（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的汽车分析和试验仿真系统研究以及整车碰撞仿真试验与白车身结构分析.pdf

内容摘要 报告第一部分的主要内容包括：基于虚拟样机技术，建立了用于整车虚拟仿真试 验研究的平台：在此平台基础上，对汽车进行了技术开发设计原理和方法的研究，可 以方便快捷地开发设计出高性能的产品。尤其是针对有关m p v 整车性能的动力性、 制动性、操纵稳定性、平顺性等内容，进行了详尽的理论研究和大量的仿真试验分析， 并对影响车辆整车性能的因素及其灵敏度进行了有益的探索。针对实车试验测试和仿 真测试性能指标均不理想的项目，通过仿真技术提出了相关的修改方案和改进措施， 并进行了实车道路试验验证，验证结果表明改进措施是可行有效的。 因此，所开发仿真系统平台用于汽车在驱动、制动、转向等仿真试验的研究，既 可用于改善和提高已有产品性能，也可用于新产品开发时整车性能的预测迅速解决 产品开发中存在的问题，从而实现产品的虚拟开发设计。 报告第二部分涵盖了整车碰撞仿真试验以及白车身结构模态分析等两方面的内 容。建立了m p v 车有限元碰撞模型，通过碰撞仿真试验结果分析，得到了整车动能 在碰撞瞬间的转换关系，同时也获得了主要零件的能量吸收情况和变形形式，由此提 出了提高整车抗撞性的方法。通过对白车身的模态分析，总结了影响自车身结构固有 频率和固有振型的因素，为车身动力学响应分析和结构的改进设计奠定了基础。 关键词：虚拟样机，动力学模型，仿真试验，碰撞，白车身，模态分析，固有频率，固有振 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to ft h ef i r s tp a r to ft h er e p o r ti n c l u d e s ：b u i l d i n gt h ep l a t f o r mf o rr e s e a r c ho n f u l lv e h i c l ev i r t u a lt e s ts i m u l a t i o nb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；t h r o u g ht h er e s e a r c h0 1 2t h e f u l lv e h i c l ed e s i g n p r i n c i p l e sa n dm e t h o d sb a s e do nt h ep l a t f o r mw ec a nd e v e l o pt h ep r o d u c t sw i t hh i g h q u a l i t yq u i c k l y e x h a u s t i v et h e o r ys t u d ya n dal o to ft e s ts i m u l a t i o na n a l y s i sw e r ed o n ea b o u tt h e m p v sa c c e l e r a t i o n 、b r a k i n g 、c o n t r o l l a b i l i t ya n ds m b d i t y 、r i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e s a n ds o m ef r u i t f u l a n a l y s i so ft h ef u l lv e h i c l ep e r f o r m a n c e sa f f e c t i n gf a c t o r sa n dt h e i rs e n s i t i v i t i e sw e r ep r o c e s s e d t o s o l v et h ed i s s a t i s f a c t o r yr e s u l t so ft h em p vi np r a c t i c a lt e s ta n ds i m u l a t i o nt e s t ，w eb r o u g h tf o r t hs o m e m o d i f y i n ga n di m p r o v i n gi d e a st h r o u 曲s i m u l a t i o n a f t e rr o a dt e s t ，t h er e s u l t sp r o v e dt h a to u ra n a l y s e s w e r es u c c e s s f u l t h e r e f o r et h ed e v e l o p e ds i m u l a t i o np l a t f o r ms y s t e mc a r lb eu s e df o rf u l lv e h i c l ea c c e l e r a t i o n 、 b r a k i n g 、s t e e r i n