获得非常大的降低，振动性能相 对于改进前整车振动性能有很大的提高，由此可知，采取的改进措施是成功而又 有效的。我司对改进前后的摩托车整车平顺性进行了主观评价，驾驶员主观感觉 也验证了上述分析结论。 第四章基于实际道路载荷谱的摩托车动力学模型仿真 第四章基于实际道路载荷谱的摩托车动力学模型仿真 4 1 引言 摩托车在行驶状态下，将受到发动机工作激励和路面不平度激励的双重作 用。当外部的激励频率与摩托车结构的某一阶固有频率一致时就会发生共振，乘 坐舒适性和操纵稳定性将会受到严重影响，甚至车体上零部件的寿命，其中也包 括各种电器元件的可靠性也会受到一定程度影响。但是因为摩托车的整车模型较 为复杂，其固有频率分布也较为密集，所以研究摩托车在发动机工作时的激励和 路面不平度激励下的响应，是摩托车研究领域中十分重要的环节。 4 2 多体动力学仿真软件a d 删s 简介 m s c a d a m s 是机械系统动力学仿真分析软件【2 3 】【2 4 1 ，该软件是美国m d i 公 司( m e c h a n i c a ld y n 锄i c si n c ) 开发的虚拟样机分析软件。目前它被s y m p h o n y t e c h n o l o g yg r o u p 公司收购。a d a m s 己经被全世界各行各业的数百家主要制造 商采用。它提供与各类c a d 软件间的导入导出的接口，使建模更方便精确。在 汽车、航天、铁路、工程机械等领域均有广泛应用。a d a m s 使用交互式图形环 境和零件库、约束库、力库，可以创建基于全参数化的机械系统几何模型，其求 解器应用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对 机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用 力等曲线。a d a m s 软件可以分析机械系统的性能、运动轨迹、碰撞检测、峰值 载荷以及各个部件的受力情况，并且具有开放式结构，允许用户集成自己的子程 序，针对用户自己产品特点开发专用模块，其建模仿真的精度和可靠性在现在所 有的动力学分析软件中名列前茅。 a d a m s 软件拥有多种可选模块如：功能扩展模块、基本模块、专业领域模 块、接口模块和工具箱等。基本模块包含交互式图形界面v i e w 、仿真求解器 s o l v e r 和后处理p 0 s t p r o c e s s o r 。 本文应用a d a m s 仿真分析的步骤如下所示： 1 ) 系统建模：导入零部件，添加约束，施加载荷等； 2 ) 试仿真计算：设置测试目标量，调整求解参数，观察和分析仿真结果等； 3 ) 验证模型：调入实验数据，实验与仿真数据相关分析：调整模型等； 4 ) 优化模型：添加摩擦，替换柔性体，定义控制等； 4 7 第网章基于实际道路载荷谱的摩托车动力学模型仿真 5 ) 虚拟试验：试验设计研究，优化计算等。 4 3a d a m s 动力学仿真应用的解析方法和理论基础 4 3 1a d 州s 动力学仿真的解析方法 本节在参考文献1 2 5 】【2 6 】的基础上将动力学仿真分析涉及到的一些原理以及数 值求解算法简略做如下概述： a d a m s 运用拉格朗日方程建立机械系统动力学方程。它选取系统中每个刚 体的质心在惯性参考系中三个直角坐标和刚体方位的三个欧拉角作为笛卡儿广 义坐标，用带乘子的拉格朗日方程处理具有多余坐标的完整约束或非完整约束， 导出以笛卡儿广义坐标为变量的运力学方程。在进行动力学分析时，a d a m s 采 用变阶、变步长的向后差分算法的刚性积分器求解非线性动力学方程，适于求解 刚性系统；采用坐标分离法的非刚性积分器求解独立坐标的微分方程，适于求解 非刚性系统。 4 3 1 1 动力学方程的建立 a d a m s 利用反映刚体位置质心的笛卡尔坐标和能反映刚体方位的欧拉角 作为广义坐标，利用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： 丢耐一r 嘞蛳= q ， 完整约束方程： ( g ，f ) = 0 非完整约束方程： 口( g ，香，f ) = o 其中：t ：系统功能； 口：系统广义坐标矩阵： q ：广义力矩阵： p ：完整约束的拉氏乘子矩阵： ：非完整约束的拉氏乘子矩阵。 将( 4 1 ) 式改写为： ，( g ，材，西，五，f ) = 0 g ( 扰，雪) = “一口= 0 ( g ，f ) = 0 ( 4 2 ) 第四章基于实际道路载荷谱的摩托车动力学模型仿真 其中：口，“：广义速度矩阵； 五：约束反力及作用力矩阵； ：约束的代数方程矩阵。 4 3 1 2 动力学方程的求解 在对动力学、运动学和静力学分析之前，a d a m s 进行初始条件分析即装配 运算，目的是让系统中各物体的坐标和运动学约束协调，以便让系统满足所有的 约束条件。初始条件分析通过求解位置、速度和加速度等目标函数的最小值而得 到。 进行静力学分析时假设速度和加速度为零，则得到静力学方程： 娑( 娑) ri 一- 、 o qo q 塑 o d g 鼢= 吼 ( 4 3 ) 进行运动掌分析时研冗零目由反系统的位置、速度、加速度和约束反力，求 解系统的约束方程： ( g ，f 。) = 0 ( 4 4 ) 任一时刻，。位置的确定，可用n e 叭o n - r a p h s o n 迭代法求得： 剖，妒劬以) ( 4 5 ) 其中，幻，= g ，+ l g ，表示第次迭代。 约束方程通过求一阶、二阶时间导数便得到速度和加速度： ( 娑) 雪：一娑 ( 4 6 ) 瓦g 一百 4 6 c 詈，百= 擎+ 喜喜鲁鲥，+ 昙c 詈，口+ 毒c 詈，0 c 4 m 约束反力： c 等一= 一吾c 予c 等q ) c 4 剐 建立多