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隨機(jī)路面輸入的汽車平順性仿真分析(一)

2020-03-07 00:36:42·  來源：數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊  作者：許先鋒  
　
原創(chuàng)許先鋒數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期刊昨天1、前言現(xiàn)在隨著汽車研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)汽車產(chǎn)品研發(fā)的周期越來越短，且一個(gè)全新汽車產(chǎn)品的概念開發(fā)和設(shè)計(jì)也日益提前，
 
1、前言 
 
現(xiàn)在隨著汽車研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)汽車產(chǎn)品研發(fā)的周期越來越短，且一個(gè)全新汽車產(chǎn)品的概念開發(fā)和設(shè)計(jì)也日益提前，以適應(yīng)激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，在試制出物理樣車之前，有必要對(duì)所開發(fā)的汽車的平順性有一個(gè)清楚的了解，評(píng)價(jià)車輛的乘坐舒適性是否滿足設(shè)計(jì)要求，以避免在試制出物理樣車并對(duì)其進(jìn)行平順性試驗(yàn)主客觀評(píng)價(jià)后，發(fā)現(xiàn)平順性不滿足要求而重新更改設(shè)計(jì)所造成的試制費(fèi)用和設(shè)計(jì)時(shí)間的巨大浪費(fèi)。仿真分析是適應(yīng)這一要求的最佳途徑，因?yàn)榉抡娣治霾捎锰摂M樣機(jī)技術(shù)，其具有豐富的建模功能和強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)解算能力，可以建立規(guī)模龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)級(jí)的仿真模型，為進(jìn)行汽車整車性能仿真分析帶來了可能。這里以某一型號(hào)輕卡為例來闡述整車平順性仿真分析的整個(gè)過程與方法。
 
平順性分析對(duì)不同等級(jí)路面的不平度和人體對(duì)振動(dòng)的敏感程度有明確的規(guī)定，在建立整車多體動(dòng)力學(xué)仿真模型的同時(shí)，二次開發(fā)了適用于輪胎動(dòng)力學(xué)模型要求的不同等級(jí)路面生成程序和人體平順性評(píng)價(jià)程序，綜合運(yùn)用這些工具，實(shí)現(xiàn)整車平順性仿真分析。
 
2、整車仿真模型的建立 
 
汽車在行駛過程中，來自路面的激勵(lì)是影響乘員乘坐舒適性的主要因素，平順性主要是根據(jù)乘坐者的舒適性來評(píng)價(jià)，故其又稱為乘坐舒適性。汽車以一定的車速駛過隨機(jī)的路面，路面不平度經(jīng)輪胎、懸架、座墊等彈性、阻尼元件和非懸掛質(zhì)量、懸掛質(zhì)量構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)傳遞到人體，則前后車橋（非懸掛質(zhì)量），車架、車身、貨箱（懸掛質(zhì)量）和人體的振動(dòng)加速度是平順性的評(píng)價(jià)對(duì)象，因此仿真模型中必須包括以下幾個(gè)部分：

2.1、前后車橋、前鋼板彈簧、后主簧、后副簧、前后減振器、車身(包括車架、駕駛室和貨箱)、座椅和人體。
 
在本仿真模型中，考慮了后副簧與車架緩沖塊的相互沖撞作用；前后減振器簡(jiǎn)化為非線性阻尼（DAMPER）；車架與前后車橋通過鋼板彈簧和減振器聯(lián)接起來；座椅簡(jiǎn)化為一彈簧-阻尼力（SPRING-DAMPER），其將人體與車身地板相聯(lián)；人體簡(jiǎn)化為65Kg的質(zhì)量塊。
 
