（车辆工程专业论文）基于vpg技术的汽车平顺性分析与优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的提高以及生活节奏的加快，汽车己成为人们 必不可少的交通工具。在讲究生活质量的今天，汽车的乘坐舒适性已 成为人们乘车、购车时重点考虑的因素。因此，改善汽车的行驶平顺 性具有重要的意义。 研究结合对某小型客车性能的改进，进行了样车的平顺性分析与 优化。研究过程中运用虚拟试验场( v p g ) 技术建立了样车的前悬架模 型、后悬架模型、轮胎模型等，在此基础上创建了整车简化模型。 通过样车试验，验证了模型的正确性。然后对整车进行平顺性仿 真，并对其平顺性进行评价，同时分析了悬架参数变化对整车平顺性 的影响。经检验，样车平顺性效果不理想，所以，进一步采用m a t l a b 优化函数对悬架参数进行优化，以提高整车平顺性。 通过在v p g 中进行平顺性脉冲路面输入以及随机路面输入的仿 真分析，验证了优化后模型的行驶平顺性有所改善。最后，将优化结 果应用于样车改进并进行平顺性试验，结果表明样车平顺性得到了一 定程度的提高，实现了理论与实际的结合。 研究完成了样车的平顺性仿真和试验工作，并对样车的悬架参数 进行优化，用于样车改进，提高了平顺性，解决了实际问题。 关键词：汽车，平顺性，v p g ，悬架参数优化 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f p e o p l e sd a i l yl i f e ，a u t o m o b i l e sa r eb e c o m i n gat o o lo ft r a n s p o r t a t i o n a t t h es a m et i m e ，p e o p l eh a v eah i g h e rd e m a n df o rt r a n s p o r t a t i o nc o m f o r t a u t o m o b i l er i d ec o m f o r ti sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n di t b e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e so fa u t o m o b i l e s c o n s e q u e n t l y ，i ti sg r e a ts i g n i f i c a n tt oa n a l y s i sa n do p t i m i z et h er i d e c o m b i n i n gw i t ht h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti nai i l i n ic a r ，t h e r i d ec o m f o r ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nw e r es t u d i e d ，u s i n gt h ev i r t u a l p r o v i n gg r o u n dt e c h n o l o g y ( v p g ) s o f t w a r e s i m p l i f i e df r o n ta n dr e a r s u s p e n s i o nm o d e l sa n dt h et i r em o d e l se t e o ft h em i n ic a rw e r eb u i l ti n t h ev p ga n do nt h eb a s i so fm e n t i o n da b o v eav e h i c l em o d e lh a db e e n c r e a t e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o no nr i d ec o m f o r ti nv p gi ss i m i l a rw i t ht h e t e s t so ft h em i n ic a l w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h em o d e lw a sc o r r e c t n e x t ，t h e r i d ec o m f o r tw a sa n a l y z e d a l s ot h es u s p e n s i o np a r a m e t e r so nt h ei m p a c t o fv e h i c l ef i d ec o m f o r tw e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h er i d ec o m f o r to f t h ev e h i c l ew a se v a l u a t e d b e c a u s eo ft h i sv e h i c l e sr i