车辆悬架动力学优化研究ADAMS

1/50,车辆悬架动力优化研究,抹布,2/50,1.1车辆动力学的研究背景,背景：现代汽车对乘坐的舒适性和行驶安全性的要求越来越高，而悬架性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性的重要因素，设计一个具有良好综合性能的悬架成为现代汽车研究的一个重要课题。,3/50,20世纪30年代，独立悬架Lanchester(U.A),Olley(U.S.A)20世纪50年代,“关于对汽车稳定性的控制及轮胎性能的研究”机械工程师学会(IMechE)1993年,“关于车辆舒适性和操作性”Segel(IMechE)先进控制理论和技术的应用也极大的推动了车辆动力学的发展:ABS(Anti-lockBrakingSystem)防抱死制动系统TCS(TractionControlSystem)驱动力控制系统,1.2车辆系统动力学的研究现状,4/50,ASR(AccelerationSpinRegulation)防滑转控制系统DSC(DynamicStabilityControl)动态稳定性控制VDC(VehicleDynamicControl)车辆动力学控制近年来，随着计算机技术及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。尤其是多体系统(Muti-BodySystem)动力分析软件(如DADS，ADAMS)的应用，使一些复杂模型得以表达和求解。,5/50,1.4车辆系统动力学的研究方法,物理建模与编程计算。建立与实物的物理本质相同的物理系统，通过试验手段，准确测试物理系统的性能和各种参数之间的关系，得到系统模型及各种性能；数学建模与编程计算。建立车辆运动的微分方程组采用数值积分方法用MATLAB，VB，FORTRA等计算机语言编写相应程序，求解微分方程组；基于多体动力学的虚拟样机软件建模和计算。较真实地反映车辆动力学特性，得到精确的模拟结果。,6/50,车辆是一个复杂的多体系统集合，若考虑了更加复杂、多变的外界载荷的作用，“人车路”三位一体的相互作用，致使车辆动力学模型的建立、分析、求解成为一个难题。传统研究方法：经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验和整车性能试验来研究车辆动力学。缺陷：花费大量的人力、物力，设计周期长，而且有些试验因危险性而难以进行。,7/50,以ADAMS为代表的多体系统动力学软件为建立更加精细的车辆模型及方便求解提供了可能性，复杂系统的高精度仿真的能力大大提高。,本课题要做的工作：借助ADAMS和MATLAB/Simulink工具箱研究车辆悬架系统动力学。,8/50,2多体系统动力学理论及仿真软件ADAMS,由美国机械动力公司开发的ADAMS采用虚拟样机技术，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，并提供与其他CAE软件接口,因为其较高的建模仿真的精度和可靠性成为目前世界范围内使用最广泛的多体系统仿真分析软件。,9/50,2多体系统动力学理论及仿真软件ADAMS,10/50,11/50,双横臂独立悬架非簧载质量小，有利于行驶的平顺性;且可以通过调整其导向机构较容易地得到所需要的前轮定位参数，有较好的整车性能。广泛应用(红旗、本田、凯迪拉克、保时捷.),3双横臂式独立悬架建模和动力学分析,双横臂式独立悬架,?？空间机构复杂，给运动学、动力学分析带来较大困难.,12/50,传统研究方法：图解法分析计算法多自由度的质量阻尼刚体模型缺点：结果误差较大，费时费力,解决方法：虚拟样机技术(VP-VirtualPrototyping)虚拟样机技术是采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、分析.,13/50,基于ADAMS的虚拟样机视悬架为多体运动系统，基于虚拟样机的运动学和动力学仿真能更加真实反映悬架特性，比图解法更为直接方便。,双横臂独立悬架仿真模型图,3.1虚拟样机技术,14/50,1-车身2-弹簧和减振器3-上横臂4-下横臂5-车轮总成6-转向节7-主销8-拉臂9转向拉杆,八个移动构件（每个有六个自由度)两个旋转副（每个约束五个自由度)四个球副（每个约束三个自由度）一个移动副（每个约束五个自由度）三个固定副（每个约束六个自由度）一个平面副（每个约束三个自由度）一个点面约束副（一个约束）,双横臂式独立悬架仿真模型图,双横臂式独立悬架结构示意图,15/50,双横臂式独立悬架结构参数,16/50,为了使车辆具有稳定的直线行驶能力和自动回正作用，并具有转向轻便性，减少在行驶过程中轮胎和转向机件的磨损，转向车轮、转向节和前轴三者之间的安装必须具有一定的相对位置。这种具有一定的相对位置反映在主销和前轮的相对安装上，称为前轮定位。,3.2悬架定位参数分析,17/50,主销后倾角主销内倾角前轮外倾角前轮前束角,仿真试验：给实验台施加一振幅为100mm的正弦激励,18/50,12.0,19/50,优化,结构参数化、设计变量目标函数约束条件优化分析,车轮外倾角车轮前束角,轮胎横向侧滑,20/50,3.4.1.结构参数化、设计变量主销的长度、后倾角、内倾角、上横臂的长度、上横臂水平斜置角、上横臂横向平面倾、下横臂的参数长度、下横臂水平斜置角、下横臂横向平面倾角九个确定为变量；,3.4优化过程,ADAMS/View提供了3种类型的参数化分析方法：设计研究(Designstudy)、试验设计(DesignofExperiments，DOE)和优化分析(Optimization)。,21/50,3.4.2自定义菜单栏,22/50,3.4.3选择目标函数,汽车轮胎的侧向滑移会加速轮胎的磨损，并影响到汽车的直线行驶能力，降低安全性;轮胎的侧向滑移与悬架的导向机构结构形式密切相关。