構(gòu)造整車仿真模型的一大難點(diǎn)是如何構(gòu)造前、后鋼板彈簧和后副簧，并且使前、后鋼板彈簧總成的剛度與實(shí)際情況一致。通過對(duì)不同車型的鋼板彈簧仿真計(jì)算，摸索出一套構(gòu)造鋼板彈簧仿真模型的規(guī)律和方法，應(yīng)用該規(guī)律和方法，僅通過建立主片簧的仿真模型，同時(shí)在主片簧的段與段相聯(lián)接的梁（BEAM）單元的截面參數(shù)中考慮了其它片簧的影響，這樣僅用主片簧就可以代替整個(gè)板簧總成，一方面可以大副度地降低整個(gè)仿真模型的自由度，有效地減少計(jì)算量，另一方面還可以使構(gòu)造的鋼板彈簧仿真模型在幾何外形和剛度方面與實(shí)際情況高度一致，確保了整車仿真分析的準(zhǔn)確性。本次分析車型的前、后鋼板彈簧和后副簧的有關(guān)參數(shù)如表1所示。
注：以上板簧的設(shè)計(jì)剛度均通過板簧剛度試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)，板簧前卷耳安裝在銷軸上可轉(zhuǎn)動(dòng)，后卷耳安裝可滑動(dòng)的銷軸上（即板簧后卷耳可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)也可在板簧長(zhǎng)度方向上可移動(dòng)），在騎馬螺栓中心加載。因此上述剛度是板簧總成剛度，不是懸架剛度（由于板簧后吊耳的長(zhǎng)度限制后卷耳的運(yùn)動(dòng)軌跡，板簧總成剛度不等于懸架剛度）。
前懸架仿真模型如圖1所示：
圖1、在建立前懸架模型之前，需要建立單獨(dú)的前鋼板彈簧總成模型（即與板簧總成試驗(yàn)一致，此時(shí)不帶吊耳），進(jìn)行板簧總成剛度校核，通過調(diào)整各段梁（BEAM）單元的相關(guān)參數(shù)，使仿真模型的剛度與試驗(yàn)一致，然后再將前鋼板彈簧總成模型安裝在前懸架中（即前卷耳與板簧前支架軸銷連接-轉(zhuǎn)動(dòng)副，后卷耳與吊耳下軸銷連接-轉(zhuǎn)動(dòng)副）。
 
前板簧總成剛度調(diào)校，前板簧力～變形曲線和剛度曲線的仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示：
圖2、現(xiàn)在Simcenter Motion提供了非線性柔性體梁（Flexible Body-Spline Beam），應(yīng)用上述方法可以較方便地建立板簧動(dòng)力學(xué)模型，基于上述前板簧總成的參數(shù)建立模型如圖3所示。
 
圖3、板簧垂向力-位移曲線及剛度擬合曲線如圖4所示：
圖4、板簧總成剛度校驗(yàn)動(dòng)畫1:
 
板簧總成剛度校驗(yàn)動(dòng)畫2:
板簧總成片間的摩擦體現(xiàn)為板簧的結(jié)構(gòu)阻尼特性，通過修改Beam梁的材料阻尼參數(shù)，擬合板簧總成在一定負(fù)載、一定載荷變化頻率下的阻尼特性。下圖為板簧總成預(yù)載5000N、載荷變化幅值5000N、頻率2Hz時(shí)的力-位移遲滯回線，如圖5所示，可以與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整板簧的阻尼參數(shù)，使仿真的力-位移遲滯回線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。
圖5、后懸架的仿真模型如圖6所示：
圖6、同理方法，先建立后板簧主簧與副簧的單獨(dú)模型，進(jìn)行后板簧主簧與副簧的剛度調(diào)校，然后建立后懸架模型。
后板簧總成剛度調(diào)校，后板簧（主簧+副簧）的力～變形曲線和剛度曲線的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示：
 
圖7、從圖2和圖7所示前后鋼板總成彈簧的力～變形曲線和剛度～變形曲線的仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，仿真計(jì)算的板簧總成剛度值與表1所列的剛度數(shù)值非常接近，這保證了整車仿真模型的前后懸架部分與實(shí)車相一致，為確保整車仿真分析的準(zhǔn)確性打下了基礎(chǔ)。
 