d ec o m f o r tw 弱n o t i d e a l ，s u s p e n s i o np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o np r o g r a mw a sp r o p o s e db a s e d o n o p t i m i z a t i o nf u n c t i o no fm a t l a bi no r d e r t oi m p r o v et h ef i d ec o m f o r t 江苏大学硕士学位论文 t h ev e h i c l em o d e ls i m u l a t i o no nb - r o a da n dr i d ep u l s ei n p u tr o a di n v p gt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h eo p t i m i z a t i o np r o g r a m f i n a l l y ，t h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r ea p p l i e dt ot h ei m p r o v e m e n t so fr e a lv e h i c l e a ni m p r o v e dv e h i c l ew a su s e df o rf i d ec o m f o r tt e s t sw h i c hr e s u l t sw e r e v e r i f i e dt h a tv e h i c l ec o m f o r tw a si m p r o v e d t h ec o m b i n a t i o no ft h e o r y a n dp r a c t i c eh a sb e e na c h i e v e d t h er i d ec o m f o r ts i m u l a t i o n sa n dt e s t so ft h ec a rw e r ec o m p l e t e do n t h es t u d ya n dt h es u s p e n s i o np a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d i naw o r d ，t h e c o m f o r to ft h ec a ri si m p r o v e da n dt h ep r a c t i c a lp r o b l e mh a sb e e ns o l v e d k e yw o r d s ：v e h i c l e ，r i d ec o m f o r t ，v p g ，s u s p e n s i o np a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n r l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：张珀 指导教师签名：芬竹芑 力l o 年6 月ff 日 矽，矿年多月厂日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：予长绚 日期：j o o 年月i 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1汽车行驶平顺性研究意义 汽车的行驶平顺性主要指汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员 舒适性的影响保持在一定界限之内，对于载货汽车还包括保持货物完整无损的性 能1 。平顺性是汽车的重要使用性能之一，不仅影响乘员的乘坐舒适性和货物运 输的安全可靠性，而且也影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性等使用性能 的发挥。 汽车行驶时，动力系统的振动以及路面不平会激起汽车振动，使驾乘人员处 于振动环境中，振动影响了乘员的乘坐舒适性、工作效能和身心健康。长期处于 不舒适的振动环境中，不仅会引起疲劳、心慌，还容易引起各种心脏疾病。对于 客车来说，汽车的行驶平顺性尤为重要，会极大地影响汽车的行车安全。因此提 高汽车的行驶平顺性，有助于提高行车安全和驾乘人员的身心健康。 综上所述，研究和改善汽车行驶平顺性是非常有意义的。具有良好的行驶平 顺性是现代高速、高效率汽车的主要标志之一。目前，所有新开发的车辆或者经 过改进的车辆都要进行平顺性试验，以检验汽车的平顺性是否符合国家标准，它 已成为产品开发过程中不可缺少的一个重要环节。 1 2 汽车行驶平顺性研究发展概况 随着人们对车辆乘坐舒适性要求的不断提高，国内外对汽车行驶平顺性的研 究也逐步深入，而且取得了一定的进展。汽车行驶平顺性研究的内容非常广泛， 简而言之包括：路面特性的研究、汽车行驶平顺性评价方法及评价指标的研究、 汽车振动模型的研究、汽车振动响应求解的研究、汽车行驶平顺性的试验研究和 影响汽车行驶平顺性的各部件研究等内容。 