gp e r f o r m a n c e st e s t ss i m u l a t i o n i tn o to n l yh e l p st oi m p r o v ee x i s t i n gp r o d u c t s ，b u ta l s o b ev e r yu s e f u lt op r e d i c tf u l lv e h i c l ep e r f o r m a n c e sd u r i n gd e v e l o p i n gn e wv e h i c l ea n dt og e tr i do ft h e f o u n dp r o b l e m s s ov i r t u a lp r o d u c t sd e v e l o p m e n tc a nb ea c h i e v e di nt h i sw a y i nt h es e c o n dp a r to f t h e r e p o r t ，f u l lv e h i c l ec r a s ht e s ts i m u l a t i o na n dm o d a la n a l y s i so f t h eb i ws t r a c t u r ea r ei n c l u d e d w eb u i l tt h ef e a c r a s hm o d e io ft h em pv - t h r o u g h a n a l y z i n gt h ec r a s ht e s ts i m u l a t i o nr e s u l tw eg o tt h et r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n s h i po ft h ef u l l 、7 e h i c l ek i n e t i ce n e r g y d u r i n gc r a s h a n d 也ee n e r g ya b s o r b i n ga n dd i s t o r d o ns i t v _ a t i o no r t h em a i np a r t sw a sg o ta tt h es a m et i m e w ec a r lf i n dm e a s u r e si 0i m p r o v ef l f i lv e h i c l e c r a s hr e s u l t sb yt h i sw a y w em a d et h em o d a la n a l y s i so ft h ebi wa n ds u m m a r i z e dt h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dn a t u r a lm o d es h a p e s t h a tm a d eag o o db a s i sf o r a n a l y z i n gv e h i c l eb e d yd y n a m i cr e s p o n s e sa n di m p r o v i n gv e h i c l eb e d yd e s i g n k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p e ；d y n a m i c sm o d e l ；s i m u l a t i o n ；c r a s h ；b o d y i n w h i t e ；m e d a la n a l y s i s n a t u r a lf r e q u e n c i e s ；n a t u r a lm o d es h a p e s v 第一部分第一章绪论 第一部分 基于虚拟样机的汽车分析和试验仿真系统研究 第一章绪论弟一早珀i 匕 1 1 前言 随着汽车零关税期限的日渐逼近，国外汽车厂商对我国汽车市场产生的冲击和碰 撞愈来愈激烈，对国内汽车企业产生的竞争和生存压力也愈加沉重。为提升企业汽车 产品的自主研发能力，缩短开发周期，提高汽车产品质量，降低开发成本，谋求企业 在激烈的市场竞争中得以生存与发展，我们引进了a d a m s 多体系统动力学分析软件， 使汽车开发设计过程发生了质的飞跃。其中在a d a m s c a r 仿真分析模块的基础上，二 次开发了一个用于整车试验的专用仿真模块，可仿真国标中制定的整车动力性、制动 性、操稳性以及平顺性中的多种典型工况，以便对整车的动力性、制动性和操稳性等 进行仿真试验研究。由此，大大提高整车建模和仿真速度，缩短汽车产品的开发周期， 基于多体系统动力学理论的虚拟样机技术在汽车行业中得到越来越广泛的应用。 国内外就此项技术的研究和应用工作己取得了丰硕的成果。同济大学在a d a m s c a r 的基础上成功开发了用户化车辆仿真分析模块。虚拟样机技术融合于车辆开发的整个 过程，并在车辆设计、试验及制模、焊接、总装等各个环节中得到充分的应用，由此 拓展了汽车虚拟开发技术。