2.2、轉(zhuǎn)向系
 
為了保證模型在某一等級(jí)的路面上直線行駛，轉(zhuǎn)向系是必須具有的，在仿真模型中轉(zhuǎn)向系包括方向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器輸入軸、轉(zhuǎn)向螺母、搖臂軸、搖臂、縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、梯形臂和橫拉桿。在轉(zhuǎn)向器中考慮了轉(zhuǎn)向系的扭轉(zhuǎn)剛度；轉(zhuǎn)向柱通過BUSHING與車身相聯(lián)；轉(zhuǎn)向柱通過萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)副（UNIVERSAL）與轉(zhuǎn)向器輸入軸相聯(lián)；通過COUPLER約束，將轉(zhuǎn)向器輸入軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向螺母沿軸線的位移運(yùn)動(dòng)，又將轉(zhuǎn)向螺母的位移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為搖臂軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；縱拉桿通過球銷運(yùn)動(dòng)副（SPHERICAL）與搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂相聯(lián)；橫拉桿通過球銷運(yùn)動(dòng)副（SPHERICAL）與左右梯形臂相聯(lián)；左右轉(zhuǎn)向節(jié)通過轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副（REVOLUTE，相對(duì)于主銷）與前橋左右端相聯(lián)，此時(shí)考慮了主銷后傾角和內(nèi)傾角。
轉(zhuǎn)向系部分仿真模型如圖8所示：
圖8
 
2.3、動(dòng)力總成、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器和半軸
動(dòng)力總成根據(jù)轉(zhuǎn)速輸出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；傳動(dòng)軸通過前后兩個(gè)萬向節(jié)與動(dòng)力總成和主減速器輸入軸相聯(lián)；通過COUPLER約束，根據(jù)主減速器傳動(dòng)比的大小，將主減速器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與半軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來；半軸通過轉(zhuǎn)動(dòng)約束（REVOLUTE）在后橋殼內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力總成與傳動(dòng)系部分的仿真模型如圖9所示。
圖9
 
2.4、輪胎動(dòng)力學(xué)模型
 
輪胎與路面的接觸問題以及輪胎模型如何簡(jiǎn)化，國內(nèi)外學(xué)者一直在進(jìn)行不斷地探索，現(xiàn)在比較成熟和被人們認(rèn)同的有MF(Delft-TNO)、MF-SWIFT、CD Tire(LMS)、Fiala、Pacejka、UAtire、Ftire等輪胎模型。由于要考慮路面的不平高程對(duì)輪胎的激勵(lì)，這里選擇使用MF-SWIFT輪胎模型。在本仿真模型中考慮了前輪的外傾角和前束。
 
本次分析車型的前后輪胎均為6.00—14LT，輪輞為，斷面寬度170mm，外直徑680mm，輪胎氣壓420KPA，后輪為雙胎。本次分析的工況是滿載，前、后軸載荷分別為1181.7Kg、2448.3Kg，則前輪載荷為，后輪載荷為。該型號(hào)輪胎模型的參數(shù)如表2所示：
 
 
 
2.5、路面
 
構(gòu)造即滿足一定隨機(jī)分布規(guī)律要求又符合輪胎動(dòng)力學(xué)仿真模型要求的路面是建立整車仿真模型的難點(diǎn)，通過對(duì)路面不平度空間功率譜密度、時(shí)間功率譜密度、對(duì)功率譜密度的反變換以及輪胎仿真模型路面文件的深入研究，找出了根據(jù)路面不平度空間功率譜密度和車速來生成滿足輪胎仿真模型所要求的路面文件的方法，二次開發(fā)了相應(yīng)的路面生成程序，應(yīng)用該程序，可以生成任意等級(jí)的路面文件。
通過對(duì)路面大量實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，GB7031“車輛振動(dòng)輸入—路面平度表示方法”的規(guī)定，路面空間位移功率譜密度的擬合表達(dá)式采用以下形式（式(1)）：
式中: 
是路面空間位移功率譜密度，單位；
 
