（车辆工程专业论文）轿车平顺性虚拟试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 签名：擀日期：卫邺珥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：与婶师签名： 1 1 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车平顺性是现代高速、高舒适性车辆的一个主要性能，更是同类汽车在 市场竞争中是否具有优势的一个重要指标。在竞争日益激烈的情况下，采用新 技术、新方法己成为提高产品竞争力的主要途径。虚拟样机技术集建模、仿真 于一体，可以缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量，从而达到提 高产品竞争力的目的。计算机技术的发展，虚拟现实技术的逐渐应用，可以实 现在计算机上建立汽车产品的三维实体模型和试验道路虚拟场景，使虚拟汽车 在虚拟的试验道路上行驶，以三维实体模型的运动体现车辆的平顺性情况。 论文以某轿车为原型，采用多体系统动力学软件m s c a d a m s 中的汽车动力 学分析模块a d a m s c a 建立了前悬架模型、后悬架模型、发动机模型、车身模型、 转向系模型、轮胎模型和随机路面模型，并组成整车多刚体系统动力学仿真模 型。根据国家标准分别对整车模型进行了平顺性脉冲输入试验和平顺性随机输 入试验。试验结果表明：该轿车以不同车速驶过三角形凸块时，其最大加速度 远远小于3 1 4 4 m s 2 ，对驾驶员的健康没有任何危害。 以随机路面谱作为系统输入，利用a d a m s 仿真车辆人椅系统三个方向加速 度响应在不同车速、不同路面等级下的变化规律。结果表明，振动响应随着车 速的增加而增加，随路面状况的变差而增大。这也就意味着车辆的行驶速度越 高，路面等级越差，车辆的行驶平顺性也越差。 逐项分析悬架及座椅的刚度和阻尼等车辆参数变化对车辆行驶平顺性的影 响。最后，根据试验设计方法中的近似d 一最优设计思想，选取悬架系统特征参 数( 刚度、阻尼) 作为优化参数，进行以降低驾驶员振动加速度均方根值为目标 的试验优化设计。汽车结果表明：采用优化后的人椅系统的垂向加速度响应有 了明显的降低，车辆的行驶平顺性有了较明显的改善。 关键词：轿车，平顺性，虚拟实验，仿真，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l er i d ec o m f o r ti so n eo ft h ep r i m ep e r f o r m a n c e so fm o d e mh i g h - s p e e da n d 1 1 i g h c o m f o r tv e h i c l e i na l li n c r e a s i n g l yc o m p e t i t i v es i t u a t i o n ，t h ei n t r o d u c t i o no f n e wt e c h n o l o g ya n dn e wm e t h o d sh a sb e c o m et h em a i nw a yt oi m p r o v et h ep r o d u c t c o m p e t i t i v e n e s s v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi n t e g r a t e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi no n e ，w h i c hc a l ls h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c ed e v e l o p m e n t c o s t s ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y ，s o a st oa c h i e v et h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h e c o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t s m o r e o v e r , i ti sa l s oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c e s t h a td e t e r m i n et h ev e h i c l ew h e t h e ri th a st h ea d v a n t a g ei nt h em a r k e tc o m p e t i t i o n a s r a p i dp r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n