（材料加工工程专业论文）纯电动汽车动特性分析及后桥的疲劳寿命研究.pdf

、i f 摘要 摘要 汽车的动特性是衡量汽车整车性能的一个重要指标，而汽车的操纵稳定性 和行驶平顺性又是衡量汽车动特性的重要指标，操纵稳定性和行驶平顺性的好 坏直接影响驾驶员的操纵方便程度和乘坐的舒适程度。本文以某款定型改装纯 电动汽车为研究对象，建立该车的整车虚拟样机模型，利用a d a m s 软件对该 样机进行动特性仿真和分析，评价其动特性；最后对该纯电动汽车后桥桥壳的 断裂失效现象进行了研究，主要研究内容和创新如下： ( 1 ) 建立纯电动汽车的整车虚拟样机模型，依据国家标准分别进行稳态回 转、角阶跃、低速回正和蛇行试验的整车操纵稳定性的仿真分析。分析结果表 明：该纯电动汽车具有良好的转向性能，对转向信号的反应快，低速回正性好， 穿杆能力强； ( 2 ) 利用c a r f i d e 模块，建立国家标准中的b 级随机路面和脉冲路面，对 纯电动汽车的样机模型进行行驶平顺性试验仿真和分析，分析的结果表明：该 车在b 级路面上行驶时，其乘坐舒适性好，在脉冲路面行驶时，低速状态下， 舒适性良好； ( 3 ) 利用有限元法、疲劳寿命分析方法和实验方法对该纯电动汽车后桥桥 壳发生的断裂失效现象进行了研究，建立了后桥桥壳的有限元模型，进行了后 桥桥壳的模态分析，对后桥桥壳进行了疲劳寿命的预测，并进行了试验研究。 通过有限元和疲劳寿命的研究，结果表明：路面激励不会引起后桥的断裂失效， 后桥的断裂失效为疲劳失效。 本文通过理论分析、数字仿真和实验相结合的方法对纯电动汽车动特性和 后桥的疲劳寿命进行了深入研究，为纯电动汽车的开发提供了理论指导和技术 支持。 关键词：操纵稳定性；平顺性；疲劳寿命分析；纯电动汽车；有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h ep e r f o r m a n c eo f a u t o m o b i l e s ，w h i l et h es t e e r i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r to ft h ea u t o m o b i l ea r et h e i m p o r t a n ti n d i c a t o r so ft h ev e h i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h e i rs t a n do rf a l ld i r e c t l y a f f e c tc o n v e n i e n c ei nm a n i p u l a t i o na n dr i d ec o m f o r to ft h ed r i v e r t h i s p a p e rt a k e so n e p u r ee l e c t r i cv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t , e s t a b l i s h e st h ew h o l ec a rv i r t u a lp r o t o t y p e m o d e l ，a n dt h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fw h i c hi ss i m u l a t e da n da n a l y z e dw i t h a d a m st oe v a l u a t ei t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；i nt h el a s t t h ef r a c t u r ef a i l u r eo ft h e r e a ra x l eo ft h i s p u r ee l e c t r i cv e h i c l ei ss t u d i e d ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n d i n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s ht h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，a n dt h e nc a r r y o u ts i m u l a t i o na n a l y s i so nt h es t e a d ys t a t er o t a t