1 2 1 平顺性评价方法的研究概况 对平顺性的研究和改进，首先都需要研究平顺性的评价方法。评价方法的研 江苏大学硕士学位论文 究经历了一个漫长的过程。国外对车辆振动和乘坐舒适性的研究初期，主要从实 验的角度就人体对振动的感受进行研究，以解决行驶平顺性评价问题。早在1 9 3 1 年r e i h e r 和m e i s t e 通过对十名自愿者在振动台上的振动试验，对评价方法进行 了初步研究。后来，j a c l d i n ，u d d e r ，g o l d m a n ，d i e c k m a n 和j a n e w a y 等先后对人 体做了大量的试验，总结出一些评价方法和准则。根据优化准则和目标函数选择 的不同，总结出的评价方法和准则较有影响的是d i e c k m a n 的k 系数、j a n e w a y 准则1 3 1 ，两者的试验都是在振动台上以正弦振动形式输入的，难以用它们评价承 受随机振动的汽车平顺性；p r a d k o 和l e e 提出的吸收功率法( a b s o r b e dp o w e r ) 【4 1 ， “吸收功率 为一数量值，输入给人体各方向的吸收功率可以直接相加；g r i f f i n 教授的“总体乘坐值法 1 5 1 ( 1 9 8 6 ) ，该法较为全面，适用场合较广，为i s 0 2 6 3 1 新标准的产生做出了重要贡献；国际标准化组织1 9 7 4 年颁布了i s 0 2 6 3 1 的最初 版本一人体承受全身振动评价指南 6 1 ，推荐的1 3 倍频带分别评价方法、总 加权值评价方法及其评价指标，目前被普遍采用 7 , 8 1 。这一标准不断地被修改和 完善。当前最新的舒适性评价标准为1 9 9 7 年公布的i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 人体承 受全身振动评价一第一部分：一般要求p 。此标准对于评价长时间作用的随机振 动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时，能与主观感觉较好地符合。 国内在平顺性评价方面的研究始于7 0 年代后期，并参照i s 0 2 6 3 1 人体承 受全身振动的评价指南制定了自己的标准。目前国内在进行汽车平顺性评价时， 用得最多的是g b 4 9 7 0 t - 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法， q c t 4 7 4 1 9 9 9 客车平顺性评价指标及限值和g b t 5 9 0 2 1 9 8 6 汽车平顺性脉 冲输入行驶试验方法等相关汽车平顺性试验标准。由于国内外不同的学者和学 术团体在平顺性评价问题上所持的观点不尽相同，所以到目前为止还没有一种评 价方法得到国际公认，即使是已被广泛采用的i s 0 2 6 3 1 和g b 4 9 7 0 t - 1 9 9 6 也不 能完全令人满意，需进一步的完善。 1 2 2 汽车行驶平顺性分析及改善的研究概况 研究汽车行驶平顺性的评价方法，是为了更好地对其进行分析和改善。对汽 车行驶平顺性的研究与改善一直是专家学者关注的焦点。早在2 0 世纪5 0 年代， 2 江苏大学硕士学位论文 从理论计算的角度研究汽车行驶平顺性，主要是通过计算车辆振动响应达到确定 悬架、轮胎及座椅的刚度、阻尼参数的目的，从而解决c a e 中的设计参数选择 问题。主要是将随机振动理论应用于车辆行驶时的振动过程，寻求符合各种车辆 振动特性的力学模型，然后，运用牛顿定律和拉格朗日方程建立微分方程，进行 模拟计算。由于当时的计算能力，一般都将车辆简化为2 3 个自由度，这样的 简化模型仅可作定性分析。 2 0 世纪7 0 年代，随着对基础理论的深入研究，汽车平顺性的研究工作有了 比较快的进展，如汽车平顺性计算机模拟的研究，汽车座椅振动特性及其改进的 研究，汽车悬架系统的结构分析与改进的研究。 1 9 7 6 年长春汽车研究所郭孔辉建立了单输入的2 自由度汽车系统模型定性 地探讨了如何选择悬挂参数的问题【1 0 】以改善汽车平顺性。1 9 7 8 年长春汽车研究 所李承德等在应用模态分析研究汽车平顺性时运用系统模态与模态分析综合技 术相结合的方法，建立整车系统模型，该方法可以用来研究提高汽车性能及解决 工程实际问题。吉林工业大学张洪欣等在大客车平顺性的研究方面也取得了很好 的成果1 1 l l 。1 9 9 3 年东风汽车工程研究院谢卫国对半挂汽车列车平顺性分析进行 了探讨，介绍了1 8 个自由度的半挂汽车列车振动模拟模型，利用该模型和计算 机软件分析了各种结构参数对半挂汽车列车行驶平顺性的影响【1 2 】。1 9 9 7 年辽宁 工学院石晶就乘龙l z 6 4 0 0 轻型小客车行驶平顺性的改进问题进行了探讨，主要 针对乘龙l t _ 斛0 0 轻型小客车行驶平顺性的不理想问题，进行了原车的道路试验， 查明了原因，通过计算机模拟，对后悬架进行了改进设计1 。1 9 9 9 年内蒙古工 业大学段志信就多工况下汽车悬挂参数优化进行了研究，研究采用了多自由度汽 车振动模型，在多种工况下对悬架参数进行了优化，克服了以往单一工况的不足， 得到了最优悬架参数的特性曲线，即悬架系统实现了这种阻尼和刚度特性，就可 较大程度地改善汽车行驶的平顺性。 