o lo g ya n da p p l i c a t i o no fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ， w ec a nc r e a t ea3 dv e h i c l em o d e la n dav i r t u a lp r o v i n gt e s tr i gi nt h ec o m p u t e r ，m a k e t h ev e h i c l em o d e lr u no nt h ev i r t u a lt e s t i n gr o a d ，t h e ne v a l u a t ei t sp e r f o r m a n c e t a k i n gac a l o fc e r t a i nm o d e la sa ne x a m p l e ，t h em u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e l s w h i c hi n c l u d ef r o n ts u s p e n s i o n ，r e a rs u s p e n s i o n ，p o w e r t r a i n ，c h a s s i s ，s t e e r i n gs y s t e m ， t i r e sa n dt h er a n d o mr o a dm o d e la l ee s t a b l i s h e dw i t ht h ev e h i c l ed y n a m i c sa n a l y s i s m o d u l ea d a m s c a ri nt h em u l t i b o d yd y n a m i c ss o f t w a r eo fa d a m sa n dw h o l e v e h i c l em o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h e s em o d e l s a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a l s t a n d a r d ，t h em o d e lo ft h ev e h i c l ew a sa n a l y z e db yt h ep u l s ei n p u tt e s ta n dr a n d o m i n p u tt e s to ft h er i d ec o m f o r t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u ma c c e l e r a t i o no f t h ev e h i c l ew a sf a rl e s st h a n31 4 4 m s 2 ，w h i c hw a sh a r m l e s sf o rt h ed r i v e r s h e a l t h ，w h e nt h ev e h i c l ed r o v et h r o u g ht h et r i a n g l eu n d e rt h ed i f f e r e n ts p e e d s t h er a n d o me x c i t a t i o no ft h ef o u rw h e e l si su s e da st h ei n p u to ft h es y s t e m t h e c h a n g i n gr u l eo ft h r e ea c c e l e r a t i o np o w e rs p e c t r u md e n s i t yf u n c t i o no fp e r s o n - c h a i r s y s t e mi nt h ef r e q u e n c yd o m a i n i nd i f f e r e n ts p e e da n dr o a di ss i m u l a t e db ym e a n so f a d a m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e rt h es p e e do ft h ev e h i c l ei sa n dt h ew o r s e 锰er o a dc o n d i t i o ni s t h eg r e a t e rt h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h ep e r s o n - c h a i rs y s t e mi s t h ea f f e c to ft h ev e h i c l ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h es t i f f n e s sa n dd a m p e ro ft h e s u s p e n s i o na n dt h es e a t ，i sa n a l y z e d f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o no p t i m i z e st h es u s p e n s i o n p a r a m e t e r ss u c ha st h es t i f f n e s sa n dd a m p e ra c c o r d i n gt os i m i l a rd - o p t i m a ld e s i g n r e g a r d i n gt h e r o o tm e a ns q u a r ev a l u eo fd r i v e r sa c c e l e r a t i o na st a r g e t ，t h e i i i i i 学硕士学位论文 录 1 4 本论文的研究内容8 第2 章平顺性评价方法9 2 1 汽车平顺性评价方法9 2 1 1i s 0 2 6 3 1 - 1 ( 1 9 9 1 ) 1 0 2 1 2i s 0 2 6 3 1 - 1 ( 1 9 9 7 ) 1 4 2 1 3 我国的平顺性评价方法1 6 2 2 本文的评价指标1 8 2 3a d a m s 软件介绍1 9 2 3 1a d a m s v i e w 模块2 0 2 3 2 求解器模块( a d a m s s o l v e r ) 2 1 2 3 3 后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 2 2 2 3 3 试验设计与分析模块( a d a m s i n s i g h t ) ：2 3 2 3 4 轿车模块( a d a m s c a r ) 2 5 2 3 5 轮胎模块( a d a m s t i r e ) 2 6 2 3 6a d a m s c a rr i d e 模块2 6 2 4 本章小结2 7 第3 章轿车仿真模型的建立2 8 3 1a d a m s c a r 建模基本原理2 8 3 2 前悬架模型的建立2 9 i i i l l 3 5 5 7 1 一_ 一 一 一 一 一 一 一用 一型 一 一 一 一 一 一 一应 l i ， 一 一 一 一 一 的 一一 一 一 一 一 一 一 一中 一1 l 一 一 一 一 一 一 一究 n 1 一 一 一 一 一 一 一研 一 一 一 一 一 一性 j毫 工 一 一 一 一 一 一展顺 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 后悬架模型的建立3 2 3 4 转向系统模型的建立3 4 3 5 动力传动系统模型的建立3 4 3 6 刚性底盘及座椅模型的建立3 5 3 7 轮胎模型的建立3 6 3 8 整车模型的装配3 7 3 9 本章小结3 8 第4 章汽车平顺性的分析3 9 4 1 引言3 9 4 2 随机干扰路面的生成3 9 4 3 平顺性随机干扰路面输入仿真4 1 4 3 1 平顺性随机水泥路面输入仿真4 2 4 3 2 平顺性随机沥青路面输入仿真4 4 4 4 平顺性脉冲路面输入仿真4 6 4 5 汽车前后悬架刚度与阻尼对平顺性的影响4 9 4 5 1 汽车前后悬架刚度对平顺性的影响4 9 4 5 2 汽车前后悬架阻尼对平顺性的影响5 0 4 5 3 汽车座椅刚度与阻尼对平顺性的影响5 1 4 5 4 汽车轮胎刚度对平顺性的影响5 3 4 6 本章小结5 3 第5 章汽车平顺性的优化5 4 5 1 汽车平顺性改进5 4 5 2 近似d 一最优设计的实现5 5 5 2 1 选择优化目标5 5 5 2 2 选择优化变量5 5 5 2 3 约束条件的确定5 5 5 2 4 进行优化设计5 7 5 3 悬架优化前后的对比6 0 5 3 1 平顺性随机沥青路面仿真结果对比6 0 5 3 2 平顺性随机水泥路面仿真结果对比6 2 5 3 3 平顺性脉冲路面仿真结果对比6 2 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 文研究的背景及意义 当今科学技术的不断提高以及人们对消费水平的不断提高，对汽车也 高的要求，不仅仅要求汽车能够作为代替步行的工具，而且要求汽车 供更高的舒适性，使驾驶员能够在驾驶汽车的时候能够感受到喜悦， 面以及汽车本身的振动带来的巨大的烦恼。所以，为了满足人们的需 对汽车进行平顺性的分析，了解汽车上的哪些部件对汽车平顺性影响 并对其重新设计及优化，来达到提高平顺性的目的。 在行驶的时候，由于路面的不平、发动机零部件、传动系以及车轮等 使得汽车在行驶的时候出现振动。