用虚拟样机来代替实际物理样机模型验证设计，缩短了开 发周期，提高了设计质量和效率 i l 。 速度是制约汽车行业品牌车辆出炉的一大限制，随着市场竞争的激烈化，在汽车 产品投放市场前所做的工作应是快速而准确的。目前汽车行业已越来越广泛地用到 基于多体系统动力学理论的虚拟样机技术。虚拟样机技术的研究和发展历史可追溯到 上世纪的2 0 年代，它是与新型计算方法的推出及有关软件的开发而同步发展的，虚 拟样机技术也与其他虚拟技术相互融合，发挥着优势互补的作用。 国内某些高校己在计算方法和软件开发方面取得了突出的进步。同济大学在 a d a m s ，e w 的基础上二次开发了用户化车辆仿真分析模块c a a m 【2 】：此后又在 a d 朋订s c a r 基础上二次开发了用于整车虚拟样机仿真试验分析模块 a d a m s c u s t o mc a r 。上海交通大学根据柔性多体系统动力学单向递推组集建模理论 和计算方法开发了柔性多体系统动力学软件c a d , 州b l 川；中国农业大学开发了机械 系统虚拟样机仿真分析软件的原型m s v p n 。 国外开发虚拟样机软件有影响力的产品包含美国m d i 公司的a d , a _ m s i 。孙，比利 时l m s 公司的d a d s ，以及德国航天局的s i m p a c k 。韩国f u n c t i o nb a y 公司开发出 第一部分第一誊绪论 的新代多体系统动力学仿真软件r e e u r d y n 。 虚拟样机技术融合于汽车开发的整个过程中，同其他虚拟技术之间有不断整合的 趋势【4 】。使得汽车开发在造型、设计、试验至到制模、冲压、焊接、总装等各个环节 中的计算机模拟技术联为一体。例如，多体系统动力学软件a d a m s 软件与p r o e 、 c a = r i a 、u g 等c a d 软件或a n s y s 、n a s t r a n 等有限元软件以及m a t l a b 、 m a t r i x 、e a s y 5 等控制系统软件相结合【5 。这些软件之间的协同工作，可以充分利 用c a d 软件强大的造型功能、多体动力学软件的动力学计算( 6 】功能、有限元分析软 件的柔性体计算功能、控制系统软件出众的控制系统设计分析功能，达到提高计算可 靠性和精度要求，拓展了汽车虚拟开发技术 7 】。例如可直接使用包括部件材料定义、 转动惯量分析、关键点位置的测量、运动装配干涉分析等在内的c a d 数据作为 a d a m s 输入参数的前处理。可以直接使用有限元分析软件a n s y s 进行零件的模态 分析，精确考虑车辆弹性件对动力学仿真分析的影响，如麦弗逊悬架下摆臂和复合式 悬架扭转粱的弹性对汽车动力学分析的影响。 有关车辆动力学仿真模型的建立方法，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室采 用一种具有模块化结构的汽车动力学仿真模型的建模方法，实现对不同类型或同类型 不同结构车辆性能的仿真研究 8 】。车辆转向特性的影响系数，也可以通过柔性多体悬 架动力学仿真模型进行预测【9 】。在研究车辆操稳性过程中，发现轮胎的动力学特性对 车辆的动力学特性起着至关重要的作用。列此也引起了某些学者的关注( “”! 。 汽车的操纵稳定性是汽车最重要的性能之- - 1 3 l 。评价操纵稳定性的指标和方法有 多种，如稳态转向特性、瞬态响应特性、回正性、转向轻便性、典型行驶工况性能和 极限行驶能力等 1 4 。1 “。影响车辆操稳性的因素众多：如车辆力学参数的影响，其与 车辆稳态转向特性的关系，可通过试验台架的测量数据得出关系曲线f 1 6 i ；车辆的稳定 杆、轮胎的侧偏刚度和前、后悬架刚度及其匹配关系同样影响到操稳性评价指标“。 利用刚柔耦合多体建模方法，研究柔性构件对汽车操纵稳定性的评价指标的影响【l 2 。 “1 工作也已开展起来。 “十五”国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，使用了虚拟样机技术分析汽车的操纵 稳定性和行驶平顺性。日本丰田汽车有限公司利用虚拟样机技术，开发车辆双移线虚 拟仿真e l k 试验系统预测研究车辆的操稳陛，估算出车辆的极限车速，并经过实车试 验给以验证【2 “。为提高超小型电动车的操稳性，开发了控制车轮驱动力矩的控制系统 2 2 o 利用虚拟样机技术，在频域范围内，建立了车辆转向系统的运动方程，分析了转 向系统对车辆高速行驶下操稳性的影响【2 引，开发了多种试验方法，如s i n 试验法、 f i s h h o o k 试验法、0 p e n - l o o p 试验法、c l o s e d l o o p 试验法，研究车辆在极限情况 下的操稳性能( 2 4 】。 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，在建立多自由度动力学模型基础上完成 了驾驶员一汽车闭环系统操纵性的各个单项评价指标，并对汽车开环操纵性综合评价 第一部分第一章绪论 指标和驾驶员一汽车闭环系统操纵性综合评价指标进行了相关研究【2 s , 2 6 j 。 