n 空間頻率，單位m-1，0.011m^-1
n0空間參考頻率，n0=0.1m^-1；
Gq(n0)路面不平度系數(shù)，單位；
w頻率指數(shù)，w=2。
在GB7031文件中規(guī)定，按照功率譜密度Gq(n)把路面分為八級(jí)，并規(guī)定了每級(jí)路面下的不平度系數(shù)Gq(n0)的取值范圍和幾何平均值，如表3所示。
汽車的振動(dòng)與車速關(guān)系密切，根據(jù)車速將空間頻域的功率譜密度Gq(n)轉(zhuǎn)換為時(shí)間頻域的功率譜密度Gq(f)，空間頻率與時(shí)間頻率存在以下關(guān)系（式(2)）：
f=n.u
式中f時(shí)間頻率，單位Hz；n 空間頻率，單位m^-1；u車速，單位m/s。
則Gq(f)的表達(dá)式為（式(3)）：
式中是路面時(shí)間位移功率譜密度，單位m^2·s。
因此，在某一車速，根據(jù)某一等級(jí)路面不平度系數(shù)Gq(n0)的取值，可計(jì)算出一定空間頻率范圍內(nèi)的Gq(n)和Gq(f)數(shù)據(jù)曲線，對(duì)Gq(f)進(jìn)行反求，則可計(jì)算出路面不平度的時(shí)間信號(hào)q(t)，將q(t)設(shè)置成路面上下位移的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)。
這里分兩種模擬情況考慮：
1．車輛靜置不前進(jìn)，激勵(lì)各車輪下的路面，此時(shí)路面可定義為一小平面，小平面可上下移動(dòng)，移動(dòng)激勵(lì)即為q(t)，即相當(dāng)于整車四激柱臺(tái)架試驗(yàn)，此時(shí)的q(t)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化路面的高程位移，也可以是基于實(shí)車道路試驗(yàn)（試驗(yàn)場(chǎng)路面或?qū)嶋H運(yùn)行路面）測(cè)試數(shù)據(jù)（六分力儀載荷數(shù)據(jù)與相它相關(guān)數(shù)據(jù)）的反求迭代求得的路面高程位移激勵(lì)。此時(shí)有4個(gè)不同的q(t)分別激勵(lì)各車輪下的路面，各q(t)具有一定的關(guān)系，前后車輪下的路面q(t)相差一個(gè)時(shí)間延遲（L/u,L為軸距，單位m），左右車輪下的路面q(t)具有一定的相關(guān)系數(shù)。流程如圖10所示。
圖10
 
2. 直接基于路面空間功率譜Gq(n)，對(duì)Gq(n)進(jìn)行反求，則可計(jì)算出路面不平度的空間信號(hào)q(L),單位m，q(L)即為路面在長(zhǎng)度方向（車輛前進(jìn)方向）的空間高程。將q(L)輸入二次開發(fā)的路面生成程序則可以生成這種等級(jí)下的路面文件。路面文件生成的流程如圖11所示。
圖11
本次分析的是汽車在B級(jí)中國標(biāo)準(zhǔn)路面上行駛，由路面生成程序產(chǎn)生的部分路面如圖12所示。
圖12
其它種類路面，比如D級(jí)路面如下圖所示。
數(shù)字化的路面與高精度輪胎動(dòng)力學(xué)模型，是汽車動(dòng)力學(xué)（操穩(wěn)與平順性）仿真的基礎(chǔ)，西門子TNO具有完整的輪胎動(dòng)力學(xué)測(cè)試設(shè)備與輪胎模型擬合工具（MF Tool），為車輛動(dòng)力學(xué)仿真提供有力的支持。同時(shí)Simcenter Test的模態(tài)測(cè)試，可用于高頻路面激勵(lì)的FTire輪胎模型擬合，這些為建立高精度的整車車輛動(dòng)力學(xué)模型打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
下例為輪胎在比利時(shí)路面上行走時(shí)的載荷計(jì)算：
 
輪胎在D級(jí)路面上行走時(shí)的載荷計(jì)算：
 
2.6
整車仿真模型
隱藏駕駛室、貨箱和路面后的整車仿真模型如圖13所示，隱藏路面后的整車仿真模型如圖14所示。
圖13
圖14
【未完待續(xù)】，后續(xù)參見：隨機(jī)路面輸入的汽車平順性仿真分析(二)
 
 
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