i o n ，t h es t e pa n g l e ，r e t u r n a b i l i t ya tl o w s p e e da n ds l a l o mt e s ta c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a tt h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e sh a v em a n ya d v a n t a g e s ：f a v o r a b l es t e e r i n g q u a l i t i e s ， q u i c kr e s p o n s et ot h et u r ns i g n a l ，g o o dr e t u m a b i l i t ya tl o ws p e e d ，s 仃o n ga b i l i t yt o p i e r c eb a r ； ( 2 ) e s t a b l i s hb - l e v e lr a n d o ma n dp u l s er o a ds u r f a c ea 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 s ，a n dt h e nc a r r yo u ts i m u l m i o na n a l y s i so nt h es t e e r i n gs t a b i l i t yt e s to ft h e e l e c t r i cv e h i c l ep r o t o t y p em o d e lw i t hc a r r i d em o d u l e ，t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t t h er i d ec o m f o r ti sg o o di nt h eb c l a s sr o a d s ，w h i l ei np u l s er o a d s ，t h ec o m f o r ti s f a v o r a b l ea tl o ws p e e d ( 3 ) t h ef r a c t u r ef a i l u r eo ft h ea x l er e a ro ft h i sp u r ee l e c t r i cv e h i c l ei ss t u d i e d w i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f a t i g u el i f ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s f i r s t ， e s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ea x l eh o u s i n go fr e a ra x l e ；s e c o n d c o n d u c t m o d a la n a l y s i so ft h i s ；l a s t ，f o r e c a s ti t sf a t i g u el i f ea n dv e r i f yi tw i t he x p e r i m e n t s b y r e s e a r c ha n da n a l y s i s ，i ti sp r o v e dt h a tt h ef r a c t u r eo ft h er e a ra x l ew h i c hi sf a t i g u e f r a c t u r ei n v a l i dc a n n o tb ec a u s e db yt h er o a de x c i t a t i o n i nt h i sp a p e r , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e sa n df a t i g u el i f eo f r e a ra x l ea r et h o r o u g h l ys t u d i e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， i l l a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c e a