短时间的振动作用，能够增强人的 主要原因是，在刚开始的时候，人体潜在的适应能力发挥的很好，最 与来自汽车的振动相抗衡，但是如果振动的时间很长，就会使人感到 有一种烦躁的感觉。人体生理、心理承受振动有一定的负荷，如果超 出这个范围，乘员会感到很不舒适，严重的会产生病理性损害；如果整个身体 处于长时间的振动之中，驾驶员会有胃病和脊椎病的产生，会感到肌肉酸痛、 不愿意活动、两只双手有麻木的感觉、没有力气等；当驾驶员收到长期的振动 作用时，会分散其注意力，不能精确地完成某项动作。在不平坦的道路上以较 高的速度行驶时，驾驶员看到的范围，对事物的判断以及对物体的颜色的确认 都会受到影响。这样驾驶员就不能像在很好的路况下发挥出驾车的能力，往往 会对车辆之间，行人之间的距离产生误差，或者对道路上的交通指示信号、道 路标志不能正确的识别。在汽车上，这些振动主要是靠汽车上的悬架、座椅、 轮胎等零部件来降低。悬架是汽车中非常重要的一个部分，它的作用是将车身 与与地面接触的车轮连接在一起，将整车组合在一起。 汽车平顺性主要是指保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员 舒适性的影响在一定界限之内，对载货汽车还包括保持货物完好的性能川。由于 平顺性主要以主观评价方法来评价其平顺舒适性，所以也称为乘坐舒适性。它 是现代高速汽车的主要性能之一。如果车辆的平顺性较差，它会影响汽车动力 武汉理工大学硕士学位论文 性和经济性。因为汽车的各个性能是相互制约的。限制汽车的振动在一定的范 围之内，能够确保驾驶员在较长的时间内和复杂的工况下，具有良好的心理和 生理状态、准确灵敏的反应。所以，提高汽车的平顺性对驾驶员以及对生产企 业至关重要。 由于汽车的平顺性主要是受悬架结构、轮胎、悬挂质量和非悬挂质量的影 响，所以研究汽车的平顺性主要从上面几个方面入手。汽车上的各个零部件不 是简单的刚体，其本身与其他零部件之间是一个复杂的组合体。所以汽车是一 个动态的系统。在路面上行驶时，由于路面的不平产生的振动，发动机本身产 生的振动以及传动系统产生的振动等一起通过悬架传到车身，再通过座椅传递 到驾驶员，使驾驶员感受到振动。总结来说，要研究汽车的平顺性，就得研究 来自路面的激励、车辆对激励所产生的响应、人体对振动的反应和界限【l6 1 。 路面激励主要包括来自路面的激励和汽车自身的激励。来自路面的激励指 的就是由于路面的不平度所产生的，它是汽车激励的主要来源。我国有两个标 准，一个是“车辆振动输入地面平度表示法”，另一个是“路面不平度表示 方法草案 【1 7 1 。这两个都是用来对路面的功率谱密度函数进行拟合的。生成路面 不平度的时域模型基本上有下列几种方法【8 】【9 】【l o 】【1 1 】：伪白噪声法、谐波叠加法、 快速f o u r i e r 反变换生成法、而汽车自身的激励主要指的是汽车本身的激励，主 要有发动机运转产生的振动、传动系统产生的振动、还有就是轮胎( 车轮) 的 激励这三部分。 在研究汽车平顺性的时候，需要我们建立汽车的模型。根据模型的自由度 分类有单自由度和多自由度两类。我们知道，根据汽车的力学特性，如果选择 的汽车的自由度数多的话，那么仿真出来的结果与汽车的实际情况就越接近。 如果我们建立的模型是整车模型，那么在建立的时候，会建立轮胎、悬架，那 必定要考虑他们之间的连接，也就是耦合作用；并且考虑到连接处用橡胶衬套 连接，由于其有非线性特性【1 2 儿1 3 】。所以整车模型更能准确的反应实际情况。然 而，自由度数多，所带来的问题是，我们需要更多的参数，但是，一些参数很 难获得，所以参数的确定会给我们仿真的结果带来一些误差。在建立模型的时 候，我们也应该从实际出发，比如一些对平顺性影响不大的因素可以将其忽略， 考虑主要因素，这样可以适当的简化模型而又不很影响模型的精确度，所以， 在建立整车模型的时候，最关键的问题就是怎样既简单又准确的建立模型。 2 武汉理工大学硕士学位论文 对汽车的平顺性进行研究，目的就是对其结果进行分析，结果的好坏需要 评价方法和评价指标。因为汽车平顺性的好坏是以人的感觉的舒适度的依据的， 所以在评价的过程中，人是很重要的一个环节。目前，主要有两类对汽车振动 的评价，主观评价和客观评价。主观评价法涉及到人，所以需要有专门的人员 对其进行评价。客观评价方法主要是考虑汽车的隔振能力，将汽车上的各个物 理量作为客观的评价方法，并且适当的考虑人体对振动反应的敏感程度来评价 汽车的平顺性，这种方法被认为是一种比较适中的方法。 1 2 汽车平顺性研究国内外现状 在上一世纪四十年代左右，对于汽车平顺性的研究主要集中在认识到了汽 车的平顺性的重要性以及对汽车的平顺性开始着手做这方面的实验，对座椅及 悬架的结构进行分析研究，并且研制出了独立悬架，汽车的平顺性得到了改善。 从上世纪七十年代开始，随着计算机得到越来越普遍的应用，研究人员可以在 上面建立复杂的模型，并且计算的速度和精度也有了很大的提高，缩短了计算 时间。此时建立的模型一般为7 自由度的。在上世纪八十年代到九十年代，分 别出现了1 5 、1 7 、1 8 自由度的模型。 在国内，在1 9 7 6 年，长春汽车研究所郭孔辉发表了汽车振动与载货的统 计分析及悬挂系统的参数选择，在里面关于对单输入二自由度的汽车系统提出 了选择悬挂参数的问题【lj 。 