在汽车悬架部件性能与结构的研究方面，华南工学院和中国汽车技术研究中 心的研究人员利用统计线性化方法对汽车2 自由度悬架非线性系统进行当量线 性化处理，提出了非线性参数的工程估计方法。1 9 8 4 年北京工业大学章一鸣等 对车辆悬挂系统优化设计进行了研究。1 9 9 0 年章一鸣等对车辆悬挂阻尼的微机 3 江苏大学硕士学位论文 控制进行了深入的研究，在自适应控制理论的基础上，提出了一种车辆悬挂阻尼 自动调节的微机控制方法。结果表明，该控制系统是可靠的，能使车辆行驶平顺 性得到明显的改善。1 9 9 7 年中南工业大学刘少军等与日本名占屋大学未松良一 对最优预见控制设计及其在汽车主动悬架控制中的应用进行了探索性的研究 1 4 1 。1 9 9 8 年重庆大学韩西等对汽车半主动悬架系统的动态优化方法研究进行了 探讨，文中建立了具有4 个自由度的半车模型，研究了汽车半主动控制的动态优 化方法【1 5 】，并利用基于线性二次控制理论和考虑前后轮的路面扰动输入的时间 延迟性对其进行了仿真，结果表明，此优化方法能较大地改善悬架系统的动态性 能。1 9 9 8 年吉林工业大学庄继德等对可切换半主动悬架的一种自适应控制策略 进行研究，以提高乘坐舒适性而不损害行车安全性作为此控制策略的出发点，根 据悬架设计中乘坐舒适性与行车安全性相互矛盾的特点，提出了以控制信号零阶 保持时间宽度作为自校正参数的控制策略【1 6 】。 2 0 世纪8 0 年代以来随着对基础理论的深入研究，汽车行驶平顺性试验及研 究工作取得突飞猛进的发展。g o b b i 等按照全局近似的方法( g l o b m a p p r o x i m a t i o na p p r o a c h ) 【1 7 】，将物理汽车模型用另一种纯粹的数字模型替代。 这个数学模型可以精确地模拟很多行车条件：直行转弯、单移线、启动、制动、 平路面不平路面行驶、干路面湿路面行驶，允许通过修改底盘参数( 悬架的刚 度、阻尼、作动器增益、轮胎压力等) 来实现所期望的车辆动力学性能，从而改 善车辆的平顺性和操作稳定性。z h a n gy u a n 等对模拟试验场( v i r t u a lp r o v i n g g r o u n d ) 的建立和整车的分析模型进行研究。根据试验场真实道路的路面轮廓， 建立了道路的有限元模型，根据车辆的设计参数建立了车辆的有限元模型，再用 适当的计算机程序把他们组合起来，以完成不同的非线性动力学分析【埔】。 近些年，随着虚拟样机技术的不断发展，多体动力学技术在汽车平顺性方面 发挥的作用也越来越大。2 0 0 2 年，北京理工大学的曹丽亚在计算机上借助 a d a m s 软件完成了汽车脉冲平顺性的仿真分析【1 9 】。2 0 0 4 海军科技大学的支龙 等同样采用模糊控制理论，建立了1 4 主动悬架模型，利用a d a m s 和m a t l a b 进行了联合仿真，得出了比较满意的结果【枷。2 0 0 5 年同济大学、吉林大学和上 4 江苏大学硕士学位论文 海汽车工程研究院的研究人员按照国家标准，利用a d a m s c a r 模块共同建立 了整车多体动力学模型和国家级路面模型，进行了汽车平顺性的二次开发，二次 开发的模型经仿真与实验结果验证是可用的1 2 1 j 。2 0 0 6 年奇瑞汽车有限公司的杨 亚娟等针对奇瑞公司的一款车型在a d a m s c a r 模块中建立了整车多体动力学 模型和国家b 级和c 级路面模型，进行平顺性仿真，得出了较好的仿真结果1 2 2 1 。 同年，江苏大学的贝绍轶等建立了1 4 车辆仿真模型，基于遗传算法设计了半主 动悬架模糊控制器，仿真结果证明是有效的【2 3 1 。吉林大学张建文等利用a d a m s 建立汽车多体动力学模型，进行了平顺性和操纵稳定性的仿真，也得到了不错的 效果【圳。张庆才等人采用多刚体系统建立了汽车7 自由度的振动模型，以各态 历经的路面随机输入谱对车辆的平顺性进行了仿真研究吲。王连明运用模态分 析技术建立了1 3 自由度“人体一座椅一车辆 系统的动力学模型，利用随机振动 理论，给出了振动形态、传递函数、车轮动载荷、座椅加速度等参量的计算方法， 该模型可对汽车的行驶平顺性进行预测和评估【矧。金睿臣用a d a m s 建立了1 1 自由度的汽车非线性振动模型【2 7 1 ，用伪白噪声法生成符合实际路面统计特性的 伪随机序列模拟路面不平度，对汽车在路面随机输入下的振动响应作了仿真分 析。苏小平运用多体动力学理论和方法建立整车模型对汽车平顺性进行研究，并 开发出一套平顺性仿真优化软件 2 s 1 。乔明侠利用多体动力学分析软件a d a m s 建立了包括车身、前后悬架等系统在内的整车模型，对汽车平顺性进行仿真分析， i 并把仿真结果与实验结果对比分析 2 9 1 。其中一些研究成果己应用到生产中，使 汽车平顺性得到改善f 蚓。 随着虚拟技术的不断发展，对仿真精度的不断提高，一些学者提出车辆系统 不完全是一个线性振动系统，其中还包含了一些非线性因素，如刚度、阻尼，橡 胶衬套等，应建立考虑车辆系统中非线性因素的非线性振动模型，由于非线性系 统的分析较线性系统复杂得多，这一方面的研究还有待进一步完善。 