CN101770533A - 车辆-地面相互作用动力学仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆-地面相互作用的动力学仿真系统，可在一台安装MATLAB软件的计算机上有效预测车辆行驶过程中驾乘人员的舒适性，属于车辆平顺性的技术领域。本发明首先确定了合适的车辆工作环境及理论模型，同时确定了路面谱的生成方式及生成类型，然后建立了用户图形界面，实现参数输入及结果输出功能。本发明在任何一台安装了MATLAB6.5以上版本的计算机上进行仿真，无需任何其他设置。同时，本发明可以在车辆研发阶段发挥重要作用，能够指导新车开发及已有车型的改进，缩短车辆的开发周期，为企业创造价值。

Description

车辆-地面相互作用动力学仿真系统

技术领域

本发明涉及一种车辆-地面相互作用的动力学仿真系统，可在一台安装MATLAB软件的计算机上有效预测车辆行驶过程中驾乘人员的舒适性，属于车辆平顺性的技术领域。

背景技术

随着技术的不断进步和生活水平的提高，人们对车辆性能的要求也越来越高。一款性能优越的汽车，不仅强调动力性和安全性，同时还强调舒适性。保证车辆性能的同时提高驾乘人员的舒适性，是车辆研发过程中的一项重要工作。

目前较流行的车辆平顺性研究工具是多体动力学分析软件ADAMS和车辆动力学软件VEDYNA。但应用上述软件时，建模周期长，针对不同车型需专门建模，可移植性差，另外ADAMS和VEDYNA为商业软件，售价昂贵，应用成本高，不利于车辆研发中的大量推广应用。就集中质量模型的汽车行驶平顺性分析软件而言，国内也做了大量研究工作：东风汽车公司汪红心用BASIC语言和FORTURAN77设计了4、7、9、15个自由度的线性振动方程的求解软件。吉林大学高小丽基于VC建立了双轴汽车平顺性平面分析模型库，并用已有的实车试验结果对软件的运行可靠性进行了测试。吉林大学陈宪忠建立了轿车平顺性计算的4种振动模型，并用VC语言开发、编写了时间域内轿车行驶平顺性仿真软件，可实现线性振动分析。辽宁工学院的陈学文用VB6.0开发了针对SY6480系列客车的振动模拟分析软件，能完成大客车的平顺性评价与优化。北京理工大学尹文杰利用Matlab运算内核结合VB语言编写了悬架运动分析和优化软件，实现了对2、4、7自由度线性悬架系统的动力学分析。广西大学李志春用MATLAB语言开发了钢板弹簧悬架优尼柯车振动模拟计算程序，但未开发出适合多参数输入的应用界面。辽宁工学院王岩松采用分步线性化方法和VC语言编写了双轴汽车整车8自由度平顺性分析、预测和参数优化软件AVAS，软件可以进行整车振动模拟、路面模拟、人体振动模拟，但其中的分析评价和参数优化模块尚待进一步充实和完善。江苏大学的谢俊开发了双轴汽车5自由度平面动力学模型非线性悬架系统数值模拟和性能评价软件，可以进行双轴车辆平顺性计算和优化。

综上所述，尽管国内外已开发出多种汽车行驶平顺性分析软件，但仍存在下列不足：首先轮胎和土壤模型的类型较少，无法满足多种情况下的仿真需要；其次，没有建立用户图形界面，实际应用时操作繁琐；最后，数据输出繁琐，仿真结果直观性差。

发明内容

本发明的目的是提出一种车辆行驶平顺性的仿真分析系统，实现简洁，通用性强，能够很好的仿真车辆的与地面的相互作用过程，提供评价车辆舒适性的有效数据，为车辆的设计和改进工作提供了有效的仿真工具。

为达到期望的技术要求，本发明首先确定了合适的车辆工作环境及理论模型，同时确定了路面谱的生成方式及生成类型，然后建立了用户图形界面，实现参数输入及结果输出功能。

本发明所述的车辆-地面相互作用的动力学仿真系统包括以下具体步骤：

第1步，确定所仿真车辆的性能参数，依据车辆所用的轮胎类型及车辆工作的工作环境，建立多种轮胎与地面相互作用的理论模型。模型包括刚性轮胎的车辆模型和弹性轮胎的车辆模型，前者是地面刚度远大于轮胎刚度时使用，后者是地面和轮胎同时参与变形时使用。

第2步，建立用户图形界面，针对不同的轮胎和路面特性，选择合适的理论模型。用户图形界面的功能包括功能选择按钮、参数输入窗口以及输出显示窗口等。

第3步，对仿真所需参数进行初始化，参数包括车辆座椅系统、悬架系统及轮胎的尺寸、力学特性等信息。本发明提供了一组默认的车辆参数(工程车辆)，用户可根据实际需要进行修改。

第4步，利用正弦叠加法生成随机路面谱，生成8种等级的路面谱，包括ISO-A、ISO-B、ISO-C、ISO-D、ISO-E、ISO-F、ISO-G、ISO-H级路面。

第5步，仿真车辆在选定路面上的运动，获得一定时间历程内座椅和车体的位移、速度和加速度值，通过对以上信息进行函数运算和处理，可以得到评价车辆平顺性的各项指标。

本发明在任何一台安装了MATLAB7.0以上版本的计算机上进行仿真，无需任何其他设置。同时，本发明可以在车辆研发阶段发挥重要作用，能够指导新车开发及已有车型的改进，缩短车辆的开发周期，为企业创造价值。