1 9 7 8 年，武汉工学院的老师提出了九自由度的汽车振动模型，对其在计算 机上进行了4 个车轮随机输入的模拟，来测量所产生的的车身加速度响应。在 1 9 8 2 年，北京工学院的章一鸣教授等人在研究汽车平顺性的时候，把优化设计 也应用于此，获得了良好的结果 3 1 。 长春汽车研究所与吉林工业大学两单位利用m t s 电子液压振动台进行 c a l 4 1 汽车振动参数的动态识别，其模拟结果与实际的结果十分相似。宋传学， 张洪欣，王秉刚等于1 9 8 5 年建立了包括车身弯曲和扭转在内的十自由度三维模 型。 在上世纪八十年代，出现了1 0 自由度的模型，1 9 9 3 年东风汽车工程研究院 谢卫国模拟了十八自由度的半挂车的振动。广州汽车研究开发中心的孙建成， 3 武汉理工大学硕士学位论文 于1 9 9 8 年应用系统动力学和随机振动理论，建立了考虑车体弹性和发动机支承 影响在内的二维十五自由度车辆线性系统模型。 华中科技大学于2 0 0 3 年通过分析汽车振动源和人体对振动的反应，建立了 具有十三个自由度的“人一椅一车系统 动力学模型，并运用随机振动理论给 出了模型的振动形态、传递函数、车轮的动载荷、座椅加速度等参量。 南京理工大学的苏小平以依维柯汽车为研究对象，建立了依维柯整车系统 刚柔耦合的多体动力学仿真模型，采用模态集成方法和离散化方法分别建立汽 车横向稳定杆和板簧的柔性体，并开发出了一套针对于依维柯系列车型或具有 相同悬架结构的其它车型的基于a d a m s 的优化设计专用软件a d a m s w e c o 。 在座椅这方面的研究的也收到了良好的成果。由于座椅在平顺性这一方面 起着很重要的作用，所以座椅的研究也开始收到了重视。例如，清华大学、长 春汽车研究所进行了有关这方面的研究。二十世纪九十年代，重庆大学徐中明、 吉林大学林逸等人分别对汽车的座椅进行了各个方面的研究，并对其进行优化， 收到了良好的结果。 在汽车的悬架这一方面。华南工学院和中国汽车技术研究院中心提出了非 线性参数的工程估计方法。二十世纪九十年代，章一鸣等人利用微机控制对悬 挂的阻尼进行自动调节的方法，使得平顺性大大的提高。吉林工业大学庄继德【4 】 提出了自校正参数为以控制信号零阶保持时间宽度的方法。2 0 0 0 年合肥工业大 学的陈无畏【5 】等人研究了半主动悬架的非线性神经网络自适应控制，提出了基于 神经网络的自适应控制策略，得到了有效的控制。 1 9 5 7 年，德国学者d i c k m a n 提出了k 系数法，但这个标准是在确定性输入 下建立的，并且试验是单向振动的。 在1 9 6 8 年，p r a d k o 与其他人以试验为基础提出了吸收功率法吸收功率法。 把人体考虑成弹性体。在相同的振动条件下，健壮人体的吸收功率值较小，刚 体的吸收功率值为零，实车的试验对象必须是真人或是模拟人，若用刚体代替， 结果不可靠。人体吸收的能量越大，所受的干扰越大，越感到不舒服。 1 9 7 2 年，德国米奇克提出用座椅垂直加速度的均方根值和整车纵向加速度 的均方值，评价汽车的平顺性。但是这种方法只考虑了汽车本身的振动，而没 有考虑承受振的人的因素。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 7 8 年，国际标准化组织颁布了人体承受全身振动的评价指南国际标 准，对全面系统地研究人体对振动的响应有重要的指导意义。 1 9 8 5 年和1 9 9 3 年重新颁布人体承受全身振动的评价指南国际标准。新 标准用考虑频率加权和轴加权的人体承受的总振动加速度均方根值来评价乘员 的舒适性，是目前比较全面地考虑各种振动对人体影响的评价方法，因此引起 各国的重视。 进入八十年代，美国的m i c h i g a n 大学运用计算机技术开发了1 7 个自由度完 全的数字车辆仿真模型。模型主要包含汽车模型i d s f c 和驾驶员模型d r i v e r 。 驾驶员模型可单独改变而不影响车辆模型。驾驶员模型用来控制输入的转向力 矩、制动力矩和驱动力矩。 国外人员在建模的时候，所采用的方法有集中质量法、有限元法以及模态 分析法。集中质量法的优点；由于将模型简化，所以模型的结果简单，在计算 机上计算速度快，使用的时间少，所以应用的比较多；有限元法，顾名思义， 就是将汽车简化成很多个单元，由于单元的数目比较多，所以模型相对复杂， 相对于集中质量法来说，在计算机上计算得时间要长一些；模态分析法是通过 。对实车的动态测试，获得系统的频响特性和模态参数的数学模型，这种方法可 以为结构的动态优化和修改设计提供依据，但在产品设计的初始阶段不可能采 用，它主要用于产品设计【6 l 。在车辆的结果参数的方面，从1 9 8 0 年以来，由于 汽车的各个相关的知识及设备的应用及出现，使得在汽车平顺性这一方面有了 很大的进步。比如现在有些汽车采用的半主动悬架、主动悬架以及空气弹簧悬 架等。 1 3 虚拟样机技术的应用 1 3 1 虚拟样机技术起源及发展 随着计算机科学技术机器相关理论的不断研究发展，汽车的操纵稳定性与 平顺性仿真越来越容易，变的更加真实可靠呲1 4 】【1 5 】。