基于虚拟试验场技术的汽车平顺性仿真分析

第 8卷第 2期 2 0 1 0年 6月 中国工程机械学报 CHI NES E J OURNAL O F C ONS TRUC TI ON MAC HI NER Y VO 1 8 No 2 J u n 2 0 1 0 基于虚拟试验场技术的汽车平顺性仿真分析 陈 克 高 洁 吕周泉 1 沈阳理工大学 汽车与交通学院 辽 宁 沈阳 1 1 0 1 5 9 2 重庆长安汽车股份有限公司 重庆 4 0 0 0 2 0 摘要 基于虚拟试验场 V P G 技术进行汽车平顺性仿真 建立了整车多体动力学虚拟仿真模型和随机输入路面 模型 利用 L S D Y N A对仿真结果进行计算 得到时域信号下的车身加速度曲线和频域信号下的车身加速度功 率谱 采用总加权加速度均方根值法分析试验结果 并通过改变悬架刚度和阻尼大小 研究悬架系统对汽车平顺 性影响 进一步对仿真车辆的平顺性进行评价 试验结果表明 基于 V P G技术进行汽车平顺性仿真能够真实地 反映实车试验工况 分析结果准确 可靠 关键词 汽车 平顺性 悬架 功率谱密度 虚拟试验场 中图分类号 U 4 6 1 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 0 0 2 0 2 0 8 0 5 VPG ba s e d s i mul at i o n a nd a nal ys i s on v e hi c l e dr i vi ng c o m f o r t C HE N Ke GAO J i e L Z h o u q u a n 1 Co l l e g e o f Au t o mo t i v e a n d Tr a n s p o r t a t i o n S h e n Y a n g L i g o n g Un i v e r s i t y S h e n y a n g 1 1 0 1 5 9 Ch i n a 2 C h o n g q i n g C h a n g a n Au t o mo b i l e c 0 Lt d C h o n g q i n g 4 0 0 0 2 0 C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e v i r t u a l p r o v i n g g r o u n d VP G t e c h n o l o g y f o r v e h i c l e d r i v i n g c o mf o r t s i mu l a t i o n a v i r t u a l v e h i c l e mu l t i b o d y d y n a mi c a l s i mu l a t i o n mo d e l t o g e t h e r wi t h a r a n d o m i n p u t r o a d s u r f a c e mo d e l i s f i r s t e s t a b l i s h e d Th r o u g h s i mu l a t i o n r e s u l t c a l c u l a t i o n v i a L S DYNA t h e t i me d o ma i n a c c e l e r a t i o n c u r v e a nd f r e q u e nc y d o ma i n a c c e l e r a t i o n p owe r s p e c t r u m a r e t h e n o b ta i ne d Ne xt t h e t e s t i ng r e s u l t s a r e a n a l y z e d u s i n g t h e we i g h t e d a c c e l e r a t i o n s u m o f R MS v a l u e s By c h a n g i n g s u s p e n s i o n s t i f f n e s s a n d d a mp e r t h e v e h i c l e d r i v i n g c o mf o r t i s a f t e r wa r d s s i mu l a t e d a n d e v a l u a t e d F i n a l l y i t i s r e v e a l e d t h a t t h i s a p p r o a c h c a n r e f l e c t a c t u a l t e s t i n g c o n d i t i o n s wi t h h i g h a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y Ke y wo r d s v e h i c l e d r i v i n g c o mf o r t s u s p e n s i o n p o we r s p e c t r a l d e n s i t y v i r t u a l p r