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淺談車輛多體動力學(xué)建模

2018-12-03 17:49:12·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  作者：洪浩華 項陽  
　
一、前言在整車研發(fā)過程中，借助計算機輔助技術(shù)進行性能仿真，可以減少制造成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。其中，整車動力學(xué)仿真直接關(guān)系到車輛的操縱穩(wěn)定性
一、前言
在整車研發(fā)過程中，借助計算機輔助技術(shù)進行性能仿真，可以減少制造成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。其中，整車動力學(xué)仿真直接關(guān)系到車輛的操縱穩(wěn)定性，整車平順性以及車輛可靠性。為了獲取準(zhǔn)確的動力學(xué)響應(yīng)，提升整車動力學(xué)性能，整車多體動力學(xué)建模顯得尤為重要。懸架系統(tǒng)是車輛動力學(xué)系統(tǒng)的重要組成，故本文主要基于懸架來介紹車輛多體動力學(xué)的建模方法。
 
二、懸架基本構(gòu)造
懸架是汽車車架與車輪之間傳力裝置的總稱，它能夠傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并減少由此引起的震動，以保證汽車能平順行駛。典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)、減震器、緩沖塊以及橫向穩(wěn)定桿等組成。
圖一 懸架結(jié)構(gòu)基本組成[1]
目前，常用的懸架結(jié)構(gòu)主要有麥弗遜式懸架、雙橫臂式懸架、多連桿式懸架、扭轉(zhuǎn)梁式懸架等。
三、動力學(xué)建模
3.1 模型簡化
懸架系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，進行動力學(xué)建模分析前應(yīng)進行一定程度上的簡化，將沒有相對運動關(guān)系的零部件組合為一體。根據(jù)零部件的真實運動關(guān)系確定合理的約束類型，通過約束連接各零部件，建立懸架系統(tǒng)的動力學(xué)簡化模型。
圖六 麥弗遜懸架基本構(gòu)造[5]
3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
建立車輛多體系統(tǒng)動力學(xué)模型的關(guān)鍵在于理清系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所謂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是將系統(tǒng)內(nèi)部的實體抽象成與其大小、形狀無關(guān)的“點”，而實體間的連接抽象成線，其本質(zhì)就是研究系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的連接關(guān)系。下圖以麥弗遜懸架為例，描述了其在垂向路徑下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系。
圖七 麥弗遜懸架垂向路徑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
子系統(tǒng)內(nèi)部及各子系統(tǒng)之間通過約束副建立連接關(guān)系，在多體系統(tǒng)動力學(xué)建模過程中，常用的約束主要有鉸鏈（Joint）約束與襯套（Bushing）約束。鉸鏈約束是一種理想約束，對于柔性連接我們則采用襯套約束。襯套約束是連接在兩個部件之間，通過6個自由度（3個軸向，3個轉(zhuǎn)向）來定義連接狀態(tài)。其中常見的鉸鏈約束類型如下：
表一 常用鉸鏈約束類型[6]
3.3 屬性參數(shù)
建立車輛多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型對于參數(shù)需求較大，參數(shù)精度要求高。通常幾何定位參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)通過試驗與計算等方法獲得。此外，整車系統(tǒng)還存在很多柔性元件，這些零件的屬性參數(shù)對于車輛動態(tài)特性影響較大。
1、彈簧剛度
彈簧的作用是將車輛經(jīng)過不平路面產(chǎn)生的跳動吸收，減小車身的振動幅度，直接影響整車動力學(xué)性能。在動力學(xué)模型中，其定義的是兩個部件之間受力—位移關(guān)系。
2、減震器阻尼
減震器的能夠緩解路面給車輛帶來的沖擊，迅速吸收顛簸路面產(chǎn)生的振動，對于整車舒適性影響較大。在動力學(xué)模型中，其定義的是兩個部件之間受力—速度關(guān)系。
3、襯套特性
襯套的剛度特性、阻尼特性對于車輛的操縱穩(wěn)定性與舒適性有著較大的影響。動力學(xué)模型需要定義襯套的3個軸向、3個旋轉(zhuǎn)方向的剛度及阻尼。

四、模型驗證
在車輛多體動力學(xué)模型搭建完成以后，相關(guān)動力學(xué)軟件可以進行懸架系統(tǒng)運動學(xué)仿真，其基于懸架試驗臺對車輪施加垂向運動并輔之轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向的仿真式，可以用來支持懸架系統(tǒng)動力學(xué)性能、變形特性和力傳遞特性的分析。
圖八 前懸雙輪反向跳動仿真分析
通過將仿真結(jié)果與K&C特性試驗結(jié)果進行對比分析，進一步驗證和提升動力學(xué)模型的精度，保證模型能夠更加精確地預(yù)測汽車的動力學(xué)特性。
 
參考資料：
[1] 老侯，什么是汽車的平順性？他與那些因素有關(guān)，老侯解車，2017-01-21
[2] 梁巍,知識堂：汽車名詞解釋-底盤與懸掛參數(shù)，汽車之家,https://www.autohome.com.cn/tech/200911/75736-2.html?pvareaid=3311700
[3] 劉賽，麥弗遜、雙叉臂、多連桿，到底哪種懸架最牛逼，言車社，2017-06-27 
[4] 高寒，《寒轷其辭》讀了這篇文章讓你更懂底盤，中關(guān)村在線，http://gps.zol.com.cn/622/6228412_all.html#p6228521
[5] 汽車懸架詳解，百度經(jīng)驗，https://jingyan.baidu.com/article/cd4c29791c8d16756e6e60f2.html
[6] MSC Software, Adams 2013/help, 2013
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