n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ed e v e l o p m e n to f p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s k e yw o r d s ：h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ；f i d ec o m f r o t ；f a t i g u e a n a l y s i s ；p u r ee l e c t r i c v e h i c l e ；f i n i t ee l e m e n t i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 汽车动特性与有限元研究概况。2 1 2 1 汽车动特性国外研究概况2 1 2 2 汽车动特性国内研究概况3 1 2 3 汽车动特性研究内容及评价4 1 2 4 有限元发展概况6 1 3 本文主要研究内容7 1 4 总结7 第2 章汽车动特性仿真软件的理论基础8 2 1a d a m s 概况及模块介绍8 2 2a d a m s 的力学基础 9 2 2 1 广义坐标9 2 2 2 动力学方程的建立9 2 2 3 动力学分析。1o 2 3 运动学分析1 2 2 4 初始条件分析1 3 2 5a d a m s 求解发散的原因及解决方法1 5 2 5 1 数值发散的原因1 5 2 5 2 数值发散的解决方法1 5 2 6a d a m s 的设计流程16 2 7 总结17 第3 章纯电动汽车的整车建模18 3 1 整车建模思想1 8 3 1 1 建模步骤18 3 1 2 建模的假设1 8 v 目录 3 2 整车建模的参数准备19 3 3 整车子系统建模2 0 3 3 1 设置建模环境2 0 3 3 2 前悬架的建立2 0 3 3 3 后悬架的建立2 4 3 3 4 转向系统的建立2 6 3 3 5 轮胎模型的建立2 8 3 3 6 车身模型的建立。2 9 3 3 7 动力及制动系统建模3 0 3 4 整车装配和调试31 3 5 本章总结3 3 第4 章操纵稳定性分析。3 4 4 1 稳态回转试验仿真与分析3 4 4 1 1 稳态回转仿真3 4 4 1 2 仿真结果分析3 7 4 2 转向盘角阶跃输入试验仿真与分析3 8 4 2 1 角阶跃输入仿真3 9 4 2 2 稳定性的评价4 0 4 3 低速转向回正试验仿真与分析4 0 4 4 蛇行试验仿真与分析4 2 4 4 1 蛇行试验仿真，4 2 4 4 2 仿真结果分析4 4 4 4 3 操纵稳定性的评价4 5 4 5 本章总结4 6 第5 章整车平顺性分析4 7 5 1 随机路面平顺性仿真4 7 5 1 1 随机路面的建立4 7 5 1 2 随机路面输入的平顺性仿真4 9 5 1 3 仿真结果处理5 2 v l 目录 5 1 4 随机路面的平顺性评价5 5 5 2 脉冲路面平顺性仿真与分析5 6 5 2 1 脉冲路面的建立5 6 5 2 2 仿真设置5 7 5 2 3 仿真结果分析5 8 5 3 本章总结5 9 第6 章后桥的有限元分析6 0 6 1 汽车后桥介绍6 0 6 1 1 后桥简介一6 0 6 1 2 后桥的失效6 2 6 2 有限元分析方法6 2 6 2 1 结构离散6 3 6 2 2 单元分析与整体分析6 3 6 - 3 后桥桥壳模型的建立6 4 6 3 1 几何模型的建立：一6 4 6 3 2 有限元模型的建立6 5 6 4 后桥的模态分析6 6 6 4 1 模态分析理论6 6 6 4 2 模态分析计算与结果分析6 7 6 5 本章总结7 0 第7 章静力分析及疲劳寿命预测7 1 7 1 后桥静力分析的i j 处理7l 7 2 静力分析及结果7 2 7 3 疲劳分析的理论7 3 7 3 1 疲劳定义和特点7 3 7 3 2 疲劳的分类及影响因素7 4 7 3 3 疲劳分析方法7 5 7 4 后桥的疲劳寿命预测7 5 7 4 1 疲劳载荷谱的确定7 6 v i l 目录 7 4 2 材料的疲劳特性7 6 7 4 3 疲劳寿命分析7 7 7 5 后桥的疲劳试验分析7 8 7 6 本章总结8 0 第8 章总结与展望8 l 8 1 论文总结8 l 8 2 展望8 2 致谢8 3 参考文献8 4 攻读学位期间的研究成果。8 7 v l l i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 汽车操纵稳定性与汽车的行驶平顺性是衡量汽车动特性的两个主要方面。 