CN102799728A - 板簧动力学仿真模型的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板簧动力学仿真模型的制作方法，包括：1）设计板簧的尺寸参数、材料参数和刚度特性曲线A；2）建立板簧三维模型，获得中性面；3）根据中性面建立等效模型，获得等效模型的多个参数；等效模型为单片变截面结构体；4）绘制等效模型的刚度特性曲线B；5）将B曲线和A曲线进行比对，若B曲线与A曲线不一致或未达到设定的一致度，则进入步骤6）；若B曲线与A曲线一致或达到设定的一致度，则进入步骤7）；6）对等效模型的参数进行修正，返回步骤4）；）对等效模型施加预载参数，得到板簧动力学仿真模型。本发明的有益技术效果：设计方法灵活，设计参数易于变更，仿真精度高，整车开发时间短，整车开发成本低。

Description

板簧动力学仿真模型的制作方法

技术领域

本发明属于汽车仿真技术领域，尤其涉及一种板簧动力学仿真模型的制作方法。

背景技术

随着技术的进步，整车设计行业中大量运用现代化的仿真软件来模拟整车的实际运行状态，通过对模拟结果的分析，来改进车辆的设计参数，最终将合理的设计参数应用于整车制造中。

车辆本身是由多种装置和结构组成的，对于整车的仿真模拟也需要为不同的受力部件分别建立对应的子模型，板簧动力学仿真模型即是用于对车辆上的钢板弹簧进行仿真的一种子模型；钢板弹簧的模拟和调试是悬架系统乃至整车系统动力学分析中的难点和关键点，直接影响车辆悬架和整车的各项性能及其分析精度，在业界也一直是个比较复杂的问题。

现有技术中，一般采用CATIA软件来建立钢板弹簧在负载状态下的多片三维模型，将得到的多片三维模型用于整车仿真环节中模拟钢板弹簧的受力特性；其中存在的问题是：在设计之初，设计人员会预先设计出板簧的尺寸参数、材料参数，通过尺寸参数和材料参数建立三维模型，由于钢板弹簧的受力十分复杂（钢板弹簧除了受外部作用力影响外，各片钢板弹簧之间还存在相互作用力，如摩擦力），设计人员无法验证三维模型是否能真实的再现出设计的尺寸参数和材料参数对钢板弹簧的影响。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种板簧动力学仿真模型的制作方法，该方法步骤为：

1）设计板簧的尺寸参数、材料参数和刚度特性曲线，此刚度特性曲线记为A曲线；

2）根据尺寸参数和材料参数，建立自由状态下的板簧三维模型，采用中性面法对板簧三维模型进行处理，获得中性面；

    3）根据中性面，建立板簧三维模型的等效模型，并同步获得等效模型的多个参数；该等效模型将板簧三维模型中多片板簧组成的结构体等效为一整体结构的变截面结构体；

    4）绘制等效模型的刚度特性曲线，该刚度特性曲线记为B曲线；

5）将B曲线和A曲线进行比对，若B曲线与A曲线不一致或未达到设定的一致度，则进入步骤6）；若B曲线与A曲线一致或达到设定的一致度，则进入步骤7）；

6）对等效模型的参数进行修正，返回步骤4）；

7）对等效模型施加预载参数，得到板簧动力学仿真模型。

更进一步地，步骤2）的操作采用CATIA软件实现；步骤3）、4）、6）、7）的操作采用ADAMS软件实现。

更进一步地，步骤3）中，等效模型的多个参数包括：抗扭常数Ixx、截面惯性矩Iyy、截面惯性矩Izz、截面面积、Y向剪切面积比、Z向剪切面积比、杨氏模量、剪切模量和阻尼比。

更进一步地，步骤6）中，对等效模型进行修正的参数包括Y向剪切面积比、Z向剪切面积比、杨氏模量、剪切模量和阻尼比；对等效模型的参数进行修正之前，计算各个参数的灵敏度，优先对灵敏度最大的参数进行修正；采用ADAMS软件CAR模块下的VIEW界面中的DESIGN OF EXPERIMENTS命令计算各个参数的灵敏度。

更进一步地，等效模型为：将板簧三维模型中多片板簧组成的结构体，离散为多段离散梁，为每段离散梁创建NONLINEAR BEAM，相邻两段离散梁之间采用固定约束连接，这种由多段离散梁连接在一起形成的整体结构体，即为等效模型。

本发明的有益技术效果：可对板簧仿真模型对设计参数的仿真精度进行验证，真实地模拟出设计参数条件下的钢板弹簧的力学特性，提高板簧的设计效率和质量。

附图说明

图1、板簧三维模型示意图；

图2、离散梁分段示意图；

图3、等效模型示意图；

图4、ADAMS软件中调整等效模型参数的界面截图；

图5、对等效模型施加预载参数后获得的板簧动力学仿真模型示意图。

 