o v i n g g r o u n d 对于汽车平顺性 的研究 一般采用试验研究和理论分析两种方法 试验研究法通过实车试验 采用 设 计一试制一测试一改进一再试制 的过程进行平顺性分析 此方法受客观因素的影响较大 且试验结果反 馈速度慢 成本高 周期长 而理论分析法需在设计过程中将实车模型进行简化 导致汽车的许多重要特性 无法得到精确分析 分析结果误差较大 准确性不高 鉴于试验研究和理论分析方法的局限性 随着计算机仿真技术的发展 出现了基于虚拟仿真技术的新 兴汽车试验方法l 1 通过在计算机上建立汽车的虚拟模型 并进行动态分析和仿真 可 以直观地模拟汽车 的各种响应特性 及时调整模型设计参数 全面 准确地评价车辆 的平顺性 目前 常用的计算机仿真软件 是 A D A MS 软件 但它在建模过程中通常要将整车模型视为刚体 模型精度较低 当考虑柔体特性时 操作 复杂且计算结果不够准确 V P G技术 2 的应用弥补了AD AM S在建模精度及计算求解上的不足 它拥有丰 富的模型数据库 采用 C A E方法 以整车为分析对象 可 以建立包括车身有限元方法模型 悬架系统 车轮 轮胎等整车非线性系统模型 并能明确各个系统问的作用力关系 提高了仿真模 型精度 此外 V P G的后 处理支持 L S D Y N A所有关键字 能方便地计算出仿真结果 真实地反映实车工况 总之 V P G技术的应用 使汽车平顺性研究更加合理 快捷 准确 本文将基于 V P G技术建立整车多体动力学仿真模型和随机输入路面模型 采用 L S D Y N A对仿真结 作者简介 陈克 1 9 6 5 一 男 教授 工学博士 E ma i l c h e n k e 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 期 陈克 等 基于虚拟试验场技术的汽车平顺性仿真分析 2 0 9 果进行求解 实现 了在计算机上进行汽车平顺性研究 该方法对提高汽车行驶平顺性 降低产 品生产成本 和缩短开发周期具有重要的现实意义 1 仿真模型 的建立 1 1 悬架模型的建立 本次试验的前后悬架均选择麦弗逊式悬架 悬架各部件的单元类型和材料属性如表 1所示 其中材料 的密度为 8 7 3 X 1 0 t mm 弹性模量为 2 0 7 1 0 MP a 泊松 比为 0 2 8 表 1 悬架部件单元类型和材料属性的定义 Ta b 1 De f i n i t i o n o f s us p e ns i o n u ni t t y p e a n d c o m p o n e nt ma t e r i a l s a t t r i b u t e 定义悬架部件间的约束 下托臂和与其相连接的轴套一端的连接采用的是刚性连接 压杆体与活塞杆 的约束方式是圆柱副 转向节与拉杆的约束方式是球形副 后悬架 的下托臂与轴的约束方式是转动副 经几何结构参数化建立 材料属性和单元类型及部件间约束的定义后 前后悬架模型如图 1 所示 1 2 轮胎模型的建立 本次试验选用的轮胎型号是 1 9 5 6 5 R 1 5 其有限元模型的上下胎面和包布采用八节点六面体实体单 元 其材料为超弹性橡胶材料 顶层帘布 侧壁部分采用弹性壳体单元 轮毂和轮辋采用刚性壳单元 3 轮胎模型的单元总数为 2 1 4 4个 其中 S h e l l 单元 1 1 8 4个 S o l i d 单元 9 6 0个 节点总数为 2 4 8 0个 如 图 2所示 器 氨 图 1 前后悬架模型 Fi g 1 Fr o n t a n d r e a r s u s pe n s i o n mo d e l 图 2 轮胎有限元模型 Fi g 2 Ti r e f i ni t e e l e me n t mo d e l 定义轮胎与悬架之间的约束是旋转副 设置轮辋与转向节轴之间的相对惩罚刚度为 1 0 定义轮胎与 路面之间的接触类型为单向接触l 4 1 3 随机路面模型的建立 根据文献 5 6 所述 空间频率路面不平度功率谱密度表示为 G g n G q no n n o 1 式中 下标 q为路面相对基准平面高度 n为空间频率 为参考空问频率 o 0 1 m W为频率指 数 W 2 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 1 0 中国工程机械学报 第 8卷 为了方便仿真结果的计算和进行时域信号分析 通常要将 G 转换为时间频率路面不平度功率谱 密度函数 G G q 厂 G q G q 佗 0 舰 j 2 式中 厂为时间频率 V为车速 而路面加速度功率谱密度 G 和车身垂向加速度功率谱密度 G 表示为 G 2 7 G 厂 1 6 兀 G g n 0 n 5 3 G c o I H j co G b 4 式中 V为车速 l H o 1 为加速度辐频特性 本次试验选用的路面为 C级路面 G 为 0 n 0 1 0 0 1 n 2 0 5 1 4 车身模型的建立 本次试验中定义白车身为板壳单元 选用厚度为1 mm的钢板 并采用 T o p o l o g y技术对车身进行 网格 划分 车身与悬架的连接是通过前后悬架上 的 6个部件组 成的一个新部件与车身进行刚性约束的 其 中主动件为车 身 被动件为此新部件 