虚拟样机技术是一项新生 的工程技术。通过虚拟样机技术，仿真技术人员可以建立机械系统的模型；并 且可以以三维的视图观察以及对它进行修改等操作。虚拟样机技术还可以模拟 在现实中的一系列的运动，在仿真后得到仿真结果的基础上，还可以对其进行 5 武汉理工大学硕士学位论文 优化设计，提高模型的精确度。 为什么现在的每一项科学技术的出现后能够得到普遍的应用，其中最关键 的原因在于在市场上有很大的需求以及其科学技术已经很成熟了。 现在经济贸易已经覆盖了全世界，你想在如此激烈的竞争中获得成功。最 关键的办法就是减少商品的生产时间，做出好的质量的商品，并且以低的价格 以及能够及时了解市场上的一举一动，只有这样才可以获得成功。哪一家能够 提前将商品上市，哪一家就可以拥有这个市场。所以，以前的生产设计是根本 无法与现在的生产技术相抗衡的。 在以前的生产设计中，第一步要做的就是理论上的制作设计方案，后面就 是对商品研究设计。在上面的工作完成后，为了看看其效果，还有对其生产出 来的样品做实验分析，这些实验分析有可能会将样品完全破坏掉。如果从实验 结果中找到不足，就需要对样品反复地重新的进行优化设计并且要再一次做实 验分析。最终要的结果就是使得生产出来的商品能够达到所指定的要求。上面 这一过程花的时间可能非常的长，特别是那些结构很错综复杂的机械系统。如 果一个产品的生产花很长时间，那么就不能及时的跟上市场的需求了。如果一 个产品是通过人工生产出来的，这毫无疑问的是产品的成本增加了。在通常的 情况下，技术人员为了让商品可以很快的上市，就不采用人工生产了，这样无 疑会给商品带来一些缺点。在现在如此激烈的市场竞争下，通过现实的样品设 计生产会很大程度上降低了产品的质量、提高了生产成本以及不能及时上市。 现在随着科学技术以及计算机的广泛的应用，计算机可以为我们做许多工 作，例如，计算庞大的数据等。在对于现实的样品做实验同样可以通过计算机 来实现。因为每一个机械系统的运动都会遵循物理上的运动规律，所以只有我 们将这些规律通过编程的方法应用到计算机中去，便可以实现我们的目的。我 们可以在计算机屏幕面前看到我们想要的样机模型，并可以看到他们的真实的 运动。能够按照我们指定的方式来运行并进行设计优化等。一个产品从设计到 生产的整个过程都会涉及到虚拟样机技术。 虚拟样机的优点： 1 ) 与物理样机试验对比起来，能够更迅速、更好的降低成本，分析哪些设 计变量对产品性能有多大影响； 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 在开发流程的每个阶段获取更完整的设计信息，可以将开发风险降到最 低； 3 ) 通过分析大量的设计方案的分析，优化整个系统的性能，提高产品质量； 4 ) 在仿真分析时，在不改变其他的条件下，可以多次改变模型的任意参数 进行仿真分析，而无须更改试验仪器、固定设备以及试验程序； 5 ) 可以让你的工作环境更有保证，不会失去重要的数据或其他外界环境的 影响使使用设备不工作。 1 3 2 虚拟样机技术在汽车平顺性研究中的应用 虚拟模型技术是计算机工程里面计算机辅助工程( c a e ) 其中的一个部分。虚 拟模型技术是c a e 的别的分支，这个分支含有有限元分析技术等。虚拟模型技 术与其它分支是有所不同的，不同点是在系统里面，虚拟模型技术是从表面开 始来分析整个系统的，但其他的分支则不同。正是因为这个原因，虚拟模型技 术在产品的生产设计过程中占有非常重要的地位。虚拟模型技术既能够减少生 产产品所花费的时间，又可以大大的减少生产成本以及得到好的质量，并且它 把整个产品的生产设计过程改变了。 在以前，产品的设计方式是从由下面到上面的：先从一个一个的部件设计 开始，再到整个机械的设计过程。它最大的缺点是一些设计师通常只会注意到 一些小的问题上，不能从总体的全面的考虑问题。在中国，这些事情比较普遍 出现，特别是在了解分析进口的产品样机中。虚拟模型技术的出现，可以通过 它来解决上面的问题。可以先从整个机器开始，再到里面的每一个零部件。这 样可以大大地减少了某方面带来麻烦。 现在虚拟样机技术普遍地延伸到了每一个行业里面，例如：汽车的生产制 造、飞机的生产设计、轮船的生产设计等，现在虚拟样机技术已经与我们的生 活密不可分，使我们的生活质量大大的得到了提升，生产效率得到提高，为企 业降低了生产成本，减少了时间并设计出很好的设计方案。 目前，虚拟样机技术在汽车的平顺性研究中得到了广泛的应用。比较普遍 的有由美国的著名软件公司的m d i 与a u d i 、b m w 、r e n a u l t 和v o l v o 这几个公 司共同开发的一款软件a d a m s 。此软件的主要应用在：a d a m s 是全球运用最为 7 武汉理工大学硕士学位论文 广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用a d a m s 在计算机上建立和测试虚拟样 机，实现实时再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。