作为汽车重要性能之一的操纵稳定性，是指在驾驶员不感到过分紧张和疲劳的 条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇 到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。通常认为由相互联系 的两部分组成：一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切的响应驾 驶员转向指令的能力。稳定性是指汽车受到外界扰动( 路面扰动和突然阵风扰动) 后恢复原来运动状态的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方 便程度，而且也影响汽车高速行驶的安全性，被人们称为“高速车辆的生命线”； 而汽车行驶平顺性是汽车以常用车速行驶时保持乘员乘坐舒适度的能力，随着 汽车工业的发展与汽车的普及，人们对汽车的要求也越来越高，在获得良好的 动力性和经济性的同时，还要求汽车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。操 纵稳定性是影响汽车安全性的主要因素之一，因此如何评价和设计汽车的操纵 稳定性、获得良好的安全性，一直是汽车领域的重要课题。通过研究发现引起 汽车振动的原因主要有车辆系统本身的振动和路面的不平度，而汽车振动影响 了乘员的舒适性、工作效能和身体健康，容易造成事故【l 】。在汽车行驶过程中， 如果行驶平顺性太差，强烈振动产生的动载荷会冲击汽车的零部件，加速零部 件的磨损，降低零部件的疲劳寿命【2 】。汽车的强烈振动还会使车轮跳离路面，影 响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性，汽车振动的舒适程度，在保证驾驶 员在长时间复杂的行驶和操纵条件下，对影响系统的操纵稳定性，确保安全行 驶是非常重要的，由此可见汽车行驶平顺性意义重大。 由于汽车振动的原因，汽车零部件很有可能与路面激励的频率相同，造成 共振，从而引起零部件的断裂和疲劳破坏。而疲劳破坏也是零部件的主要失效 形式之一，其也是受到汽车振动的影响，汽车零部件由于其本身不同的结构， 疲劳寿命有所不同，当零部件由于疲劳而产生失效时，将严重影响汽车的各方 面性能，甚至会造成交通事故。 汽车是人类文明的象征与产物，与人类社会文明进程息息相关，毫无疑问， 第1 章绪论 汽车的发展脱离不了可持续发展的轨道【3 】。能源、环保与安全是未来汽车技术可 持续发展的三大主题。如果说上个世纪人们关注的是汽车的节能、排放和安全 技术，那么本世纪初人们已经将目光更多的转向了汽车的新能源和环保技术。 因为如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业，将会给燃油的需求和环境 保护造成巨大的压力。为此研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽 车成为各大汽车公司的当务之急，而纯电动汽车就是其中的一种类型。 新型的纯电动汽车以电作为其动力源，将传统的内燃机换作了大功率的电 动机，减少了燃油的消耗以及内燃机对汽车本身所带来的振动。但是，纯电动 汽车必须要具备足够多的电量才能保证其工作，因此对于纯电动汽车其底盘结 构就会有相应的改变，以使该电动汽车能够放置足够多的电池组。电池组的加 入导致汽车本身的重量改变，汽车重心改变等问题出现，因此本课题以纯电动 汽车为研究对象，对该纯电动汽车进行动特性分析和驱动桥桥壳的有限元分析， 判断其断裂失效的原因，为纯电动汽车的研究与研发提供一定的理论指导和技 术支持。 1 2 汽车动特性与有限元研究概况 1 2 1 汽车动特性国外研究概况 在国外对汽车操纵稳定性和平顺性的研究相对于国内起步都比较早，2 0 世 纪以前，工程师们对操纵稳定性的研究比较少，2 0 世纪3 0 年代才开始对汽车的 操纵稳定性进行系统研究，并取得了不少有价值的研究成果。对操纵稳定性的 研究从2 0 世纪3 0 年代初期之前的致力于悬架的设计以保证转向控制的第一阶 段开始，经过2 0 世纪3 0 年代到5 0 年代的研究轮胎特性、开发前独立悬架，提 出不足转向和过多转向概念的第二阶段以及从5 0 年代初期到7 0 年代的进行建 模和试验分析以及建立三自由度操纵的动力学方程，并形成了较为完整的以操 纵和转向为基础的理论体系的第三阶段，发展到7 0 年代以后的第四阶段。在第 四阶段中，主要由于计算机技术的发展，使得操纵稳定性的研究与计算机紧密 地结合在一起，与此同时车辆仿真模型更加复杂更加真实，从而得到的操纵稳 定性的研究也越来越逼真。从8 0 年代初期开始，汽车动力学的建模过程发生改 变。