同济大学与上汽( 集团) 总公司汽车工程研究院合作课题“基于虚拟样机的汽车 分析和试验仿真系统研究”，就是基于上述目的所迸行的研究项目。负责项目研究工 作的是同济大学的教授和研究院的高工，主要参加人员都是具有本专业知识或相关领 域知识的研究生和工程师。体现“资源共享，优势互补”的原则，开发研究人员团结 合作，在项目规定的时间内，完成如下工作。 ( 1 ) 整车虚拟试验平台的开发与使用； ( 2 ) 建立了组建整车虚拟样机所需的车身、悬架、转向系统、动力总成、横向稳 定杆、轮胎和路面的模型库。这些子系统模型均采用参数化、模块化的建模方法，具 有通用性。用户只需简单的调整参数，就能创建出所需的模型； ( 3 ) 从理论和仿真试验等方面，较全面分析了影响车辆性能的主要因素及其灵敏 度； ( 4 ) 根据企业亟需解决的问题，按照整车试验国家标准的流程和要求，定制用户 化的a d a m s c a r 使用菜单和对话框，仿真工况包含动力性、制动性、操纵稳定性和平 顺性四个模块，囊括了大部分国标强制标准的整车试验； ( 5 ) 以上汽工程研究院自主开发的m p v 车辆为研究、验证对象，提出解决实际问 题的方法和措施。分别对原样车和改进样车进行了实车试验和相应的仿真试验对比分 析。 1 2 虚拟样机建模理论与方法研究 a d a m s 根据机械系统模型，自动建立系统的拉格朗臼运动方程，对每个刚体，列 出6 个广义坐标带乘子的拉格朗目方程及相应的约束方程 2 7 】。 丢c 瓦o k + 善争3 乃 。， 一= 0 ( i ：1 月) , 2 式中k 一动能； o ，一描述系统的广义坐标；( 3 = 1 ，2 6 ) 系统的约束方程： 。，一在广义坐标上的广义力； 1 一n l 的拉格朗日乘子列阵。 也可写成如下形式： f = ，( 巧，口，q ，丘，f ) y = f ( q ，q ，” ( 1 2 ) 第一部分第一章绪论 合并成简洁的矩阵形式如下 凇+ 鼍：丸= o ( 1 3 ) 背审 戈= 主l ，j f 2 ，戈。) 。 咒= 一。，t ：，匕 q + 为广义力的列阵。 a d a m s 数值计算的数据流程： 在进行运动学、动力学分析需求解一系列的非线性代数方程，a d a m s 采用了修 正的n e w t o n r a p h s o n 迭代算法迅速准确的求解。 a d a m s 采用修正的n e w t o n r a p h s o n 迭代算法求解，求解流程如图l l 所示。 广微分方程组 输出时域锕 习in e w t o 竺n - g a p h s o n ! l 厂 兰n n 至 求解代数方程组求解线性方程组 幽1 - 1a d a m s 求解数据流程 a d a m s s o l v e r 提供了强大的数值积分程序，其中一个为变阶、变步长的非刚 性积分程序( a b a m ) ；三个为变阶、变步长的刚性积分程序( g s t i f f ，d s t i f f 和 w s t 口f ) ，使用的是变系数的b d f ( b a c k w a r dd i f f e r e n t i a t i o nf o r m u l a t i o n ) 方法，自 动变阶、变步长的预估校正法( p r e d i c t e v a l u a t e c o r r e c t e v a l u a t e ) 。常用的后三种积 分程序。 a d a m s s l o v e r 包括了3 个功能强大的求解器： o d e 求解器( 求解微分方程) ，采用多种积分程序。 非线性求解器( 求解代数方程) ，采用y n e w t o n ，r a p h s o n 迭代算法。 线性求解器( 求解线性方程) ，采用稀疏矩阵技术以提高效率。 1 3 用户化模块开发概述 考虑汽车是一个复杂的多体系统，其本身是一个由各种力学铰链和弹性元件构成 的复杂的多体系统加上实际工况的复杂性，这给车辆动力学的研究提出了许多挑战。 a d a m s c a r 软件在汽车行业的成功应用，使虚拟样机模型的建立变得简单易行。除 此之外，它还具有充分的开放性，使用户可以开发符合自己需要的界面。 忌琶 第一部分第一章绪论 借箍a d a m s c a r 的特点，在a d a _ m s c a r 的基础上开发出专用的虚拟试验平台， 提供一个包含众多特性文件的文件数据库，实现方便快捷的建立整车模型，执行整车 动力学仿真的目标。虚拟试验的内容包含悬架试验和整车试验。悬架试验包含双轮同 向跳动、单轮跳动i 双验逆尚跳动试验。整车试验包含起步连续换档加速试验，直线 制动试验，稳态回转、转向盘转角骱獗输入、转向盘转角脉冲输入、转向回正性能、 转向轻便性与蛇行试验，潞蔼脉冲输入与隆机输入等试验。 汽车虚拟试验乎台的开发结合工作中的经验以及各个企业的实际需求，其工作流 程可以归纳如图1 2 。在某些特定的工况下，对比“虚拟试验”的结果和真实道路试 验的结果，以此验证虚拟样机模型及开发平台的可靠性。模块菜单的主体部分如图 ， 1 3 所示。 