应用m da d a m s c a r ， 技术团队可以快速建立和测试整车和子系统的功能化虚拟样车。这可以帮助在 车辆研发过程中节省时间、降低费用和风险，提升新车设计的品质。通过m d a d a m s c a r 的仿真环境，汽车工程师们可以在虚拟环境中对于不同的路面、不同 的实际条件反复测试他们的设计，从而得到满意的结果。m da d a m s c a r 包含许 多的功能模块用于多学科仿真。 1 4 本论文的研究内容 1 本文的研究目标：对某型汽车在a d a m s c a r 模块里面正确的建立前悬架模 型、后悬架模型、发动机模型、车身模型、转向系模型、轮胎模型并组成整车 多刚体系统动力学仿真模型并进行调试，使模型能够进行仿真，分析影响汽车 平顺性的因素，利用近似d 一最优设计对主要因素进行优化，提高汽车的平顺性。 2 研究方法是在r id e 模块里面模块根据国家标准分别对整车模型进行了 平顺性脉冲输入试验和平顺性随机输入试验。后面分析了影响车辆行驶平顺性 的因素，包括悬架及座椅的刚度和阻尼、轮胎的刚度。在优化的时候，选取优 化的设计变量为前后悬架的刚度和阻尼；选取的优化目标函数是座椅处的垂向 加速度均方根值，对在a d a m s 里面建立的整车模型进行了对平顺舒适性的优化 设计。优化后的结果证明：将优化后的前后悬架刚度与阻尼代入模型重新进行 仿真，所得到的结果变小了，车辆的行驶平顺性有了较明显的改善。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章平顺性评价方法 2 1 汽车平顺性评价方法 汽车平顺性的评价过程是非常复杂的，它包括乘员、汽车、道路三个方面， 在这里面人是最灵活的一个影响因素。目前，对于汽车平顺性进行评价来说， 主要有主观平顺性评价方法和客观平顺性评价方法两类。 在分析汽车的平顺舒适性时，主观平顺性评价方法最直接的评价方法。它 主要是通过有很好的资历的测试车辆人员对汽车的振动进行统计分析和对车辆 进行评价。有关人员通过对其研究分析，相关的设计人员可以据以往的经验来 提高汽车的平顺性。但是，由于车辆是一个动态系统，并且人体对振动的响应 也很复杂，所以，对汽车的平顺性来评价时，主观评价法的描述很模糊，根本 不能做量化评价。另外，由于人的体质、对振动敏感程度都有所不同。所以对 于同一辆汽车来说，在同样的路面上行驶时，两个人对它的平顺性的评价也不 一样的。由此，对汽车平顺性进行定量、准确的评价分析就会很难，所以要对 汽车的平顺性进行评价则需要专业的评价分析师。 但是客观评价方法就与主观评价法不一样了，由于它没有了个人的因素存 在，是以测量出来的数值为依据的，它对汽车的平顺性进行评价的时候以量值 去评价的，所以，相对来说更能准确地评价汽车的平顺性。客观评价方法主要 考虑的因素是隔离路面等传递给车辆的振动的能力。用描述物体运动状态及其 变化过程的量作为评价指标，以传递到人体的振动量的大小为依据去衡量影响 人体舒适性的程度，用这种方法来评价汽车的平顺性，所以，客观评价方法更 被人们普遍接受的一种评价方法。 许多国家的相关人员对客观评价方法都都作了很多工作，评价方法也不尽 相同，到现在还没有一个被大家所公共认同的乘坐舒适性的评价方法，下面的 几种是最主要的 1 9 1 ： ( 1 ) 乘坐舒适性系数法，简称r c l 法。这种评价方法是在二十世纪四十年代提 出来的【1 7 】，到后来被日本的国营铁道所接受并推广； 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 吸收功率法，简称为a p 法。这种评价方法是r i c h a r d al e e 与f r e dp r a d k o 制定出来的【1 8 】，用平均功率来评价乘坐舒适性，平均功率的意思是代表在人体 振动系统的内部能量被吸收了的数量： ( 3 ) 国际标准i s 0 2 6 3 1 法。此方法在1 9 7 4 年国际标准化组织( i s o ) 在综合了 大量的研究成果后制定的i s 0 2 6 3 1 ：人体承受整体振动的评价指南【2 0 1 ，在后 面的几年中又多次对其进行了改进； ( 4 ) 单一不舒适性指数法，其简称为n a s a 法【1 9 】： ( 5 ) 总体乘坐值法【1 9 】，被称为i s v r 法。 在上面所提及的5 种评价方法当中，用于评价振动被得到多数人认同的是 国际标准i s 0 2 6 3 1 法。我国也制定了汽车振动评价方面的国家标准。 2 1 1is 0 2 6 3 1 - 1 ( 19 9 1 ) 【1 9 】 一、人体对振动的反应 在综合大量资料基础上，国际标准化组织i s o 提出了i s o2 6 3 1 ：1 9 9 1 2 1 1 用加 速度均方根值给出了人体对振动反应的三个界限，振动中心频率为1 - 8 0 h z 。 ( 1 ) 暴露极限。一般情况下，此极限为人体可以承受的最大极限。 ( 2 ) 疲劳一工效降低界限。它与保持工作的效能有关系。