輪式車輛動力學仿真分析

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-br5w05v.cn 來源:仿真在線

介紹了Virtual.Lab/Motion軟件的車輛建模和分析過程。仿真表明,利用Virtual.Lab/Motion 軟件技術,可對車輛進行動力學仿真,達到縮短試驗檢測周期的目的。

王軍蘭小平萬曉峰來源:LMS
關鍵字:CAE LMS Virtual.Lab/Motion

車輛是一個復雜的多體系統(tǒng),外界載荷的作用更加復雜多變,“人—車—路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題. 隨著數字技術的快速發(fā)展,虛擬樣機技術隨之產生,目前已在國內外產品開發(fā)中得到廣泛的應用,它不僅大大縮短了產品開發(fā)時間,還節(jié)省了高昂的制作大型物理模型的費用,避免了試制過程中的大量風險.Virtual.Lab 是虛擬樣機技術在機械系統(tǒng)動力學仿真分析應用中的杰出代表,它以多體系統(tǒng)動力學理論為基礎,為車輛的動力學分析提供了強有力的工具.
1 多體系統(tǒng)動力學及其在汽車動力學分析中的應用
1.1 多體系統(tǒng)動力學簡介
多體系統(tǒng)動力學,包括多剛體系統(tǒng)動力學和多柔體系統(tǒng)動力學,是研究多體系統(tǒng)運動規(guī)律的學科.這種多體系統(tǒng)一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成,其結構和連接方式多種多樣,因而動力學方程式一般都是高階非線性方程,特別是多柔體系統(tǒng)動力學的動力學方程是強耦合、強非線性方程,這種方程目前只能通過計算機用數值方法進行求解.隨著多體動力學的發(fā)展,目前應用于多剛體系統(tǒng)動力學的方法主要有以下幾種: 牛頓—歐拉法(Newton - Euler)、拉格朗日方程法、圖論(R - W) 法、凱恩方法、變分方法、旋量方法等. 應用于多柔體系統(tǒng)動力學的方法可以分為三類:第一類為牛頓—歐拉(Newton - Euler) 向量力學法,第二類為拉格朗日(Lagrange) 方程為代表的分析力學法,第三類為基于高斯原理等具有極小值性質的極值原理法.
1.2 多體系統(tǒng)動力學在輪式車輛動力學分析中的應用
由于輪式車輛的工作情況、使用環(huán)境的復雜多變,其動力學研究中的建模、分析和求解一直困擾著研發(fā)人員.多體動力學的迅速發(fā)展,為輪式車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段. 由此,輪式車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發(fā)展到非線性系統(tǒng)模型;模型的自由度由二自由度發(fā)展到數十個自由度,甚至到數百上千個自由度.模擬計算也由穩(wěn)態(tài)響應特性的計算發(fā)展到瞬態(tài)響應特性和轉彎制動特性的計算.Virtual.Lab/Motion為多體系統(tǒng)動力學分析軟件,并與有限元分析、模態(tài)分析、優(yōu)化設計等軟件一起形成了一個虛擬實驗室系統(tǒng),在車輛設計開發(fā)中發(fā)揮了重要的作用.應用多體系統(tǒng)動力學理論解決實際問題時,一般有以下幾個步驟: ①實際系統(tǒng)的多體模型簡化; ②自動生成動力學方程; ③準確地求解動力學方程.總之,多體系統(tǒng)動力學方法求解輪式車輛系統(tǒng)動力學問題是一種高效率、高精度的分析方法,然而在解決實際問題時如果處理不當,將使工作量大大增加,得不到滿意的結果,應用中要根據具體情況和所研究的問題性質選擇最有效的分析方法.
2 整車多體系統(tǒng)仿真模型建立與分析
根據車輛結構,在Virtual.Lab/Motion軟件中建立了整車動力學仿真模型,模型中包括了車體模型、懸架模型、轉向模型、輪胎模型等。在整個建模過程中,忽略動力裝置和動力傳動裝置的結構及其振動對整車平順性的影響。
2.1 前、后懸架動力學模型
前懸架系統(tǒng)為雙橫臂式獨立懸架,包含上、下橫臂、轉向節(jié)、轉向拉桿、減振器、彈簧等部件。后懸架為單縱臂獨立懸架,包含單縱臂、減振器、彈簧等部件,模型中考慮了所有約束以及相應的彈簧、阻尼器等力元連接。懸掛的剛度、阻尼、預載、按計算數據和試驗數據輸入。
2.2 車體動力學模型
車體動力學模型包括整車簧載質量、轉動慣量、質心位置等模型質量參數,及各子系統(tǒng)與車身的連接信息?；奢d質量、轉動慣量、質心位置按計算數據和試驗數據輸入。
3.3 整車多體系統(tǒng)動力學模型的建立
將上述各系統(tǒng)以及簡化的轉向系統(tǒng)、橫向穩(wěn)定桿按照車輛的定位和約束關系組裝成整車。如圖所示。

輪式車輛動力學仿真分析機械設計培訓圖片1
圖1 整車動力學模型

2.4 模型的仿真分析
利用Virtual.Lab/Motion模塊,給定已知自由度的輸入函數,即可對已建立的車輛動態(tài)模型進行穩(wěn)態(tài)轉向特性、瞬態(tài)轉向特性、加速性能、側傾橫擺運動、動力傳輸、直線制動、轉彎制動等過程進行仿真分析.在整車開環(huán)模型基礎上加入駕駛員神經網絡模型(或PID 模型) 建立整車閉環(huán)多體模型,即可進行單移線、雙移線等典型行駛工況性能仿真,應用參數化分析方法分析影響上述動力學性能的主要參數. 參照國家標準制定的性能評價指標,選擇合理的優(yōu)化目標函數,以相應參數可實現(xiàn)的最大、最小值作為約束函數.對于關鍵零部件,使用Virtual.Lab/Motion 對其在動態(tài)載荷作用下的強度特性進行求解, 確定輸入有限元分析軟件的載荷邊界條件,為進一步分析優(yōu)化零部件性能奠定基礎.
本文對射擊穩(wěn)定性在虛擬實驗室軟件Virtual.Lab中建立模型。最后得出幾個角度停車射擊的仿真動畫。得出的結論是本車在現(xiàn)有射擊力下,射擊穩(wěn)定性充分滿足要求。
對車輛在典型障礙下的平順性能進行仿真得到仿真曲線,圖2是其中的算例。

輪式車輛動力學仿真分析+培訓案例圖片圖片2
T (s)
圖2振動加速度曲線