且此新部件 的材料为刚性材料 单 元类型为梁单元 汽车悬架 轮胎和车身总质量为 5 3 5 k g 而确定车的 总质量为 1 6 0 0 k g 前轴载荷 5 8 将车的其他部件质量 用一个刚性质量点来代替添加在车身上 调整好整车质心 位置 形成整车模型 同时建立一个重力加速度 本试验所建车身多体有限元模型如图 3所示 2 整车动力学方程 图 3 整车有限元模 型 Fi g 3 Ve h i c l e mo d e l 本次试验采用多体系统动力学分析法 基于 V P G技术 应用拉格朗 日方程 建立汽车平顺性仿真的虚 拟模型的动力学方程为 A c E K 3 q K 7 c 式中 M 为汽车的质量矩阵 q 为车辆振动系统的广义坐标 为汽车的阻尼矩阵 K 为汽车的刚 度矩阵 E 为轮胎刚度矩阵 为路面输入向量 C 为轮胎阻尼矩阵 3 仿真 结果及分析 路面不平而作用于车轮上的激励通过汽车悬架系统传递到车身而引起振动是影响汽车平顺性的主要 原因 而悬架系统的刚度 阻尼直接影响着车辆振动的强弱 影响着车辆的行驶平顺性 因此本次试验主要 研究悬架系统对汽车平顺性的影响 主要方法是 在 C级路面 车速为 7 0 k m h 1下 依次调节悬架的刚度和阻尼 分析参数变化后车身 垂向加速度及其功率谱密度的变化规律 并采用总加权加速度均方根值法 9 对试验结果进行分析 3 1 悬架刚度对平顺性的影响 悬架的初始刚度 由刚度曲线定义如图 4所示 对车辆的前后悬架初始刚度同时以 2 5 的幅度进行调 节 仿真后得到不同刚度下车身垂向加速度时域信号曲线 如图5 所示 从图5中可以看出 随着悬架弹簧 刚度的增加 车身垂向加速度有所增大 经傅立叶 F F T 变换 将时域信号转换为频域信号 并求解得到不 同悬架刚度下车身垂向加速度功率谱密度 如图6 所示 从图6 中可以看出 当悬架刚度增大时 主共振峰 的峰值在增加 次共振峰的峰值减小 共振峰产生的频率没有发生变化 l 6 5 5 6 2 2 0 l l l G 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第2 期 陈克 等 基于虚拟试验场技术的汽车平顺性仿真分析 2 1 1 Z 畚 删 l醢 徽 图 4 悬架初始刚度 曲线 Fi g 4 I n i t i a l s t i f f n e s s c u r v e o f s us p e ns i o n 图 5 不 同悬架刚度下车身垂 向加速 度比较 Fi g 5 Co m p a r e b o d y v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n a t d i f f e r e n t s u s p e n s i o n s t i f f n e s s 曲线包络的面积就是车身垂向加速度的总功率 当主共振 峰幅值上升 时 次共振峰幅值下降 说明仿 真结果符合能量守恒定律 此外 随着刚度的增大 车身垂向加速度功率谱密度幅值增大 即车身垂向振动 增强 因此 在合理的范围内降低悬架刚度有利于改进汽车的平顺性 3 2 悬架阻尼对平顺性的影响 悬架的初始阻尼 由阻尼曲线定义如图 7所示 对车辆的前后悬架初始阻尼 同时以 2 5 的幅度进行调 节 仿真后得到不同阻尼下车身垂向加速度时域信号曲线 如图8 所示 从图8中可以看出 随着阻尼的增 大 车身垂向加速度值有所减小 经傅立u F F T 变换 将时域信号转换为频域信号 并求解得到不同悬架 阻尼下车身垂向加速度功率谱密度 如图 9所示 从 图 9中可以看出 当悬架阻尼增大时 主共振峰的幅值 降低 次共振峰的幅值小量增大 在高频区车身垂向加速度功率谱密度无明显变化 一 初始 刚度 一 一 7 5 剐度 一 1 2 5 U 度 频率 Hz 图 6 不 同悬架 刚度下 车身垂 向加速 度功 率谱 比较 Fi g 6 Co mp a r e b o d y v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n p o we r s p e c t r u m a t d i f f e r e n t s u s pe n s i o n s t i f f n e s s l 馨 R 图8 不同悬架阻尼下车身垂向加速度比较 Fi g 8 Co m p a r e b o d y v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n a t d i f f e r e n t s us pens i o n d a mp e r Z 矧 龌 爱 一 1 2 7 0 0 1 5 2 4 1 0 1 6 5 0 8 O 5 08 l O 1 6 1 52 4 l2 7 0 0 阻尼振动速度 mm s 图 7 悬架初始 阻尼 曲线 Fi g 7 I ni t i a l d a mpe r c u r v e o f s u s pe n s i o n 图 9 不同悬架阻尼下车身垂向加速度功率谱比较 Fi g 9 Co m p a r e b o d y v e r t i c a l a c c e l e r a t i o n p o we r