由于对汽车模型的精确度要求越来越高而且大型的多体系统动力学方程推 导十分困难，因而通用的多体仿真代码逐渐被应用，代码的应用主要体现在在 2 第1 章绪论 仿真过程中的路面的控制，使得各种仿真精度更高。 而汽车平顺性的研究，随着人们对汽车乘坐舒适性的要求的提高，对该研 究也不断的深入。在1 9 4 8 年j a n e w a y 提出了承受振动的人体舒适性评价标准， 他认为影响人体舒适性的主要因素是：低频时的加速度、中频时的加速度、高频 时的速度，并给出计算评价指标j 的计算公式，当j 值在j a n e w a y 准则曲线上时， 振动将引起疲劳和不舒适的感觉。1 9 6 1 年d e g o l d m a n 等人在试验和总结i j 人 的基础上提出了人体在承受低频( o 1 0 0 h z ) 振动时，可简化为具有刚度、阻尼 和质量的集中体系，并指出该模型在3 - 6 h z 时会产生胸腹共振，在2 0 - - 3 0 h z 时会产生头、颈、肩共振，6 0 h z 时会产生眼球振动。从2 0 世纪7 0 年代起，随 着计算机技术的快速发展，计算机成为车辆平顺性研究的有力工具，计算速度 的大幅提高使得复杂车辆模型的模拟计算成为了可能，各国学者开始用更复杂 的振动模型来逼近车辆振动系统，针对不同的车辆类型，建立相应的振动模型 来进行模拟。从最初的3 自由度单点激励模型扩展成5 自由度双轮激励模型， 接着又扩展成8 - 1 0 自由度四轮激励的立体模型，随后考虑到横向稳定杆的影 响以及将乘员简化为3 自由度的模型，已将车辆看成是1 9 个自由度的振动模型 进行模拟。另外，一些学者提出车辆系统并非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。近十几年，随着振动理论和计算机的不断发展、深 入和完善，人们又开始研究汽车的高速旋转轴振动故障诊断理论及方法、高速 汽车的操纵性和稳定性 4 1 、用新型高分子化合物粘弹性材料制品减振和降噪【5 】、 磁流变液减振控制等新的课题。 1 2 2 汽车动特性国内研究概况 在我国对汽车动特性的研究起步比较晚，对操纵稳定性和平顺性的研究始 于2 0 世纪7 0 年代。尽管我国的研究比较晚，但是吸取了国外大量的研究成果 和经验，相对发展较快。其中，成就最突出的是郭孔辉院士。自1 9 8 1 年以来， 郭教授在驾驶员模型、“人车”闭环系统特性及“人车”闭环系统的定量评价 方面做了大量研究工作，提出了物理概念清晰、适应于汽车非线性、考虑多方 面因素的驾驶员模型和定量评价“人车 闭环系统的综合评价指标。9 0 年代， 郭教授在研究“驾驶员汽车道路”闭环操纵系统模型且考虑了影响汽车操纵性 3 第1 章绪论 的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标，并应 用频率统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法， 在工程实际中得到了广泛应用。 我国从7 0 年代后期随着理论知识的深入研究以及先进测试仪器的引进，对 汽车平顺性的研究工作取得了很大进步。基于a d a m s 软件对汽车平顺性的研 究开始出现，1 9 9 8 年清华大学的金睿臣、宋健在a d a m s 软件中国地区用户会 议论文集上发表文章，研究在a d a m s 软件中实现汽车对随机路面激励的响应 问趔6 j ；2 0 0 2 年以来很多硕士研究生都借助a d a m s 软件对汽车的脉冲路面平 顺性进行了仿真分析：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 7 1 ；2 0 0 3 年，北京工业大学机电学院的 王国权，许先锋等在计算机上对福田1 0 2 8 汽车进行平顺性的虚拟样机试验研究 峭j 。对整车振动；国内学者做了一些工作。以前一般采用的六自由度物理模型， 与汽车的实际状况相差较多，近年来用建立整车的运动微分方程来研究整车振 动特性的方法，全面考虑路面激励和发动机激励的影响，用m a t l a b 5 1 、 a d a m s 、a n s y s 等软件编制计算程序对整车振动进行模拟计算、分析评价和 优化设计，以求改善农用车的整车振动特性。 1 2 3 汽车动特性研究内容及评价 本文主要针对汽车动特性中的操纵稳定性以及平顺性进行研究。对于操纵 稳定性主要研究驾驶员并未发出某些指令，但汽车却自动进行某些操纵，以及 在驾驶过程中，汽车是否会忽东忽西的不稳定，行驶方向难以确定；某些汽车 在车速超过某一个临界值之后或向心加速度超过一定值之后，驾驶员完全不能 控制汽车的行驶方向。 对于平顺性的研究主要根据车辆是一个动态系统，能对激励的输入产生振 动响应。这些响应特性确定加在乘员处的振动的大小和方向，且最终决定乘员 对车辆的感受。