图l 一2 虚拟试验平台仿真试验流程图 第一部分第一章绪论 s u b s y s t e m s u s p e n s i o na s s e m b l y f u l i v e h i c l ea s s e m b l y 创建子系统 创建悬架仿真模型 创建整车仿真模型 调整关键点的坐标 调整构件质量、惯量和质心坐标 调整轮胎定位参数等 于系统的坐标整体调整 p a r a l l e lw h e e lt r a v e l 双轮跳动试验 o p p o s i t ew h e e lt r a v e l双轮逆向跳动试验 s i n g l ew h e e lt r a v e l 单轮跳动试验 s t e e 血2转向试验 c o n t i n u o u ss h i f 【a c c e l e r a t i o nt e s t 加速性试验 b r a k ep e r f o r m a n c et e s t 制动性能试验 s t e e r i n gs t e pi n p u tt e s t 阶跃输入瞬态响应试验 s t e e r i n gp u l s ei n p u tt e s t 脉冲输入瞬态响应试验 s t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t稳态回转试验 r e t u r n a b i i i t yt e s t转向回正试验 p y l o nc o u r s es l a l o mt e s t蛇行试验 s t e e r i n ge f f o r t st e s t转同轻便性试验 r i d ec o m f o r t f e a to f p u l s el 1 p u t 平顺洼试验 r i d ec o m f o r tt e s to fr a n d o mi n p u t 平顺性试验 动画放映 仿真数据后处埋 图1 - 3 菜单的主体结构 1 4 虚拟样机建模所需数据说明 为了得到较精确的仿真模型和试验结果，必须提供相应的建模数据和试验数据， 在此提出了用户需准备的数字化建模所必需的参数，见表1 - 1 所示。列出尽可能详实 的整车设计参数和各个子系统参数，作为模型仿真的初始条件 2 8 , 3 3 i 。 表l - l 建立整车模型所需数据列表 子系统名称 所需数据 前悬架系统 前悬架杆系各关踺铰接点位置坐标： 弹簧、减振器和弹性衬套刚度、阻尼性能，以及在初始状态f 的 预加载荷： 各杆件的重心坐标、质量和相对重心坐标系的惯性矩： 前悬横向稳定杆剐度等。 墨二塑坌星二要堕堕 s u b s y 一= t e m s u s p e n s i o na s s e m b l y f u l l - v e h i c l ea s s e m b l y 创建子系统 创建悬架仿真模型 创建整车仿真模型 调整关键点的坐标 调整构件质量、惯量和质心坐标 谰整轮胎定位参数等 子系统的坐标整体调整 p a r a l l e lw h e e lt r a v e l 双轮跳动试验 o p p o s i t ew h e e lt r a v e l 取轮逆向跳动试验 s i n g l ew h e e lt r a v e l 单轮跳动试验 s t e e r i n g 转向试验 c o n t i n u o u ss h i f ta c c e l e r a t i o nt e s t 加速性试验 b r a k ep e r f o r m a n c et e s t 剖动性能试验 s t e e r i n gs m ph l p u tt e s t阶跃输入瞬态响应试验 s t e e n n gp u l s ek l p u tt e s t 脉冲输入瞬态响麻试验 s t e a d ys t a t i cc k c u l a r t e s t稳态回转试验 r e t u m a b i i i t y t e s t 转向回正试验 p y l o nc o u p es l a l o mt e s t蛇行试验 s t e e r i n g e f f o r t s t e s t转向轻便性试验 r i d ec o m f o nt e s to f p u l s ek a p u t 平顺崆试验 r i d ec o t r f f o r t e s to f r a n d o mi n p u t 平顺性试验 动画放映 仿真数据后处理 图1 - 3 菜单的主体结构 1 4 虚拟样机建模所需数据说明 为了得到较精确的仿真模型和试验结果，必须提供相应的建模数据和试验数据， 在此提出了用户需准备的数字化建模所必需的参数，见表1 一l 所示。列出尽可能洋实 的整车设计参数和各个子系统参数，作为模型仿真的初始条件 2 8 , 3 3 。 的整车设计参数和各个子系统参数，作为模型仿真的初始条件 2 8 , 3 3 。 