5 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究内容 汽车的行驶平顺性是评价汽车的一个重要的性能指标，如何提高汽车行驶平 顺性已成为汽车设计人员越来越关注的问题，针对某小型客车平顺性不理想的情 况，本次研究对该车进行平顺性分析与优化，以提高其乘坐舒适性，增强市场竞 争力。 研究时首先利用虚拟试验场( v p g ) 技术，建立平顺性分析用的虚拟样机模 型，在验证所建模型正确的基础上，进行整车平顺性仿真分析，并对样车平顺性 进行评价。然后为了改善整车平顺性，利用m a t l a b 优化函数f m i n c o n 对悬架参 数进行优化。最后将优化结果用于实车改进，实现理论与实际的结合。课题主要 研究内容为： ( 1 ) 通过对整车系统的分析和简化，在虚拟试验场( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ， 简称v p g ) 上建立平顺性分析用的虚拟样机模型( 包括前悬架系统、后悬架系统、 轮胎模型等) 。 ( 2 ) 在v p g 中建立随机路面和脉冲路面模型。通过对平顺性脉冲路面输入以 及随机路面输入的仿真，并与对应的样车试验对比分析，验证虚拟样机模型的正 确性。 ( 3 ) 对整车进行平顺性仿真研究，并对样车平顺性进行评价，同时分析悬架参 数对平顺性响应量的影响。 ( 4 ) 为了改善该车平顺性，进一步对悬架参数进行优化，将优化后的参数应 用于模型，并进行平顺性仿真分析，考察优化后整车的平顺性。 ( 5 ) 为检验优化是否能有效地改进实车平顺性，最后通过改进后样车的平顺 性试验分析( 试验包括平顺性脉冲输入试验和b 级路面试验) 验证优化结果的有 效性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章基于v p g 技术的整车平顺性仿真模型 2 1v p g 技术的介绍 2 1 1v p g 技术 v p g ( m l a lp r o v i n gg r o u n d 汽车虚拟试验场) 是e t a ( e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g ya s s o c i a t e s ，i n c ) 经过与各大汽车厂商( 如f o r d 、g m 、 d a i m l e r c 腿y s l e r 和k i a 等) 近2 0 年的合作，积累了丰富的汽车界c a e 技 术服务经验之后，在l s d y n a 软件平台基础上开发出的整车仿真软件，是专门 针对整车分析而开发的c a e 仿真工具，可用于当前汽车产品开发的前沿：整车 疲劳、整车系统动力学、n v h 、整车碰撞安全及乘员保护等最热门仿真分析。 其求解器l s d y n a 优异的品质，保证了v p g 具有先进、专业、可靠的仿真能 力，v p g 提供的模型库、工具库及固化专家经验的数据库等自动技术，可将整 车仿真过程中软件使用人员的工作量降到最低。目前v p g 软件分为 v p g p r e p o s t 、v p g s t r u c t u r e 、v p g s a f e t y 三个模块 3 1 , 3 2 1 。 创建有限元模型是一项乏味、苛刻的工作，v p g p r c p o s t 具有完整的网格划 分工具和方便实用的建模工具，工程技术人员利用它可创建非常复杂的模型并对 计算结果进行评估分析。v p g p r e p o s t 完全支持l s d y n a 、n a s t r a n 求解器， 所有的求解参数设置都可以在v p g 界面中输入，无需手工编辑。v p g p r e p o s t 提供了与多种主流c a d 软件的直接接口，可以直接导入各种c a d 数据文件， v p g p r e p o s t 还具有先进的后处理工具，可以直接读取各种计算结果文件，并且 动画显示或以曲线、图片形式表示。自动焊点生成功能允许工程技术人员采用各 种方法自动创建车身的焊点，使工作效率得到进一步提高。 v p g ，s t r u c t u r e 为工程技术人员提供了研究机械系统动态性能。作为v p g 分 析的自然延伸，它还包括研究部件级别的动态性能。v p g s t r u c t u r e 包含有创建 悬挂系统、轮胎模型以及n v h 信号处理的一整套工具，允许工程师创建机械系 统的多刚体动力学模型，创建当今流行的悬架模型，也可以方便地产生轮胎模型 并且快速连接到汽车系统模型中去，可以分析从简单的机械模型到汽车整车的非 7 江苏大学硕士学位论文 刚体模型。 v p g s a f e t y 整合了1 7 种不同的f m v s s 和e c e 汽车安全法规，独到的“过 程向导方法建立有限元模型更加有效，而且使复杂的仿真分析更加容易。 v p g s a f e t y 碰撞工具库中包括有各种障碍物、假人、摆锤以及安全带等模型f 3 3 1 。 2 1 2v p g 后处理器l s d y n a l s d y n a 是世界上著名的通用显式动力分析程序。