因此分析平顺性包括三个方面的研究：激励来源、车辆振动响 应、人体对振动的反应和界限1 9 】。除此之外，还包括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。激励源一般分为两大类路面 不平度和车上的激振。车上的激振来自包括轮胎车轮总成、传动系统和发动机 这些旋转部件。汽车的激励主要来源于路面，研究汽车行驶平顺性必须研究路 面。大量的测量分析结果表明，路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性， 4 第1 章绪论 可以用平稳随机过程理论来分析描述。通常把道路垂直纵断面与道路表面的交 线作为路面不平度的样本，通过样本的数学特征：方差或功率谱密度函数来描 述路面。均值为零时，方差可以反映路面不平度大小的总体情况；功率谱密度 函数能够表示路面不平度能量在空间频域的分布，它说明了路面的不平度。路 面不平度的时域模型可以采用多种方法生成【l 叫4 1 ，如：滤波白噪声生成法( 线 性滤波法) ，基于有理函数p s d 模型的离散时间随机序列生成法，根据随机信号 的分解性质所推演的谐波叠加法( 也称频谱表示法) ，以及基于幂函数功率谱的 快速f o u r i e r 反变换生成法等。目前，国内采用的是国际标准协会在文件 i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案 和长春汽车研究所起 草制定的“车辆振动输入路面平度表示方法”【1 5 】两个标准，采用幂函数形 式的路面功率谱密度来描述路面特性。其基本思想是：由功率谱密度的离散采 样构造出频谱，然后对频谱进行f o u r i e r 反变换得到时域模拟的不平度激励函数。 这两个标准可以反映实际的一般状况，但是，还有待进一步完善。 针对动特性的研究内容具有相应的评价方法，操纵稳定性和平顺性都是根 据国家标准对其进行试验仿真，并根据评价方法进行评价。操纵稳定性的评价 主要是针对汽车本身的，评价分为主观与客观。主观评价是由资深人员来评价 的，驾驶员占主导地位；客观评价则是根据目前我国的标准对试验结果进行评 价，为每个试验进行评分。汽车平顺性的研究离不开评价方法和评价指标，这 就涉及到评价方法和评价指标研究的问题，汽车平顺性的评价是一个相当复杂 的过程，它包括人、车、路三个环节，其中人是最活跃的因素。当前对汽车振 动评价主要分两类，即主观评价和客观评价。由于人的自身复杂的心理、生理 特征，即使是相同的振动，也需要专门人员进行评价；客观评价主要考虑车辆 的隔振性能，以机械振动的各物理量【1 6 ，l 7 】( 如振幅、频率、加速度等) 作为评价 指标，并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，这是一 种较为合适的评价方法。 从2 0 世纪5 0 年代起国外就开始对车辆的振动和乘坐舒适性进行研究，一 方面从实验的角度研究人体对振动的感受，以解决平顺性评价问题，并于2 0 世 纪7 0 年代制定出了国际标准i s 0 2 6 3 1 7 4 人体承受全身振动的评价指南【l 引， 2 0 世纪8 0 年代经修订后推出了i s 0 2 6 3 1 8 5 ，1 9 9 1 年又提出了i s 0 2 6 3 1 的新草 案。国内在这方面的研究始于7 0 年代后期，并参照i s 0 2 6 3 1 于1 9 8 5 年制定了 g b t 4 9 7 0 汽车行驶平顺性随机输入试验方法【1 9 】标准，1 9 8 6 年制定了 5 第1 章绪论 g b t 5 9 0 2 汽车行驶平顺性脉冲输入试验方法 2 0 】标准，1 9 9 0 年制定了客车 平顺性评价指标及限值标准。另外，还有一些学者提出将模糊数学、神经网 络等理论方法引入平顺性的评价中，从而得到主观评价的定量指标。 1 2 4 有限元发展概况 有限元法是最近三四十年发展起来的一种有效的数值计算方法，这种方法 目前已在工程技术各个领域中得到了广泛的应用。有限元分析的思想可以追溯 到早一些时候，1 9 4 3 年r c o u r a n t 首先提出离散化概念将一个原本是连续的 整体剖分( 离散) 为有限个分段连续的单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元 的分片连续函数来求解扭转问题。5 0 年代，有限元法首先用于飞机设计中，1 9 5 6 年m j t u r n e r 和r w c l o u g h 等人首次处理二维单元，他们推导了杆单元、梁单 元、平面应力二维三角单元和矩形单元的刚度矩阵，并概括了通常叫做直接刚 度法的过程，以及得出总体刚度矩阵的步骤，并用矩阵法对飞机结构进行了受 力和变形分析，应用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三角形单元求得 复杂平面应力问题的解。