轮式车辆动力学仿真分析

2013-06-06  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

介绍了Virtual.Lab/Motion软件的车辆建模和分析过程。仿真表明,利用Virtual.Lab/Motion 软件技术,可对车辆进行动力学仿真,达到缩短试验检测周期的目的。

王军 兰小平 万晓峰 来源:LMS
关键字:CAE LMS Virtual.Lab/Motion

车辆是一个复杂的多体系统,外界载荷的作用更加复杂多变,“人—车—路”三位一体的相互作用使车辆动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题. 随着数字技术的快速发展,虚拟样机技术随之产生,目前已在国内外产品开发中得到广泛的应用,它不仅大大缩短了产品开发时间,还节省了高昂的制作大型物理模型的费用,避免了试制过程中的大量风险.Virtual.Lab 是虚拟样机技术在机械系统动力学仿真分析应用中的杰出代表,它以多体系统动力学理论为基础,为车辆的动力学分析提供了强有力的工具.
1 多体系统动力学及其在汽车动力学分析中的应用
1.1 多体系统动力学简介
多体系统动力学,包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学,是研究多体系统运动规律的学科.这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成,其结构和连接方式多种多样,因而动力学方程式一般都是高阶非线性方程,特别是多柔体系统动力学的动力学方程是强耦合、强非线性方程,这种方程目前只能通过计算机用数值方法进行求解.随着多体动力学的发展,目前应用于多刚体系统动力学的方法主要有以下几种: 牛顿—欧拉法(Newton - Euler)、拉格朗日方程法、图论(R - W) 法、凯恩方法、变分方法、旋量方法等. 应用于多柔体系统动力学的方法可以分为三类:第一类为牛顿—欧拉(Newton - Euler) 向量力学法,第二类为拉格朗日(Lagrange) 方程为代表的分析力学法,第三类为基于高斯原理等具有极小值性质的极值原理法.
1.2 多体系统动力学在轮式车辆动力学分析中的应用
由于轮式车辆的工作情况、使用环境的复杂多变,其动力学研究中的建模、分析和求解一直困扰着研发人员.多体动力学的迅速发展,为轮式车辆动力学的研究提供了一个方便快捷的手段. 由此,轮式车辆动力学研究的力学模型逐渐由线性模型发展到非线性系统模型;模型的自由度由二自由度发展到数十个自由度,甚至到数百上千个自由度.模拟计算也由稳态响应特性的计算发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的计算.Virtual.Lab/Motion为多体系统动力学分析软件,并与有限元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了一个虚拟实验室系统,在车辆设计开发中发挥了重要的作用.应用多体系统动力学理论解决实际问题时,一般有以下几个步骤: ①实际系统的多体模型简化; ②自动生成动力学方程; ③准确地求解动力学方程.总之,多体系统动力学方法求解轮式车辆系统动力学问题是一种高效率、高精度的分析方法,然而在解决实际问题时如果处理不当,将使工作量大大增加,得不到满意的结果,应用中要根据具体情况和所研究的问题性质选择最有效的分析方法.
2 整车多体系统仿真模型建立与分析
根据车辆结构,在Virtual.Lab/Motion软件中建立了整车动力学仿真模型,模型中包括了车体模型、悬架模型、转向模型、轮胎模型等。在整个建模过程中,忽略动力装置和动力传动装置的结构及其振动对整车平顺性的影响。
2.1 前、后悬架动力学模型
前悬架系统为双横臂式独立悬架,包含上、下横臂、转向节、转向拉杆、减振器、弹簧等部件。后悬架为单纵臂独立悬架,包含单纵臂、减振器、弹簧等部件,模型中考虑了所有约束以及相应的弹簧、阻尼器等力元连接。悬挂的刚度、阻尼、预载、按计算数据和试验数据输入。
2.2 车体动力学模型
车体动力学模型包括整车簧载质量、转动惯量、质心位置等模型质量参数,及各子系统与车身的连接信息。簧载质量、转动惯量、质心位置按计算数据和试验数据输入。
3.3 整车多体系统动力学模型的建立
将上述各系统以及简化的转向系统、横向稳定杆按照车辆的定位和约束关系组装成整车。如图所示。

轮式车辆动力学仿真分析机械设计培训图片1
图1 整车动力学模型


2.4 模型的仿真分析
利用Virtual.Lab/Motion模块,给定已知自由度的输入函数,即可对已建立的车辆动态模型进行稳态转向特性、瞬态转向特性、加速性能、侧倾横摆运动、动力传输、直线制动、转弯制动等过程进行仿真分析.在整车开环模型基础上加入驾驶员神经网络模型(或PID 模型) 建立整车闭环多体模型,即可进行单移线、双移线等典型行驶工况性能仿真,应用参数化分析方法分析影响上述动力学性能的主要参数. 参照国家标准制定的性能评价指标,选择合理的优化目标函数,以相应参数可实现的最大、最小值作为约束函数.对于关键零部件,使用Virtual.Lab/Motion 对其在动态载荷作用下的强度特性进行求解, 确定输入有限元分析软件的载荷边界条件,为进一步分析优化零部件性能奠定基础.
本文对射击稳定性在虚拟实验室软件Virtual.Lab中建立模型。最后得出几个角度停车射击的仿真动画。得出的结论是本车在现有射击力下,射击稳定性充分满足要求。
对车辆在典型障碍下的平顺性能进行仿真得到仿真曲线,图2是其中的算例。

轮式车辆动力学仿真分析+培训案例图片图片2
T (s)
图2振动加速度曲线


3 结 语
Virtual.Lab/Motion软件是优秀的多体动力学分析软件,其求解器功能强大,尤其适合象轮式车辆这样的多体系统.虚拟样机在工程领域的的使用将会越来越得到重视,建立“虚拟车辆”和“虚拟试验室”,是车辆CAE 工程的任务和必然趋势.


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