它以l a g r a n g e 算法为 主，兼有a l e 和e u l e r 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析 为主，兼有热分析、流体一结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分 析功能( 如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成形后的回弹计算) ；特别适合求 解各种结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等高度非线性瞬态动力学问题。在工程 界得到广泛应用并被认为是最佳的显式分析软件包，与实验结果的无数次对比证 实了其计算的可靠性和准确性【3 4 期。 l s d y n a 的前身是由j o h no h a l l q u i s t 博士在美国劳伦斯利渥摩尔国家 实验室主持开发的d y n a 3 d 、d y n a 2 d 程序系列，当时开发的主要目的是为武 器设计提供分析工具。1 9 8 8 年底，j o l l no h a u q u i s t 博士创建了l s t c 公司，大 大加快了软件开发的步伐，并将l s d y n a 的应用由国防军工推广到民用产品。 1 9 9 7 年l s t c 公司将l s d y n a 2 d 、l s d y n a 3 d 、l s t o p a z 2 d 、l s t o p a z 3 d 等程序合成一个软件包，称为l s d y n a ，版本9 4 0 。以后的数年中分别推出了 9 5 0 、9 6 0 、9 7 0 版，增加了汽车安全性分析、板成形过程模拟、舢匝和e u l e r 算 法、不可压缩流体、新的材料模型、新的接触功能、隐式算法、双精度计算、新 单元形式等功能。2 0 0 3 年l s t c 与m s c s o f t w a r e 公司签署合作协议，将l s d y n a 程序集成入m s c d y t r a n 和m s c n a s t r a n 程序，大大增强了l s d y n a 的 分析能力 3 6 1 。 2 2 整车建模准备 2 2 1 建模假设 建立仿真模型需将复杂的汽车系统进行一定程度的简化。对模型适当地简 8 江苏大学硕士学位论文 化，有利于提高计算速度和抓住问题的本质。利用v p g 软件分别建立前悬架、 后悬架、轮胎等子系统模型，同时引入路面等外部条件的约束。其中，建模所需 的几何数据采用三维软件测取，既缩短建模时间又可以保证精度。兼顾各主要部 件的动力学特性建立整车动力学模型。建模作如下的假设和简化【3 7 1 ： ( 1 ) 除了轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件外，其余零件均为是刚体， 在仿真过程中不考虑变形。 ( 2 ) 对于模型中的传动副，如转动副，滑动副，皆视为理想传动副，各运动 铰链内的摩擦力忽略不计。 ( 3 ) 悬架各刚性部件均简化为v p g 中提供的梁单元模型，根据悬架的刚性和 部件的材料特性，设置梁单元的属性。 2 2 2 整车建模相关参数的获取 整车的特征参数包括几何特性参数、质量特性参数、力学特性参数和外界参 数等。特征参数的准确性，对于整车建模工作有着极为重要的作用，为了获取准 确的整车特征参数，在建模前期需要做大量的工作。 特征参数的获取有多种方法：实验法、查图法、计算法、c a d 建模法等。 ( 1 ) 几何参数的获取 该参数用来反映模型中各零部件的几何位置关系。运动学参数可以通过查阅 图纸方法来直接获取。每个参数要在同一的整车参考坐标系中测量。某些参数不 能直接从图纸中得到，可以考虑根据运动部件的几何外形参数及角度关系用作图 法求解。 ( 2 ) 质量参数的获取 系统的质量、质心、转动惯量的准确与否直接影响系统的动力学仿真精度。 零部件的质量一般可以借助三维造型软件获取，在建模时不具有相对运动关系的 零件可视为一个零部件，因此其质量应只有一个。运动部件的质心、转动惯量可 以通过实验、计算等方法取得。在传统的分析中，转动惯量尤其是整车的转动惯 量的获得一直是一个难点，大多数情况下研究人员都采用经验公式计算m 矧。 ( 3 ) 力学参数的获取 该参数一般指刚度、阻尼等。这些参数对整车性能有着至关重要的影响【矧， 9 江苏大学硕士学位论文 一般通过实验获得。 ( 4 ) 外界参数的获取 外界参数主要指路面、风力等，路面参数可以通过实验测量来获取。 本课题的研究对象为某小型客车，该车的相关参数如表2 1 所示。 表2 1 整车相关参数 t a b l e2 - 1v e h i c l e - - r e l a t e ds p e c i f i c a t i o n 参数名称参数值 整车质量( 满载) 前悬架弹簧刚度 后悬架弹簧刚度 前悬架等效阻尼 后悬架等效阻尼 前轮距 后轮距 轴距 主销内倾角 主销后倾角 前束 前后轮外倾角 2 9 2 0 5 k g 4 7 n r a m 6 3 n r a m 4 8 0 7 7n s m 5 1 9 2 3n s d m 1 5 4 0 m m 1 5 4 0 m m 2 8 0 0 r a m 1 0 。 1 0 。 l m m 0 4 0 2 3 坐标系的选择 确定整车坐标系、正负方向及标注方式，均在汽车满载状态下进行。各运动 部件相对连接位置，应在统一的整车参考坐标系中测量。 