表1 1 建立整车模型所需数据别表 子系统名称所需数据 前悬槊系统 前悬架杆系各关键饺接点位置坐标； 弹簧、减振器和弹性衬套刚度、阻尼l 生能，以及在初始状态= 的 预加载荷： 各杆件的重心坐标、质量和相对重心坐标系的惯性矩： 前息横向稳定杆刚度等。 第一部分第一章绪论 后悬架系统 后息架秆系各关键铰接点缸置坐标： 弹簧、减振器和弹性衬套剐度、阻尼性能，以及在初始状态下的 预加载荷； 各杆件的重心坐标、质量和相对重心坐标系的惯- 陛矩： 后悬架扭转横粱、横向稳定杆的等效扭转刚度等。 转向系统 转向机构各关键铰接点位置坐标： 转向系统等效刚度和等效阻尼； 转向助力特性和转向器传动比等。 轮胎系统 轮胎在既定工况下的轮心位置坐标； 轮胎特性( u a 一”r e ) ，包括 轮胎静态半径、胎冠半径、无外倾下的垂向刚度、无侧偏下的侧 向和径向刚度、滚动阻力系数( 阻力矩臂) 、垂向阻尼系数、摩擦 副附着系数的最大、最小值等。 车身系统 设定工况下的载荷状况，前后轴荷分配比： 物理样车在仿真工况下的重心位置坐标； 车辆迎风面积，车辆各项风阻系数等。 制动系统 前后制动力矩分配比等。 动力传动系统 传动轴系的铰接点位置坐标、传动比： 发动机输出特性等。 这样几类： 结构参数机构铰点或者关键点处的坐标 惯量参数部件( 小到悬架支杆，大到车身总成) 质量和惯性矩； 弹性参数弹性部件( 弹簧减振器、横向稳定杆和弹性衬套) 刚度、 阻尼系数( 函数) ： 特殊参数轮胎各向刚度、车身空气动力学系数、转向传动比等： 1 4 1 结构参数 表1 - 2 所列出的是前、后悬架等主要子系统关键点的坐标，根据此坐标列表，可 建立起子系统模型的拓扑结构关系。 第一部分第一章绪论 表1 - 2 整车子系统关键点坐标列表 前麦弗逊式悬架定位坐标 关键点描述x 坐标y 坐标z 坐标 减振器上支点 减振器下支点 转向拉杆外侧铰点 下摆臂、减振器问球铰点 轮胎中心 下摆臂前铰链 下摆臂后铰链 弹簧下支点 转向拉杆内侧铰点 后复合式悬架定位坐标 关键点描述x 坐标y 坐标z 坐标 减振器上支点 减振器下支点 轮胎中心 后桥纵臂连接点 弹簧下支点 齿轮齿条式转向系定位坐标 关键点描述x 坐标y 坐标z 坐标 转向轴同中间轴交点 转向盘中心点 中间轴同转向器蜗杆轴交点 小齿轮轴支点 前横向稳定杆定位坐标 关键点描述x 坐标y 坐标z 坐标 稳定杆支撑点 稳定杆折弯点 连接杆、悬架接点 连接杆、稳定杆接点 1 4 2 惯量参数 使用部件重心、质量、惯性矩信息可通过整车底盘部件c a d 建模并计算惯量的 方法获得，其中包括麦弗逊式前悬架、复合式扭转粱后悬架、转向系统、制动系统、 驱动轴系和轮胎等。 1 4 _ 3 弹性参数 弹性元件参数是指悬架主簧刚度系数、减振器阻尼系数、横向稳定杆等效扭转 第一部分第一章绪论 刚度系数以及各个悬架杆件、车身连接件之间的弹性衬套三向线刚度、阻尼和三向角 刚度、阻尼特性曲线。 1 4 4 特殊参数 车身空气动力学模型 在车辆高速行驶过程中，气流同车身之间交互作用所产生的空气动力学阻力、阻 力矩在车辆行驶阻力中扮演着一个相当重要的角色，因而整车模型中的空气动力学模 型往往是不可忽略的。研究采用的车身空气动力学模型是最经典的计算模型，其算数 公式可以表述如下： f = o 5 p d 。a ，。嘭 ( 1 - 4 ) 式中，p 为空气密度，d 。为车辆空气阻力系数，4 为车辆迎风面积，为车辆 纵向行驶速度。以上四个参数除之外都被设为定值。 轮胎模型 建立轮胎模型所需参数与选用的轮胎模型种类有关，a d a m s 中提供了5 种轮胎 模型，有f i a l a 轮胎模型、u a 轮胎模型、u s e r d e f i n e d 轮胎模型( 如定义为p a c 轮胎 模型) 、d e l f t 轮胎模型和s m i t h e r s 轮胎模型。前三种模型为解析模型，后两种模型为 试验模型。以u a 轮胎模型为例，需要输入的参数有：模型类型，轮胎静态半径，轮 胎胎冠半径，径向剐度，纵向滑移刚度，无侧偏下的侧向刚度，无外倾下的垂向刚度， 滚动阻力系数，经向相对阻尼系数及动、静摩擦系数。 转向系统传动比 设定转向系统传动比。由于缺乏转向助力特性的试验参数，建模和仿真中忽略了 转向助力器的影响。 前后制动力矩分配比 在仿真车辆的制动试验工况中，最关键的参数是制动系统制动力矩分配比b ，这 关系到车辆的最大制动加速度、车辆前后车轮抱死顺序和车辆制动状态是否稳定等一 系列问题。在制动系统建模过程中，不考虑制动防抱死系统( a b s ) 和电子制动力分 配系统( e b v ) 的作用，并假设车辆制动力矩分配比为定值。 1 5 虚拟样机建模 a d a m s c a r 采用参数化、模块化的建模方法，将整车划分为多个子系统。用户 选择这些子系统组装成整车虚拟样机。建模依次为：由子系统的模板文件( t t p l ) 创 建子系统( + s u b ) 文件，由子系统文件和悬架试验台( m d is u s p e n s i o nt e s t r i g ) 0 第一部分第一章绪论 绢装成悬架试验系统。由子系统文件和整车试验台( m d is d it e s t r i g ) 组装成整 车试验系统。 因为汽车悬架系统及转向系统的运动规律直接影响到汽车操纵稳定性和其它整 车一”i l l ；。