,车轮接地点侧向滑移量的绝对值为目标函数，悬架的结构参数的允许范围为约束条件。,23/50,3.4.3优化结果,目标函数的优化曲线,目标函数相对迭代次数的变化曲线,结论：滑移量的绝对值19.756mm2.1246mm较好地解决了悬架跳动过程中滑移量变化过大，轮胎磨损严重的问题。,24/50,4基于ADAMS/Car的整车平顺性分析,4.1ADAMS/Car模块尽管ADAMS/View是个开放式建模环境，但ADAMS/Car的shareddatabase几乎提供了所有现成的template，可进一步提高了汽车说的动力学研究的效率，缩短了汽车设计的周期。其仿真工况包括：方向盘角阶跃、斜坡和脉冲输入蛇行穿越试验、漂移试验、加速试验、制动试验和稳态转向试验等。,25/50,4.2ADAMS/Car仿真分析过程,机械系统的分解(子系统)和物理抽象；建立各子系统的template文件，组成各子系统的subsystem文件，组装各子系统模型构成整车系统模型；针对整车研究的不同方面，编写不同的控制文件，对整车进行分析；对仿真计算结果进行后处理（Postprocess）。,26/50,4.3悬架系统模型,4.4转向系统模型,27/50,4.5轮胎模型,采用UA轮胎模型侧偏刚度、外倾刚度、垂直刚度、纵向刚度、滚动阻力系数和垂向阻尼系数等,4.6动力系统模型(Powertrain),本文选用后置发动机模型,只用来控制车速。通过属性文件来表明其结构特征，修改特性参数曲线得到所需要发动机模型，如发动机转速功率、转速扭矩特性曲线，变速箱变速比等。,发动机模型,轮胎模型,28/50,4.7路面模型,ADAMS中提供的二维空间路面模型用于模拟路面对轮胎的二维激励输入。主要类型有：FLAT（平整路面）PLANK（凸块路面）RAMP（斜角凸块路面）ROOF（三角形凸块路面）SINE（正弦波路面）STOCHASTICUNEVEN（随机不平路面）,29/50,4.8整车模型集成,整车模型,将建好的各子系统按照相应的约束连接在一起，即可构成完整的车辆模型。,30/50,汽车平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘坐者所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能；国家标准规定的平顺性试验分为两种：(1)冲击型不平整路面脉冲输入路面(2)接近平稳随机的路面随机输入路面,4.9整车平顺性仿真分析,31/50,4.9.1脉冲输入典型路面平顺性仿真试验,本文根据GB5901-86汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法中的规定建立脉冲典型路面。,使汽车分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h车速直线行驶通过凸块，进行脉冲输入路面平顺性仿真试验。,32/50,车身质心的垂直加速度随车速增加而增加，但随车速增加而变化缓慢。,仿真试验结果,33/50,车身垂直位移随车速增加变化的幅度变小，但变化速度要快一些。,34/50,车身垂直速度随车速增加而变化剧烈一些，但速度变化变得平缓，这说明车辆在高速情况下有较好的平顺性。,35/50,车辆在低速通过凸块时，前后减振器阻尼力变化较小，在高速通过凸块时，阻尼增大。,36/50,车辆在低速通过凸块时，前后轮胎力变化较小，在高速通过凸块时，会产生动载荷，轮胎受力增大，造成轮胎的很大冲击。,37/50,4.9.2随机输入路面平顺性仿真试验,工况：C级路面(GB/T4970-1996)保持车速80km/h样车直线行驶,转向盘转角不变,38/50,随机路面下的平顺性评价指标和方法分别计算各轴向加速度均方根值aw。对记录的加速度时间历程a(t)，在整个振动分析时间T内，通过时域积分方法可由下式求出加速度均方根值：在得到垂向(Z)、纵向(Y)、横向(X)方向加速均方根值后，用下式算得汽车总加权加速度均方根值:,(4-1),(4-3),39/50,经计算得到汽车车身的垂向、纵向、横向加速度均方值分别为0.37212ms-2、0.16205ms-2、0.36212ms-2，得到车体总加权加速度均方根值av0.3721ms-2。评价：该样车以车速80km/h直线行驶时，人的感受是“有一些不舒服”，汽车的平顺性一般。,仿真结果及评价,40/50,可见，ADAMS软件在物理建模和动态仿真中有很强的优势，但它本身的控制工具箱功能比较简单，对于具有复杂控制装置的机械系统，控制子系统的设计必须借助外部控制系统设计软件才能进行，如MATALAB，MATRIX,EASYS等。,41/50,5.1主动悬架系统模型的建立,图5-4两个自由度1/4车模型,取状态向量：,分别代表轮胎变形、轮胎相对速度、悬架的动行程和悬架垂直的速度。,取输出向量：,牛顿定律，系统运动微分方程式,(5-3),51/4车悬架控制系统设计及仿真分析,42/50,状态方程,(5-4),43/50,5.2建立随机激励的时域路面模型,车速为v=72km/h时，分别为B级、C级路面在时域下的路面谱如右图,采用一阶滤波白噪声的路面输入方式，时域数学模型可以用下式描述,(5-2),44/50,5.3LQG(LinearQuadraticGaussian)控制器设计,该控制器综合考虑了悬架系统的平顺性和操纵的稳定性，即二次性能指标中，既包含了车身加速度(考虑了平顺性)，又包含了悬架动行程、轮胎的动位移(考虑了操纵的稳定性)，同时还考虑了控制所消耗的能量。,(5-5),(5-6),45/50,其中,根据现代控制理论可以得到悬架系统的控制规律为式,其中,为反馈增益矩阵，而P为如下黎卡提(Riccatic)方程的正定解,为了快速求得反馈矩阵K，可以运MATLAB的函数LQR。,(5