1 9 6 3 年，b e s s e l i n g 证明了有限元法是基于变分原理的 硒t z 法的另一种形式，从而使i u t z 分析的所有理论基础都适用于有限元法，确 认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。1 9 6 5 年0 c z i e n k i e w i c z 等 提出了有限元法可以应用于所有能按变分法形式计算的场的问题。从1 9 6 8 年开 始，很多关于有限元法的数学文献相继发表，论证有限元法的基本理论是逼近 理论，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析的结合，并致力于估计各种单元 类型离散化的误差、收敛速度和稳定性。1 9 6 9 年以后，有限元法在工程上获得 了广泛的应用。 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着大容量计算机的出现和美国宇航局结构分析 程序n a s t r a n 的开发成功，美国几大汽车公司开始了一场汽车结构设计的革 命，r j m e l o s h 、k k i r i o k a 和t h i r a t a 等人在美国s a e 杂志发表了一系列介绍 汽车的有限元模型的文章。1 9 7 7 年，k a m a l 和w - o l f 发表在“a m e r i c a ns o c i e t yo f m e c h a n i c a le n g i n e e r ”上的一篇文章全面评述有限元技术在整个小客车模型上的 应用情况。进入8 0 年代以来，随着计算机软硬件技术的飞速发展及计算方法的 创新，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善，模型的规模也从最初的 几十、几百个简单单元发展到如今的几万、几十万个混合单元，分析对象已由 静态应力发展到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。发展到今天，各种有限元 6 第1 章绪论 通用程序、专用程序求解功能齐全，前后处理方便，机械、汽车行业的绝大部 分结构分析及流体、热分析均可通过通用程序、专用程序去解决，各大汽车公 司几乎均采用通用有限元程序进行设计计算，结合实际情况作一些二次开发。 1 3 本文主要研究内容 本文以车辆动力学、系统结构疲劳分析理论为基础，以a d a m s 车辆动力 学分析软件以及m s c p a t r a n 和m s c f a t i g u e 软件为工具，对本课题组研究 的纯电动汽车进行操纵稳定性和行驶平顺性的车辆动特性分析，并对该汽车的 后桥进行有限元分析和疲劳寿命的预测，从而为纯电动汽车的研发提供一定的 参考。本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 科用a d a m s 软件中的c a r 模块，根据整车的参数建立纯电动汽车的整 车简化模型； ( 2 ) 根据国标对纯电动汽车进行操纵稳定性和行驶平顺性的试验仿真分析， 对仿真结果进行数据处理，并根据标准对其操纵稳定性和行驶平顺性进 行评价，以判断其动特性； ( 3 ) 利用m s c p a t r a n 软件对该车的驱动后桥桥壳进行模态分析，确定其固 有振动频率和振型，以分析其是否会由于路面激励产生共振而失效： ( 4 ) 利用m s c f a t i g u e 软件对后桥桥壳进行疲劳寿命的预测，并对该桥壳 进行简单的疲劳试验研究，分析确定桥壳的失效原因。 1 4 总结 本章主要介绍了本课题选题的背景、意义和内容，阐述了当前国内外本课 题领域的研究现状，最后介绍了本论文的主要研究内容。 7 第2 章汽车动特性仿真软件的理论基础 第2 章汽车动特性仿真软件的理论基础 2 1a d a m s 概况及模块介绍 a d a m s 软件其全称为a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ， 是世界上最为权威的动力学仿真分析软件【2 1 ，2 2 】。利用该软件用户方便快速的建立 机械系统的几何模型，在几何模型上加载激励和响应，对实际情况进行仿真预 测，进而得到系统在工作过程中的运动情况，该软件能够较强的预测出系统在 运动过程中的各方面性能，为新产品的开发与研制提供参考，应用范围广泛。 