将满载汽车停放在水平、平直的地面，轮胎处于标准气压，以轮胎接地面为 水平面，过前轮轮心连线与汽车纵向对称面的交点作水平面的垂线，垂线与水平 面的交点为坐标原点，过原点的水平面与汽车纵向对称面的交线为x 轴，并以 汽车前进方向为“一一，同一水平面内过原点与x 轴垂直的轴线定为y 轴，以汽 车左侧方向为“一 ，右侧为“+ ，根据右手定则取过原点竖直方向的直线为z 轴，向上为“+ 一，向下为“一 ，见图2 - 1 ，整车坐标系示意图。其中v 为汽车 前进方向。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 4 前悬架仿真模型 p 。 v 图2 - 1 整车坐标系 f i g2 - 1v e h i c l ec o o r d i n a t es y s t e m 悬架是汽车的主要总成之一，其对汽车操纵稳定性和平顺性的影响至关重 要。悬架主要是指车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间的一切传力连接装置 的总称，悬架的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力( 支承力) 、纵向反力( 牵 引力和制动力) 和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架( 或承载式车 身) ，保证汽车的正常行驶。论文研究的样车前悬架是螺旋弹簧加筒式减振器， 双纵臂加横向稳定杆结构。 2 4 1前悬架螺旋弹簧的建立 在v p g 软件中螺旋弹簧用b e a m 类型中的s p r i n g d a m p e rb e a m 来模拟。 设定螺旋弹簧的刚度为4 7 n r a m 。 2 4 2 前悬架减振器的建立 减振器是悬架系统的主要元件，在车辆系统中与弹性元件并联安装，主要用 于衰减车轮与车身的相对振动，即悬架系统如果匹配了适当的阻尼，车身的自由 振动会被迅速衰减，车身的强迫振动也会受到抑制。根据前减振器的速度一阻尼 力特性曲线，在v p g 中减振器选用b e a m 类型中的s p r i n g d a m p e r 来模拟，设置 阻尼器应用的阻尼力曲线如图2 2 所示。 】1 江苏大学硕士学位论文 g 夕7 7 7 i ； ， v a o o t y 【m ，1 图2 - 2 前悬泉战振器阻尼力曲线 f i 9 2 - 2 f r o n ts u s p e n s i o ns h o c ka b s o r b e rd a 。p i n g f o r c e c q a i v e 2 43 横向稳定杆模型的简化与建立 在汽车上安装横向稳定杆，使悬架的侧倾角刚度增加，抑制汽车转向时车身 的侧倾角，以提高车辆的行驶稳定性。汽车转弯时由于离心力作用丽造成车身的 侧倾，导致内侧车轮和外侧车轮的悬架拉伸和压缩，使横向稳定杆的杆身扭转。 横向稳定杆利用杆身被扭转而产生的反弹力来抑制车身的侧倾。在模型中横向稳 定杆简化为中部横杆两端用橡胶衬套与车身相连，两端通过带有橡胶村套的转动 铰链与车桥相连。 前悬絮为非独立悬架，由螺旋弹簧加筒式减振器，双纵臂加横向稳定杆组成， 结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 前悬仿真模型 f i 9 2 - 3 f r o n ts u s p e n s i o n m o d e l l 一前螺旋弹簧；2 一战振器；3 一转向节；4 - g - , 扭辛1 - ；5 一横向推力轩：6 - - 撤r o 推 力杆：7 横向稳定杆 蕙 江苏大学硕士学位论文 2 5 后悬架钢板弹簧有限元模型的建立 由于钢板弹簧由多片长短不一的簧片叠加组成，力学特性较为复杂，既是弹 性元件，又是传递纵向、侧向地面作用力的传力元件，因此建立钢板弹簧悬架模 型是构造车辆多体模型的一大难点。 该小型客车后悬架的结构形式采用纵置钢板弹簧形式，共有五片主簧，两片 副簧。钢板弹簧的两端与车架相连，其前端为固定端，与车架采用转动铰链连接， 后端为活动端，用吊耳与车架相连。后悬架结构沿纵向对称。 目前对钢板弹簧分析计算的方法越来越多，在这些方法中人们采用了各种不 同的力学模型。在钢板弹簧计算中之所以有各种不同的力学模型，是由于在计算 分析中运用了各种不同的假定，其根本原因为钢板弹簧存在多层梁的接触问题。 像板端法，集中载荷法，以及板端法和集中载荷法的混合方法，这些方法都没有 也不可能涉及到接触情况的研究。都是先假定某一种接触状态然后进行计算，这 样当然不会完全符合实际情况【4 1 , 4 2 1 。因此，通过对钢板弹簧各种不同分析方法 的比较及研究，形成了钢板弹簧有限元计算法。 2 5 1 钢板弹簧的装配后几何尺寸参数 钢板弹簧装配后的几何尺寸如表2 2 所示；装配后的总弧高1 6 0 m m ，几何 图形如图2 4 所示。 表2 - 2 钢板弹簧几何尺寸参数 t a b l e2 - 2g e x 蚰e t r yp a r a m e t e r so fl e a fs p r i n g 注：长度单位为m m ，5 。 f i g2 4 2 - 4 e 锹t r y m 弹o d 觏e o f 能l e a f 型s p r i n g 2 - 5 - 2 钢板弹簧的材料 要指器一一 ( 1 ) 接触算法 一叭门w 述绎，具有强大的接触分析台璺 法和篡一确慨恸慨嘲皴 法和对称罚函数法( 缺省的方法) f 4 3 j 。 