具体实施方式

背景技术中述及了“钢板弹簧除了受外部作用力影响外，各片钢板弹簧之间还存在相互作用力”，这恰恰是造成现有的板簧三维模型不能真实的反映设计参数的力学特性的重要原因，而各片钢板弹簧之间的相互作用力十分复杂，几乎不可能对其进行分析，因此，无法对板簧三维模型的仿真精度进行验证；刚度特性曲线是用来表征力学特性的重要指标，发明人通过大量实验验证发现，只要使模型的刚度特性曲线与设计参数对应的刚度特性曲线保持一致，模型就能真实的反应设计参数的力学特性，基于此，发明人提出了如下的方案：

1）设计板簧的尺寸参数、材料参数和刚度特性曲线，此刚度特性曲线记为A曲线；

2）根据尺寸参数和材料参数，建立自由状态下的板簧三维模型（这种模型表现出的是多片板簧重叠在一起形成的结构），采用中性面法对板簧三维模型进行处理，获得中性面；

    3）根据中性面，建立板簧三维模型的等效模型，并同步获得等效模型的多个参数；该等效模型将板簧三维模型中多片板簧组成的结构体等效为一整体结构的变截面结构体；

    4）绘制等效模型的刚度特性曲线（具体操作是对等效模型施加连续位移驱动，根据连续位移驱动绘制刚度特性曲线；ADAMS软件的后处理界面中为操作者提供了该项功能），该刚度特性曲线记为B曲线；

5）将B曲线和A曲线进行比对（可通过技术人员肉眼观察比对），若B曲线与A曲线不一致或未达到设定的一致度，则进入步骤6）；若B曲线与A曲线一致或达到设定的一致度（实际工程中，很难使其达到完全一致，可预先设计一个一致度，相当于通常意义上的误差范围），则进入步骤7）；

6）对等效模型的参数进行修正（采用ADAMS软件CAR模块下的VIEW界面中的OPTIMIZATION命令实现），返回步骤4）；

7）对等效模型施加预载参数（在ADAMS软件CAR模块下的VIEW界面实现），得到板簧动力学仿真模型。

采用前述方案可达到如下效果：1、采用等效模型将表征多片板簧结构的板簧三维模型等效为整体结构的变截面结构体，这就避免了需要考虑钢板弹簧之间的相互作用力的问题，使对仿真模型进行修正成为了可能；2、可通过对刚度特性曲线一致性进行比对，实现对等效模型的仿真精度的验证，从而修改等效模型的参数，使等效模型真实地反映出设计参数；3、本发明方案中的各个步骤，均可采用现有的成熟软件实现，实用性强，操作简单，设计效率高。

其中，步骤2）的操作可采用CATIA软件中的基本功能模块来实现；步骤3）、4）、6）、7）的操作采用ADAMS软件中的基本功能模块来实现。

更进一步地，步骤3）中，等效模型的多个参数包括：抗扭常数Ixx、截面惯性矩Iyy、截面惯性矩Izz、截面面积、 Y向剪切面积比、Z向剪切面积比、杨氏模量、剪切模量和阻尼比。

前文述及了，在建立了等效模型的基础上，就使得现有技术无法对模型的仿真精度进行验证的问题得到了解决，在验证过程中，若模型的仿真精度不够，就需要对等效模型的参数进行修正，这些参数具体有：Y向剪切面积比（对应于软件中的英文标记为Y Shear Area Ratio）、Z向剪切面积比（对应于软件中的英文标记为Z Shear Area Ratio）、杨氏模量（对应于软件中的英文标记为Young Modules）、剪切模量（对应于软件中的英文标记为Shear Modules）和阻尼比（对应于软件中的英文标记为Damp Ratio）；这些参数都是工程界中采用ADAMS软件建立的力学模型上的常用参数，由于该软件为全英文界面，故将其软件中的英文标记附注在对应的参数名称后。采用ADAMS软件CAR模块下的VIEW界面中的OPTIMIZATION命令对等效模型的参数进行修正。其中：OPTIMIZATION为优化。

基于前述的方案，本领域技术人员在对参数进行修正时可选取Y向剪切面积比、Z向剪切面积比、杨氏模量、剪切模量和阻尼比中的任意一者或多者进行修正，然后通过反复比对刚度特性曲线来实现对模型仿真精度的调整；为了提高调整模型仿真精度的效率，本发明还提出了如下的改进方案：步骤6）中，对等效模型的参数进行修正之前，计算各个参数的灵敏度，优先对灵敏度最大的参数进行修正；采用ADAMS软件CAR模块下的VIEW界面中的DESIGN OF EXPERIMENTS命令即可计算出各个参数的灵敏度。灵敏度越大的参数对等效模型的影响越大，可通过修正灵敏度大的参数，来加快工作进度，提高效率。其中：DESIGN OF EXPERIMENTS为试验设计。