f t 5 c 】，对其运动情况进行精确分析可提高系统设计水平，提高整车性能。悬架的 运动学分析主要涉及车轮定位参数随着车轮跳动或者方向盘输入时的变化情况。例如 车轮外倾角、前束角、侧偏角、主销后倾角，主销内倾角等车轮定位参数随输入条件 的变化而变化：悬架系统转向试验考察悬架特性参数与转向盘转角的关系，例如车轮 外倾角、前束角等与方向盘转角的关系o ”。执行悬架系统轮跳试验和悬架系统转向试 验的目的，是为了分析悬架运动学特性，并进一步为整车性能仿真试验做好准备。 a d a m s c a r 的参数化建模技术，可以通过修改必要的几何参数、质量惯量参数等 进行仿真研究。虚拟样机参数的调整主要分为以下几类： 1 控制点 控制点的坐标控制了整车的结构、构件的方位，随着控制点坐标的变化做相应的 变化。控制点是实现参数化建模的主要载体。 2 构件质量、惯量和质心坐标 通常情况下，质心坐标由控制点进行参数化。该项参数调整也是参数化建模功能 的部分。虚拟样机模型中包含数量众多的构件，大多数构件在研究整车动力学性能 时影响较小，只需要抽象为一个构件；有些构件质量、惯量很大，其柔性变形可忽略。 例如车身子系统质量和惯量在整车系统中占主导地位，简化为集中质量和惯量。 3 特性文件的调整 在a d a m s c a r 建模方法中，弹性衬套、弹簧、减振器和轮胎等用特性文件描述。 通过调用不同的特性文件或者更改特性文件就可以实现对弹性衬套、弹簧、减振器和 轮胎等的调整。 4 常数变量的调整 车轮定位参数、空气阻力系数、车辆迎风面积、变速器各档位的传动比等。 o 第一部分第二章m p v 车在虚拟试验平台上的应用与分析 第二章m p v 车在虚拟试验平台上的应用与分析 2 1 建立虚拟样机所需的开放式数据库 为了保证整车模型仿真的精确度，在建模过程中需要输入尽可能详尽的整车设计 参数和各个子系统参数作为模型仿真的初始输入条件。在建立虚拟样机之前需要准备 的数据参数详见第l ，4 章节有关的内容。 2 1 i 建立悬架系统模型 建立了包括麦弗逊式的前、后悬架，纵 摆臂复合扭转粱半独立后悬架系统模型，分 别如图2 。1 、图2 2 和图2 ，3 所示。 2 1 2 建立制动器模型 在建立制动器模型过程中，在参数设定 图2 1 麦弗逊前悬架 时给出最大制动力矩、制动系数及前后轮制 动力比值，从而达到制动性能与制动器结构形式相统一的目的。 图2 2 纵摆臂复合扭转梁半独立后悬架图2 3 麦弗逊式后悬架 2 1 3 建立轮胎模型 本虚拟样机中所建立的轮胎模型直接引用a j d a m s c a r 模块所提供的三种轮胎 模型，女n f i a l a 轮胎模型、p a c 轮胎模型和u a 轮胎模型。建立每种轮胎模型需要的各项 参数指标，例如轮胎的几何参数自由半径、轮胎质量、动力学参数径向刚度、侧偏刚 墨二墅坌塑三童坚! 兰垄壁丝蔓鉴! 鱼圭塑查旦量坌塑 度、外倾刚度等则经过试验和计算来确定。因此，试验是获得精确轮胎模型的重要基 础。 2 1 4 建立转向系统模型 建立了m p v 车、桑塔纳车的转向系统仿真模型。 2 1 5 建立数字化的虚拟样车 完成上述各主要系统模型的建立，或对已有模型进行局部的修改、完善，最后可 组建所需要的虚拟样机模型。 图2 4 虚拟m p v 样车 2 2 基于虚拟样机的仿真试验研究 基于上汽工程研究院自主开发设计的m p v 车辆的数据基础，在同济大学汽车学 院仿真技术研究所开发的仿真试验平台上，按照第2 1 章节的步骤，建立了m p v 车辆 虚拟样机模型如图2 4 所示。并且按国家试验标准进行了整车制动性、操纵稳定性和 平顺性系列试验仿真分析研究，具体试验过程及试验结果如下。 2 2 1 平顺性能仿真试验 2 2 1 1 脉冲输入仿真试验与分析 汽车在公路上行驶时，有时会遇到很突出的障碍物，通常称之为脉冲输入【蛇1 。脉 冲输入行驶试验仿真工况的定义参照g b5 9 0 2 8 6 。采用两种形状的单凸块作为脉冲 输入：三角形和长坡形，如图2 5 所示。三角形长4 0 0 r a m ，高6 0 r a m ，长坡形则以公 式( 2 1 ) 方程来表示。 墨二塑坌兰三童坚坠! 主垄鏖型蔓墼! 鱼圭竺堕旦兰坌塑 g = 警( 1 - c 。s ( z 丌+ 志 入豇 4 0 0 r a m q x ( 2 1 ) 图2 5 平顺性脉冲输入行驶试验使用的凸块 记录下质心处的速度、垂直方向的位移和加速度。图2 6 是初始速度为4 0 ( k i n h ) 时质心处的垂直方向位移和垂直方向加速度曲线图。表2 一l 归纳了各种不同速度下的 质一t l , 垂向加速度和垂直方向的位移值。取各种速度下质心处的最大( 绝对值) 加速度 值，绘出如图2 - 7 所示的a ：一v 特性曲线图。 q 印 e 越 刿 6f if = ：= = i _ 日 l _ 一一 一f i f1 一 1 f i f o 时l u qt s 图2 - 6 初始速度为4 0 ( k m h ) 时垂直方向的位移和加速度蝽线 表2 一l 垂向位移、加速度随车速的变化表 莲蓬! ( k m h ) l o 2 0 3 04 05 06 0 指标、 言。