如果驾车人员 可以准确及时地回应各种路况，能够将汽车控制在自己的意向之内，那么驾驶 员可以接受的振动就在这个疲劳一工效降低界限之内。 ( 3 ) 舒适一降低界限。在此范围内，人能够能够成功地完成各项日常工 作。 图2 - l 是暴露时间不一样的情况下，垂直方向和水平方向的三个界限的三条 曲线。从图中可以看出，这三条曲线随着频率的变化其走向是一样的。这三条 曲线的关系是：“疲劳一工效降低界限 的值是“暴露极限”的1 2 ，“疲劳一 工效降低界限”是“舒适降低界限 的3 1 5 。 图2 1 是使用纵，横两个坐标轴都是分别以1 0 为底对数等距离绘出的，即 双对数坐标。还可以用其他方法表示，即分贝( d b ) 值，其单位是d b ，其表示为： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 e 羽 幕 弋 霜 型 潮 _ 羁 l o o 1 0 纠o l g 专= 2 0 1 9 x ：c o两 彩 彩时i ：= 夕懒删形一 影二 1 0 1 0 01 1 0 1 0 0 葶兜率，h z额率t 1 4 z 图2 1 舒适性降低界限、暴露界限与疲劳一工效降低界限 ( 2 - 1 ) 图2 2 a 与b 是为两个方向上的振动对人体影响的“疲劳一工效降低界限 ”；但图2 2 a 为在双对数坐标下的垂直两个方向上，而图2 2 b 为在双对数坐 标下的水平方向上的”，主要是方向不一样。在频率不变的情况下，人体暴露的 时间越长，感觉界限容许的加速度值越低。所以，想要知道人体能够感觉到的 振动强度的大小可以用达到某一界限范围内允许暴露时间的长短来衡量。 1 ，3 倍霸带衷心蕊丰缸j b a ) 垂直方向 b ) 水平方向 图2 2i s o2 6 3 1 人体对振动反应的“疲劳一降低工效界限” 武汉理工大学硕士学位论文 由图2 2 的上面两个曲线族能够看出，对于垂直方向上的振动，人体最敏感 的频率范围为4 h z 8 h z ，就是每条水平加速度最低的水平一段所对应的横轴上 的频率。对于水平方向上的振动，人体最敏感的频率范围为1 h z 2 h z 以下，就 是每条垂直加速度最低的水平一段所对应的横轴上的频率。在2 8 h z 频率以下， 人体暴露时间一样的情况下，在接受值上，垂直方向上的振动加速度要高于水 平方i 句上f f 0 振动加速度。其他情况则相反【2 2 1 。 如果想用“疲劳一工效降低界限”对汽车平顺性进行评价。首先能够得出 1 3 倍频带的加速度均方值谱，那么就需要频谱分析经过汽车座椅间接传递到乘 员的振动。 二、通用的两种平顺性评价方法 ( 1 ) 1 3 倍频带分别评价方法 用1 3 倍频带分别评价方法进行评价之前，首先需要做的就是，对传至人体 的加速度进行频谱分析，得到1 3 倍频带的加速度均方根值谱。 l 3 倍频带上、下限频率比值 l i f , = 2 l 3 = 1 2 6 ( 2 2 ) 式中：z 为上限频率，石为下限频率 则中心频率 z = z 石= 2 1 6 f 这三者的关系为无= 1 1 2 z ；z = 0 8 9 l 分析宽带 ， 矽= 五一石 对将振动传至人体加速度p ( ) 的功率谱密度g 口( 厂) ，对所对应的l 3 倍频带 中心频率兀在带宽馘区间积分，得到各个l 3 倍频带的加速度均方值分量仃， 即 1 7 p i = 上嚣q ( 俏 ( 2 - 3 ) 想要能够真正地去反映人体感觉振动强度的大小，只有通过带宽加速度均方 根值分量仃所的大小是不够的。还需要频率加权函数，它可以反映人体对不同频 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 率振动的敏感程度。将人体垂直方向上频率为& - - , 8 h z 、水平方向上频率为1 2 h z 的分量数值吒进行频率加权。可按下式计算加权加速度均方根值分量。 仃厶= w ( l 。) o - ( 2 - 4 ) 式中：厶为第i 频带的中心频率，单位是h z ；形( 无) 为频率加权函数。 计算在垂直方向上的振动的频率加权函数( 厶) 可以根据下列公式。 io 5 厶，1 无4 ( 厶) = 1 ，4 无8 ( 2 - 5 ) ls f ，8 无 加权加速度均方根值分量仃驯能够反映出人体对各l 3 倍频带振动强度的感 觉。仃驯中的最大值( 盯，) 一来作为l 3 倍频带分别评价法的评价指标。 ( 2 ) 总加权值评价方法【2 3 】【2 4 】【2 5 】【2 6 】 另一种评价方法是用传至人体振动的加速度均方根值仃。或车身振动的加速 度均方根值吒作为评价平顺性的指标。本文中选用的是传至人体振动的加速度 均方根值d l r p 。盯p 和吒值等于1 - - 8 0 h z 中2 0 个1 3 倍频带加速度均方根值分量 或平方和的平方根。即， = 再j ( 2 6 ) 式中：n 为频带数。 若出现各l 3 倍频带加速度加权均方根值分量盯。都相等的情况，l 3 倍频 带分别评价指标仃刖和总加速度加权均方根值仃p 有如下关系： = 石( ) 一 ( 2 7 ) 式中，n 为总的频带数。 在只有一个1 3 倍频带有值