附图说明

图1是刚性轮胎的车辆模型。

图2是弹性轮胎的车辆模型。

图3是车辆-地面相互作用动力学仿真系统的主界面。

图4是参数输入窗口。

图5是路面的生成窗口。

图6是求解显示选择界面。

图7是后处理选择界面。

图8是输出结果界面。

具体实施方式

下面将参照附图并结合一个具体仿真案例进行详细说明，以便对本发明的目的、技术方案有更深入的理解。

具体实施步骤说明如下：

第1步，确定所仿真车辆的性能参数，依据车辆所用的轮胎类型及车辆工作的工作环境，建立多种轮胎与地面相互作用的理论模型。模型包括刚性轮胎的车辆模型和弹性轮胎的车辆模型，前者是地面刚度远大于轮胎刚度时使用，后者是地面和轮胎同时参与变形时使用。

刚性轮胎的车辆模型(滚子模型)：当车辆在地面上行驶时，刚性轮与变形地面相互作用的几何关系如图1所示。

弹性轮胎的车辆模型(bekker模型)：地面接触反力由轮胎接触面直线段上的地面反力和圆弧段上的地面反力两部分组成，如图2所示。

图中：z₁，z₂，z₃，z_g，分别为簧上质量质心位移，簧下质量质心位移，轮胎底部位移以及路面不平度；m₁，m₂分别为簧上质量与簧下质量；k，k_t，c，c_t分别为悬架和轮胎的刚度与阻尼。

车辆模型的系统动力学方程为：

$M_1{\stackrel{\·\·}{Z}}_1+C({\stackrel{\·}{Z}}_1-{\stackrel{\·}{Z}}_2)+K(Z_1-Z_2)=0$

$M_2{\stackrel{\·\·}{Z}}_2+C({\stackrel{\·}{Z}}_2-{\stackrel{\·}{Z}}_1)+K(Z_2-Z_1)+K_t(Z_2-Z_3)+C_t({\stackrel{\·}{Z}}_2-{\stackrel{\·}{Z}}_3)=0$

$K_t(Z_3-Z_2)+C_t({\stackrel{\·}{Z}}_3-{\stackrel{\·}{Z}}_2)+(M_1+M_2)g-F=0$

其中F为路面对轮胎的垂向激励。

路面对轮胎的垂向激励F是由地面承压力竖直分量F_σy以及剪切力的竖直分量F_τy相加组成的。

F＝F_σy+F_τy

$F_{\mathrm{\σy}}={\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_c}\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θBrd\θ}={\∫}_0^l\mathrm{\σBdx}$

$F_{\mathrm{\τy}}={\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_c}\mathrm{\τ}\sin \mathrm{\θBrd\θ}={\∫}_0^l\mathrm{\τ}B\tan \mathrm{\θdx}$

结合BEKKER公式，可以获得F的值。

第2步，建立用户图形界面，针对不同的轮胎和路面特性，选择合适的理论模型。用户图形界面的功能包括功能选择按钮、参数输入窗口以及输出显示窗口等。

如图3所示，为仿真系统的主界面。在主界面中，包括主界面开启、参数输入、生成路面、求解、结果显示、后处理、输出、Bekker模型、1/4车模型和主界面显示等10个可用的功能模块，其他模块暂时未开发其功能。

第3步，对仿真所需参数进行初始化，参数包括车辆座椅系统、悬架系统及轮胎的尺寸、力学特性等信息。本发明提供了一组默认的车辆参数(工程车辆)，用户可根据实际需要进行修改。

在主界面选择“参数输入”按钮后，输入窗口如图4所示。其中给出了默认参数，用户可根据需要输入需要改变的参数，减轻输入的繁琐。在这一窗口中，可以对仿真参数、路面参数、车辆参数和土壤参数进行设置，通过不同参数的选取，得出不同的仿真结果进行比较分析。

第4步，利用正弦叠加法生成随机路面谱，生成8种等级的路面谱，包括ISO-A、ISO-B、ISO-C、ISO-D、ISO-E、ISO-F、ISO-G、ISO-H级路面，如图5所示。

第5步，仿真车辆在选定路面上的运动，获得一定时间历程内座椅和车体的位移、速度和加速度值，通过对以上信息进行函数运算和处理，可以得到评价车辆平顺性的各项指标。

图6所示的界面是选择了结果显示按钮后弹出的求解显示选项，包括了各质量位移、速度、加速度，轮胎垂向力，原始和有效路面不平度。选择需要的选项可以显示出其曲线图，根据用户需要得到的数据进行有选择的显示。同时，用户也可以在得到数据后，重新选取模型参数进行运算，从而对不同参数条件下的仿真结果进行比较。图7中的界面是选择了后处理按钮之后的弹出窗口，给出了平顺性的评价指标和频响曲线，作为评价车辆平顺性的参考数据。图8所示界面是在选取了输出按钮后的弹出对话框，可以将运算得到的数据以文本方式保存到指定的目录下，为以后的研究提供数据。

Claims (1)

1.一种用于预测车辆-地面相互作用的动力学仿真系统，利用科学计算软件MATLAB建立车辆与地面相互作用的仿真模型及其可视化界面，并进行求解，其基本特征是，包括以下步骤：

(1)确定所仿真车辆的性能参数，依据车辆所用的轮胎类型及车辆工作的工作环境，建立多种轮胎与地面相互作用的理论模型。

(2)建立用户图形界面，针对不同的轮胎和路面特性，选择合适的理论模型。

(3)对仿真所需参数进行初始化，参数包括车辆座椅系统、悬架系统及轮胎的尺寸、力学特性等信息。

(4)利用正弦叠加法生成随机路面谱，生成多种等级的路面谱。

(5)仿真车辆在选定路面上的运动，获得一定时间历程内座椅和车体的位移、速度和加速度值。

Images