s p e c t r u m at d i f f e r e n t s u s pe n s i o n d a mpe r 加 m 5 O 7N 王 s 昌旨 褂 最 N 雹 l I u I 槲 越 最 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 中国工程机械学报 第 8卷 正如分析不同悬架刚度对汽车平顺性的影响一样 悬架阻尼的变化改变了系统的传递函数 相应地车 身加速度的幅频特性发生改变 随着阻尼的增大 车身垂向加速度功率谱 密度幅值降低 即车身振动响应 减弱 说明悬架阻尼是吸能元件 阻尼的增大 有利于振动中的吸能 因此 在合理的范围内增大悬架阻尼 有利于改进汽车的平顺性 4 结 论 1 基于 V P G技术建立汽车虚拟模型 用 L S D Y N A对仿真结果进行计算 分别在时域和频域下对结 果进行分析 时域分析精确地反映了车辆各 自由度随时间的变化关系 其结果可直接与实车试验数据进行 比较 并很好地解决了研究中的非线性问题 而频域分析可直观地观察在特定的频率或频带上幅值的分布 情况 准确分析各参数对汽车平顺性的影响 有利于平顺性的评价 2 合理选择悬架刚度和阻尼对汽车平顺性至关重要 在允许的范围内适 当降低悬架刚度和增大悬 架阻尼有利于改进汽车的平顺性 3 使用 V P G软件 从有限元的角度来研究求解柔体动力学的基本思想和方法 在建模过程 中 充分 考虑了整车各零部件的柔性体和刚性体特性 详细描述了元件材料 连接方式及约束的选择 也考虑了弹 性元件和阻尼元件的非线性性质 提高了仿真模型的精度 真实地描述了实车试验情况 使分析结果准确 可靠 参考文献 1 王 国权 车辆平顺性虚拟试验技术的研究 D 北京 中国农业大学 2 0 0 2 WA N G G u o q u a n S t u d y o n v i r t u a l t e s t o f v e h i c le r i d e c o mf o r t E D B e i j in g C h i n a A g r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y 2 0 0 2 2 MI N H K C H O I G s J U N G J A e t a 1 V e h i c l e d y n a m i c a n a ly s i s u s i n g v ir t u a l p r o v i n g g r o u n d a p p r o a c h J K S M E I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l 2 0 0 3 1 7 7 9 5 8 9 6 5 3 方杰 吴光强 轮胎机械特性虚拟实验场口 计算机仿真 2 0 0 7 6 2 4 3 2 4 7 F A NG J i e WU G u a n g q ia n g Wi r t u a l p r o v i n g g r o u n d o f t ir e me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s J C o mp u t e r S i mu l a t i o n 2 0 0 7 6 2 4 3 2 4 7 4 吴光强 方园 汽车平顺性时域仿真分析 J 汽车技术 2 0 0 7 2 8 1 1 WU G u a n g q i a n g F A NG Y u a n T i me d o ma i n s i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o f v e h i c l e r i d e c o m f o r t J Au t o mo b i l e Te c h n o l o g y 2 0 0 7 2 8 1 1 E 5 长春汽车研究所 G B T 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法I s 北京 中国标准出版社 1 9 9 6 C h a n g c h u n A u t o mo b i l e R e s e a r c h I n s t i t u t e G B T4 9 7 0 1 9 9 6 Me t h o d o f r a n d o m i n p u t r u n n i n g t e s A u t o m o t i v e r i d e c o mf o r t S B e i j i n g C h i n a S t a n d a r d s P r e s s 1 9 9 6 E 6 赵珩 卢 士富 路面对 四轮汽车输入的时域模型 J 汽车工程 1 9 9 9 2 1 2 1 1 2 1 1 7 z H A 0 H e n g L U S h i f u R o a d i n p u t i n t i m e d o m a i n m o d e l o n f o u r t i r e v e h i c le J A u t o m o t iv e E n g