a d a m s 软件功能强大且包含较多的模块，主要有：基本模块、扩展模块、 接口模块、专业领域模块以及工具箱。其模块划分及具体情况如图2 1 所示。 图2 1a d a m s 的模块组成 其中求解器模块( a d a m s s o l v e r ) 属于软件的核心模块之一【2 3 1 ，能自动形 8 第2 章汽车动特性仿真软件的理论基础 成动力学方程，进行静力学与动力学的仿真和计算，且提供多种求解选项，便 于用户选择求解方法；后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 也属于核心模块之 一【2 4 】，主要输出各种结果曲线或者动画，并且可以对结果曲线进行处理，使得 用户对结果的处理更方便；用户界面模块( a d a m s v i e w ) 作为核心模块【2 5 1 ， 其可以进行简单的机构建模或者将其他的c a d 模型导入其中，并能对该机构系 统进行约束和加载载荷，另外还提供多种函数，方便用户对运动的控制；轿车 模块( a d a m s c a r ) 属于该软件的一个专业模块【2 6 - 2 引，主要针对汽车系统进行 动态仿真分析，该模块分为标准模块和专家模块，所有的分析都是在标准模块 下完成的，用户可以直接调用软件中自带的模型进行建模分析，而专家模块下 用户可以根据自己的需要建立属于自己的模板，然后调入到标准模块进行分析， 利用该模块，用户可以对整车系统或者部分总成系统进行仿真分析。除此之外， 该软件还包含了很多其他的模块，例如：轮胎模块，振动模块，优化分析模块 等，这些模块都为a d a m s 的强大分析功能提供了保障【2 9 3 们。 2 2a d a m s 的力学基础 2 2 1 广义坐标 广义坐标对求解动力学方程的求解速度有着很大的影响，a d a m s 软件采用 刚体f 的质心笛卡尔坐标和刚体方位的欧拉角来作为广义坐标，即 q ，= b ，y ，z ，巾，( p r ，g = 9 f ，g ：】。选用的广义坐标不同，意味着得到的微 分代数方程不同，求解的方法也就会不同。 2 2 2 动力学方程的建立 a d a m s 软件中的程序采用的是拉格朗日法建立的，即： 丢c 薏，7 一c 瓦a t ，r + 中。t p + 9 了p 2q 妒( 留，f ) = 0 ( 2 1 ) o ( q ，g ，r ) = 0 其中驴( 9 ，) = o 为完整的约束方程； p ( g ，弓，) ：0 为不完成的约束方程； 丁一系统动能；q 一系统广义坐标列阵；q 一广义力列阵； p 一对应于完整约束的拉氏乘子列阵：一对应于非完整约束的拉氏乘 9 第2 章汽车动特性仿真软件的理论基础 子列阵。 将式2 1 进行改写，可以得到如下公式： f ( q ，u ，a ，) = 0 g ( u ，q ) = 甜- q = 0 ( 2 2 ) o ( q ，q ，) = 0 其中：9 广义坐标列阵；q ，甜广义速度列阵； a 约束反力及作用力列阵； ，系统动力学微分方程； g 非完整约束的代数方程列阵： 完整约束的代数方程列阵。 2 2 3 动力学分析 利用a d a m s 软件所建立模型的动力学方程一般为隐式与非线性的微分代 数方程相混合的方程，求解此类方程，一般采用吉尔预估校正算法。采用如下 步骤进行求解： ( 1 )高斯消元：进行该步骤时，要先判断矩阵的主元，防止求解失败； ( 2 ) l u 分解：通过高斯消元后的方程组，继续通过l u 分解法求解。在 a d a m s 软件中的积分器分为刚性与非刚性两种，针对两种积分器， 存在着两种相应的算法： 提供功能强大的变阶或变步长的求解程序，适用于模拟刚性系统 或者特征值变化范围大的系统； 非刚性系统采用a b a m ( a d a m s b a s h f o r t h a d a m s m o u l t o n ) 积分求 解程序，运用坐标分离法进行求解。 用吉尔预估校正算法能够求解式2 2 所示的方程组，根据当前的系统状态的 矢量值，采用t a y l o r 基数预估算下一时刻的状态矢量值。即应用式2 3 进行估算。 y 。+ l = 一厅p oy 。“+ 0 c ，y 。叫+ l ( 2 3 ) 时间步长为h = t 川一t 。，这种方法得至的值一般情况下是不准确的，此时可 以应用l 针1 阶的积分求解程序进行校正，其校正方程为： k y 。+ l = - h i 3 0y n + l + c 。y 。一。+ l ( 2 4 ) 1 0 第2 章汽车动特性仿真软件的理论基础 其中：y 打+ l 为y ( r ) 在f = t 肘l 时刻的近似值；p o ，仅，为g e a r 积分程序的系 数值； 将式2 4 改写得到如下公式： 将式2 2 在 ( 2 5 ) ( 2 6 ) a