一h 玎”舁纭。动力约束法、分配参数 1 4 江苏大学硕士学位论文 由于该算法比较复杂，目前仅用于固连接触，即只有约束条件，没有释放条件。 2 ) 分配参数法 该算法仅用于有相对滑动但没有分离的滑动处理，如炸药爆炸的气体对结构 的压力作用。其原理是：将每一个正在接触的从单元一半质量分配到被接触的主 表面上，同时由每个从单元的内应力确定作用在接受质量的主表面上的分布压 力。在完成质量和压力分配后，程序修正主表面的加速度，然后对从节点的加速 度和速度施加约束，保证从节点沿主表面运动，程序不允许从节点穿透主表面， 从而避免反弹，该方法主要用于滑动接触方式。 3 ) 对称罚函数法 对称罚函数法是l s d y n a 的缺省算法，1 9 8 2 年开始用于d y n a 2 d 程序， 后扩充到d y n a 3 d 程序。其原理是：每一时步先检查各从节点是否穿透主表面， 没有穿透则不对该从节点做任何处理。如果穿透，则在该从节点与主表面间，主 节点与从表面间引入一个较大的界面接触力，大小与穿透深度、接触刚度成正比， 称为罚函数值。其物理意义相当于在其中放置一系列法向弹簧，限制穿透，如下 图2 - 5 所示。 图2 - 5 对称罚函数算法示意图 f i g2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y m m e t r i cp e n a l t yf u n c t i o na l g o r i t h m 接触力由下面公式计算： f=k8(2-1) 式中，k 为接触界面刚度( 接触界面刚度由单元尺寸和材料属性确定) ，万为 穿透量。 该接触算法方法简单，很少激起网格的沙漏效应，没有噪声，动量守恒准确， 江苏大学硕士学位论文 不需要碰撞和释放条件，为l s d y n a 的缺省算法。 ( 2 ) 接触的分类 l s d 1 a ( 9 6 0 版) 有4 0 多种接触类型，可以大致分类如下： 1 ) 单向 2 ) 双向 3 ) 单面 4 ) 实体 以上四种是基于罚函数法；若关键字中包含c o n s l l r a m 则基于约束法。 5 ) 固连固连约束法，关键字中包含t i e d 或t i e b r e a k 。 ( 3 ) 自动接触与非自动接触的区别 在接触定义的关键字中，不管是单向还是双向都有a u t o m a t i c 与非 a u t o m a t i c 的区别。自动接触是新开发的接触类型，主要是针对壳单元接触 中的方向问题( 体单元以接触面的外法线为接触方向，所以总可以产生接触) 。若 为非自动接触，接触只在壳单元的法线方向发生，若为自动接触则在壳单元的两 侧都发生。如下图2 - 6 形象说明。 壳下表面 x 文 ，r 月u j = 警 掌冬 壳下表面 图2 - 6 自动接触与非自动接触的区别 f i g2 - 6d i f f e r e n c eb e t w e e na u t o - c o n t a c ta n dn o n a u t o m a t i ce x p o s u r e 非自动接触类型采用基于节点的增量搜索，自动接触类型采用基于段的 b u c k e t 分类搜索。 ( 4 ) 滑动界面能 滑动界面能分为有摩擦和无摩擦两种情况。滑动界面能经常会出现负值，主 1 6 江苏大学硕士学位论文 要是由段的映射方式和初始渗透导致。如果滑动界面能负值是由段的映射方式产 生则到渗透* c o n t a c t 关键字中的m a x p a r 参数进行调整。如果滑动界面能 负值是由初始渗透产生则可以根据m e s s a g e 中的提示进行相关节点移动，调整模 型或者也可以通过减小接触厚度来解决，还可以通过关键字 * c o n t r o lc o n r r ac i 中的参数i g n o r e 设置，可以忽略所有的初始穿透。 从力学的观点看，板簧可简化为一个质量弹簧一阻尼系统，该振动系统的动 力学方程为【4 4 l f = ，矽+ 曰( ) ，f 眵+ k ( ) ，t ) y ( 2 - 2 ) 式中，为加在板簧上的载荷；y 为板簧端部的位移；m 是板簧的当量质量； b ，d 为等效阻尼；k ( y ，d 为板簧的等效刚度。其中等效阻尼s ( y ，d 是一个 与板簧正压力、簧片间的摩擦、板簧变形量等有关的非线性函数，板簧阻尼的非 线性主要是由库伦摩擦所致。改变板簧的正压力或片间摩擦等，其等效阻尼发生 变化，对板簧的力学性能将会产生影响【4 5 1 。在考虑摩擦后，簧片间的摩擦对阻 尼产生影响，摩擦系数越大，阻尼越大，当变形相同时，所需施加的载荷越大。 在载荷一定的情况下，摩擦系数为0 1 0 2 时弹簧变形要比无摩擦时的小些，簧 片的应力分布范围和无摩擦时的一致，但相应的应力值要小一些，计算得到的刚 度值也要大一些。这更接近板簧的实际情况1 ，通常动摩擦系数0 2 0 3 ；静 摩擦系数0 1 5 0 2 t 4 7 1 。所以本次研究在仿真分析时动摩擦系数设置的为0 2 ， 静摩擦系数设置为0 1 8 。 本次钢板弹簧所用的接触的定义如下， t c o n t a c t a u t o x