( m s2 ) 0 0 3 7 7一o 1 2 3 20 2 0 3 702 9 40 3 6 7 103 8 z 。( r n m ) 6 07 01 0 01 3 5 1 3 513 0 从表2 一l 、图2 7 中可看出车辆质心处垂向 位移和加速度的绝对值在越过凸块时，均随车 辆速度的增加而递增，经过短暂的振动后，质 心处位移和加速度均恢复到正常值。 2 2 1 2 随机输入仿真试验与分析 l 图2 7 口：一v 特性曲线 第一部分第二覃m p v 车在虚拟试验平台上的应用与分析 车辆最多的工况是在接近平稳的随机路面上行驶，此工况下激起的振动是随机振 动。仿真工况的定义按照g b t4 9 7 0 1 9 9 6 进行1 3 74 9 1 。 虚拟样车装载质量为满载，在b 级路面模型上，试验车速为7 0 ( k i n h ) ，仿真试验 过程中控制车辆匀速行驶，仿真时间持续6 0 ( 0 。 处理平顺性随机输入仿真试验数据，是为了得到加权加速度均方根值口。或加权振 级上。，并与实车试验结果进行对比。其处理程序可按下列过程进行。 首先获得x 、y 、z 三个线性方向的加速度时间历程，如图2 - 8 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。 呷 妒 g 划 糊 。盛 足 暴 姜 趔 嘲 量 足 颦 盂纛志。l 孟如j 五扯j ： 呵即! f 。e p 可1 硎下可 唏 囊喜 第一部分第二章m p v 车在虚拟试验平台上的应用与分析 图2 9f f t 对话框 频率r h z ( a ) 频率r h z ( b ) 频翠f h z ( c ) 图2 - 1 0 功率谱密度曲线 按下式计算加权加速度均方根值口。 d 。= 8 0 ，2 ( 厂) g ，( 厂) 可 2 ( 2 2 ) 式中：g 。( ) 为功率谱密度函数：矿( ) 为频率加权函数，其取值范围按下式f 3 2 】； 水平方向的振动频率加权函数：( ) = ：芬：z ； ( 2 3 ) f o5 o 5 9 8 9 81 0 0 98 9 ，81 0 0 转 a ( m s ) 不足转向度u ( 。( r i g s 2 ) ) 1 0 0 0 4 0 0 1 0 4 o8 97 4l0 7 92 2 4o0 312 27 55 车身侧倾度k ( w ( r r g s 2 ) ) 12 0 07 0 10 4 721 6 oo8 32 0 7 0 1 0 4 1 7 81 4 转向回横摆角速度残留值 2 0 0 0 2 2 70 88 40 6 5048 79 1 9o 8 20 5 98 3 6 正性低“o s ) 速横摆角速度总方差e r ( s ) o 6 0 o 3 0 01 2 4 03 39 5 70 2 30 3 86 7 6 44 04 40 3 7 6 3 2 转向轻 转向盘平均操舵力f 。 5 0 ，0 1 5 o 3 43 7 1 1 9 8 1 0 01 171 0 01 1 91 0 0 便性 ( n ， 转向盘晟大操舵力f 。 8 0o 一3 0 o 5 8 2 l 3 69 5 24 051 0 04 2 9 04 ( n ) 转向盘角 汽车横摆角速度相应时 o 2 0 一0 0 6 0 4 l o 5 1o0 3 4 02 9 2 0 o2 902 83 43 阶跃输入 间t ( s ) 蛇行试平均模摆角速度峰值 2 50 - 1 0o2 3 9 31 6 18 3 71 7 6 27 6 71 49 68 6 8 验 r ( o s ) 平均转向盘转角峰值o 1 8 0 6 0 9 27 5 5 1 11 0 0 5 75 31 0 05 9 5 71 0 0 ( 。) 在转向盘 谐振频率f ( h z ) o6 0 10 0o 3 9 转角脉冲 谐振峰水平d ( d b ) 50 0 2 0 0 58 6 输入 相位滞后角a ( 。) 8 0 o _ 4 0 0 汽车操纵稳定性总评价分 6 6 8 原地起 1 70 41 7 4 3 步加速 直线制动 585i 平顺性脉冲输入 随机输入 1 0 681 1 08 4 2 擗 怕 j 翌 求埤 i心 啦 粕 划 督浆 划 蜒 幅 田j 删 螺 彘簿 剿 士 划 蝠 t c 辑 董 悝 昌 彀 届蜒 恻 制 蟠 世 撼彀 捏暴 v 、 螗 o v 、u “ o n 价 n 皿 vv v v vvvv v vv v 删 塘娶 妲 一 司口 * e 盎 剖 露一 捌 y 皿 苔 。 山 r 孓 聋 趔 蚓 啦 篓 一 0 盈 剁笔 拦 罩 塑 彗 ，、 葛 萎 己刨 蕊 恹媸 嗤 毯 创 蛭 墨 u 3堇 世 蘧 霹 斗 剐 硝言 鬈 一 ，9 、一 d 差疽 蘑。 捌 蜊 瑙 摆 羹毫 刳 -r旺 避耋 辑 型 蒯 龆 颦o 、 颦 厦瓣*崾 蜒 坦主 尽主* _ 棼 磐熏誊 嚣 霹 蠼羞 型叫亦鼍鞋互疑 鬈。 磐一 量争 m 蜜叠郇 i悟婚一蜒譬糕 。p 臻! 吾委 墨 捌是 物 。趔捌厦刘 曩萋 始 匿琶 磐芸 譬避按擗h 坚磐g 轷酬错拉舞 蹈艇丑按眯姆繇蟮盏h=坷留簟排$*