前文简述了“该等效模型将板簧三维模型中多片板簧组成的结构体等效为一整体结构的变截面结构体”，这整体上反映了等效模型的性质，即获得一个整体结构的变截面结构体，其具体物理特性是由软件的默认设置自动生成的，且该软件为市售常规软件，本领域技术人员应该是清楚明白的。为了说明等效模型与现有技术得到的三维模型的差异，现将等效模型的结构特性简述如下：参见图1，图中所示结构即为自由状态的板簧三维模型，该模型真实的勾勒出了多片板簧重叠在一起形成的结构体，先消除其各片板簧之间的分界线，只保留外轮廓，得到一实心的异形结构体。然后沿异形结构体的长度方向，将骑马螺栓固定的部分记为中间段，将中间段两侧的结构体分别记为左段和右段，将左段和右段都离散为多段离散梁（如图2所示，图中相邻两条虚线之间的结构体即为一段离散梁）；采用ADAMS软件CAR模块中的NONLINEAR BEAM命令，先默认材料为STEEL，对左段和右段：为每段离散梁创建一个NONLINEAR BEAM，同步生成离散梁结构EXTRUSION和离散梁中部的BEAM连接器；对中间段：先对中间段创建一个NONLINEAR BEAM，同步生成离散梁结构EXTRUSION和离散梁中部的BEAM连接器，然后将生成的离散梁中部的BEAM连接器修改为固定约束；相邻两段离散梁之间采用固定约束连接，这种由多段离散梁连接在一起形成的整体结构体，即为等效模型（如图3所示）。软件完成的操作主要有以下几个步骤：1）分段，此操作通过CATIA软件中提供的分段工具完成，2）将每段离散梁转化成非线性梁，此操作通过ADAMS软件CAR模块中的NONLINEAR BEAM命令完成；对于ADAMS软件的处理而言，ADAMS软件会自动为每段离散梁分配一虚拟连接器（即BEAM连接器），ADAMS软件通过虚拟连接器来反映等效模型上各段离散梁的受力情况，最终整体体现为板簧的刚度特性。其中：NONLINEAR BEAM为非线性梁，EXTRUSION为结构体，STEEL为钢，BEAM为梁。

上述实施例为本发明优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的等同变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种板簧动力学仿真模型的制作方法，其特征在于：该方法步骤为：

1）设计板簧的尺寸参数、材料参数和刚度特性曲线，此刚度特性曲线记为A曲线；

2）根据尺寸参数和材料参数，建立自由状态下的板簧三维模型，采用中性面法对板簧三维模型进行处理，获得中性面；

    3）根据中性面，建立板簧三维模型的等效模型，并同步获得等效模型的多个参数；该等效模型将板簧三维模型中多片板簧组成的结构体等效为一整体结构的变截面结构体；

    4）绘制等效模型的刚度特性曲线，该刚度特性曲线记为B曲线；

5）将B曲线和A曲线进行比对，若B曲线与A曲线不一致或未达到设定的一致度，则进入步骤6）；若B曲线与A曲线一致或达到设定的一致度，则进入步骤7）；

6）对等效模型的参数进行修正，返回步骤4）；

7）对等效模型施加预载参数，得到板簧动力学仿真模型。

2.根据权利要求1所述的板簧动力学仿真模型的制作方法，其特征在于：步骤2）的操作采用CATIA软件实现；步骤3）、4）、6）、7）的操作采用ADAMS软件实现。

3.根据权利要求1所述的板簧动力学仿真模型的制作方法，其特征在于：步骤3）中，等效模型的多个参数包括：抗扭常数Ixx、截面惯性矩Iyy、截面惯性矩Izz、截面面积、Y向剪切面积比、Z向剪切面积比、杨氏模量、剪切模量和阻尼比。

4.根据权利要求1所述的板簧动力学仿真模型的制作方法，其特征在于：步骤6）中，对等效模型进行修正的参数包括Y向剪切面积比、Z向剪切面积比、杨氏模量、剪切模量和阻尼比；对等效模型的参数进行修正之前，计算各个参数的灵敏度，优先对灵敏度最大的参数进行修正；采用ADAMS软件CAR模块下的VIEW界面中的DESIGN OF EXPERIMENTS命令计算各个参数的灵敏度。

5.根据权利要求1所述的板簧动力学仿真模型的制作方法，其特征在于：所述等效模型为：将板簧三维模型中多片板簧组成的结构体，离散为多段离散梁，为每段离散梁创建NONLINEAR BEAM，相邻两段离散梁之间采用固定约束连接，这种由多段离散梁连接在一起形成的整体结构体，即为等效模型。

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