輪式車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 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(shù),可對車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,達(dá)到縮短試驗(yàn)檢測周期的目的。

王軍蘭小平萬曉峰來源:LMS
關(guān)鍵字:CAE LMS Virtual.Lab/Motion

車輛是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),外界載荷的作用更加復(fù)雜多變,“人—車—路”三位一體的相互作用使車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立、分析、求解始終是一個(gè)難題. 隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬樣機(jī)技術(shù)隨之產(chǎn)生,目前已在國內(nèi)外產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用,它不僅大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間,還節(jié)省了高昂的制作大型物理模型的費(fèi)用,避免了試制過程中的大量風(fēng)險(xiǎn).Virtual.Lab 是虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析應(yīng)用中的杰出代表,它以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ),為車輛的動(dòng)力學(xué)分析提供了強(qiáng)有力的工具.
1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其在汽車動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用
1.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡介
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),是研究多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科.這種多體系統(tǒng)一般由若干個(gè)柔性和剛性物體相互連接所組成,其結(jié)構(gòu)和連接方式多種多樣,因而動(dòng)力學(xué)方程式一般都是高階非線性方程,特別是多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力學(xué)方程是強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性方程,這種方程目前只能通過計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法進(jìn)行求解.隨著多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,目前應(yīng)用于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法主要有以下幾種: 牛頓—?dú)W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(yīng)用于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法可以分為三類:第一類為牛頓—?dú)W拉(Newton - Euler) 向量力學(xué)法,第二類為拉格朗日(Lagrange) 方程為代表的分析力學(xué)法,第三類為基于高斯原理等具有極小值性質(zhì)的極值原理法.
1.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在輪式車輛動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用
由于輪式車輛的工作情況、使用環(huán)境的復(fù)雜多變,其動(dòng)力學(xué)研究中的建模、分析和求解一直困擾著研發(fā)人員.多體動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展,為輪式車輛動(dòng)力學(xué)的研究提供了一個(gè)方便快捷的手段. 由此,輪式車輛動(dòng)力學(xué)研究的力學(xué)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(shù)十個(gè)自由度,甚至到數(shù)百上千個(gè)自由度.模擬計(jì)算也由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性的計(jì)算發(fā)展到瞬態(tài)響應(yīng)特性和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)特性的計(jì)算.Virtual.Lab/Motion為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件,并與有限元分析、模態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等軟件一起形成了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)中發(fā)揮了重要的作用.應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論解決實(shí)際問題時(shí),一般有以下幾個(gè)步驟: ①實(shí)際系統(tǒng)的多體模型簡化; ②自動(dòng)生成動(dòng)力學(xué)方程; ③準(zhǔn)確地求解動(dòng)力學(xué)方程.總之,多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法求解輪式車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題是一種高效率、高精度的分析方法,然而在解決實(shí)際問題時(shí)如果處理不當(dāng),將使工作量大大增加,得不到滿意的結(jié)果,應(yīng)用中要根據(jù)具體情況和所研究的問題性質(zhì)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(jù)車輛結(jié)構(gòu),在Virtual.Lab/Motion軟件中建立了整車動(dòng)力學(xué)仿真模型,模型中包括了車體模型、懸架模型、轉(zhuǎn)向模型、輪胎模型等。在整個(gè)建模過程中,忽略動(dòng)力裝置和動(dòng)力傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)及其振動(dòng)對整車平順性的影響。
2.1 前、后懸架動(dòng)力學(xué)模型
前懸架系統(tǒng)為雙橫臂式獨(dú)立懸架,包含上、下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿、減振器、彈簧等部件。后懸架為單縱臂獨(dú)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(yīng)的彈簧、阻尼器等力元連接。懸掛的剛度、阻尼、預(yù)載、按計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入。
2.2 車體動(dòng)力學(xué)模型
車體動(dòng)力學(xué)模型包括整車簧載質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等模型質(zhì)量參數(shù),及各子系統(tǒng)與車身的連接信息。簧載質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置按計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入。
3.3 整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立
將上述各系統(tǒng)以及簡化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、橫向穩(wěn)定桿按照車輛的定位和約束關(guān)系組裝成整車。如圖所示。

輪式車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析機(jī)械設(shè)計(jì)培訓(xùn)圖片1
圖1 整車動(dòng)力學(xué)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(shù),即可對已建立的車輛動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性、瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性、加速性能、側(cè)傾橫擺運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力傳輸、直線制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)等過程進(jìn)行仿真分析.在整車開環(huán)模型基礎(chǔ)上加入駕駛員神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(或PID 模型) 建立整車閉環(huán)多體模型,即可進(jìn)行單移線、雙移線等典型行駛工況性能仿真,應(yīng)用參數(shù)化分析方法分析影響上述動(dòng)力學(xué)性能的主要參數(shù). 參照國家標(biāo)準(zhǔn)制定的性能評價(jià)指標(biāo),選擇合理的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),以相應(yīng)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)的最大、最小值作為約束函數(shù).對于關(guān)鍵零部件,使用Virtual.Lab/Motion 對其在動(dòng)態(tài)載荷作用下的強(qiáng)度特性進(jìn)行求解, 確定輸入有限元分析軟件的載荷邊界條件,為進(jìn)一步分析優(yōu)化零部件性能奠定基礎(chǔ).
本文對射擊穩(wěn)定性在虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件Virtual.Lab中建立模型。最后得出幾個(gè)角度停車射擊的仿真動(dòng)畫。得出的結(jié)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(jìn)行仿真得到仿真曲線,圖2是其中的算例。

輪式車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析+培訓(xùn)案例圖片圖片2
T (s)
圖2振動(dòng)加速度曲線

3 結(jié) 語
Virtual.Lab/Motion軟件是優(yōu)秀的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件,其求解器功能強(qiáng)大,尤其適合象輪式車輛這樣的多體系統(tǒng).虛擬樣機(jī)在工程領(lǐng)域的的使用將會(huì)越來越得到重視,建立“虛擬車輛”和“虛擬試驗(yàn)室”,是車輛CAE 工程的任務(wù)和必然趨勢.

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