CN115114730A

CN115114730A - 一种汽车部件道路运动包络生成方法及系统

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Publication number: CN115114730A
Application number: CN202210711618.3A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 刘煜; 周继学
Original assignee: Chongqing Changan New Energy Automobile Technology Co Ltd
Current assignee: Chongqing Changan New Energy Automobile Technology Co Ltd
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2022-09-27

Abstract

本发明是一种汽车部件道路运动包络生成方法及系统，解决目前汽车设计中各运动部件之间及运动部件与路面之间间隙设计问题。方法包括步骤：建立整车及道路多体动力学模型；根据用户需求调整模型及仿真设置，输出部件六自由度位移数据；调整部件初始数模位置，程序调用CATIA生成运动包络；检查CATIA运动包络有效性。本发明通过建立合理的动力学模型，输出足够精度的位移数据，通过编制软件建立运动部件包络，可以减小汽车部件之间、汽车部件与道路之间的动静态间隙，提升车辆美观性，满足车辆动态使用需求。

Description

一种汽车部件道路运动包络生成方法及系统

技术领域

本发明专利涉及机械工程、车辆工程相关技术领域，涉及多体动力学及三维自动建模技术的汽车部件道路运动包络生成方法。

背景技术

长久以来，国内外汽车间隙设计在轮胎轮眉设计、发动机及周边部件设计、车辆离地间隙设计三个领域均存在技术难点。悬架轮胎、路面、发动机等主要部件工作体现非线性高度耦合特性，车辆载荷、行驶路况以及驾驶员操作的合理性边界模糊，这是造成三大领域设计困难的主要原因。此外三大设计无统一设计方法，开发需多领域人员联合设计，整体开发效率低下。

传统轮胎包络间隙设计方法一是建立悬架轮胎刚性约束模型输出轮胎包络，运动包络按刚性限位确定行程；方法二是建立前后独立单独悬架非线性静力学模型，假设模型参数准确且工况合理，按部分方向极限载荷确定行程，周边件设计增加经验安全距离。传统发动机包络间隙设计是建立典型极限工况非线性静力学模型输出动力总成运动包络，周边件设计增加经验安全距离。车辆离地间隙是在车辆垂向极限限位条件下，增加经验安全距离的离地间隙。以上方法均存在明显设计偏差，导致运动包络偏大，部件之间间隙偏大。

车辆部件干涉造成品牌损失、索赔、设计变更等重大经济损失，因此传统汽车通过不断缩小部件间隙在试验场验证，通过多年市场验证会得到部分安全间隙设计经验，该设计经验需花费大量时间资源费用获得，但是该经验的适用范围有限。即不同车辆配置、载荷等差异大，一款车型经验可移植性有限，新车型设计仍需要大量验证。

近些年随着轮胎六分力试验台架不断应用，各种轮胎动力学仿真模型精度不断提升并广泛应用，计算机性能及多体动力学仿真技术飞速发展，高精度多体动力学仿真模型可广泛应用于汽车设计相关领域，为车辆部件道路运动包络制作提供了有利条件。

行业通用动力学软件ADAMS后处理标准输出结果精度为1E-7，在车辆相对道路大位移工况下，其精度不足，无法作为有效数据应用。

三维建模软件应用中缺少自动化建模技术，无法批量在三维软件中应用动力学输出位移，无法建立足够精度的运动包络。

综上，通过对现有汽车设计现状分析，发现技术难度最大的轮胎包络、动力总成包络、底盘件运动包络三部分设计方法存在较大误差，进而导致轮胎轮眉间隙过大，发动机舱空间大，底盘普遍偏高三大问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多体动力学和自动化三维建模技术的通用的汽车部件道路运动包络方法生成，通过建立合理的动力学模型，输出足够精度的位移数据，通过编制软件建立运动部件包络，以减小汽车部件之间、汽车部件与道路之间的动静态间隙，提升车辆美观性，满足车辆动态使用需求。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种汽车部件道路运动包络生成方法，包括如下步骤：

1、建立整车及道路多体动力学模型；

2、根据用户需求调整模型及仿真设置，输出部件6自由度位移数据；

3、部件初始数模位置调整，程序调用CATIA生成运动包络；

4、CATIA运动包络有效性检查。

在本发明的实施例中，所述步骤(1)中，建立整车动力学模型包括如下步骤：

1.1、选择PAC2002轮胎模型及复杂扭曲路作为模型验证条件，建立整车级动力学模型；

1.2、车辆实车通过扭曲路，采集车身位移信号及方向盘转角信号、电机转速信号作为模型校正信号。

1.3、调整模型参数直至仿真精度满足需求。

在本发明的实施例中，所述步骤(2)中，根据用户需求调整模型及仿真设置，输出部件6自由度位移数据包括如下步骤：

2.1、在本发明步骤(1)扭曲路模型基础上，根据用户需求调整路面模型，修改模型求解器及输出相关设置，将输出位移精度由1E-7提升至1E-17，满足大位移条件下数据精度。

2.2、用户相对静止部件参考系设置，用户相对运动部件marker设置，输出数据设置。

2.3、仿真步长估算，设置仿真步长并进行求解。

2.4、输出原始结果文件数据处理，从结果数据集合中将需求数据按需求格式输出；

在本发明的实施例中，所述步骤(3)中，部件初始数模位置调整，程序调用CATIA生成运动包络包括如下步骤：

3.1、调整CATIA初始部件数模位置，确保初始部件数模位置与ADAMS坐标系位置相同。

3.2、通过自制程序，通过调用CATIA软件，应用初始部件数模及ADAMS输出的6自由度位移数据，在CATIA中生成部件运动包络数模。

3.3、CATIA包络数模保存为用户需求的格式；

在本发明的实施例中，所述步骤(4)中，CATIA运动包络有效性检查包括如下步骤：

4.1、CATIA运动包络DMU干涉检查。

4.2、ADAMS中模型动画与CATIA运动包络DMU检查对比，对比最小间隙工况是否一致，

另一方面，本发明还提出一种汽车部件道路运动包络生成系统，其包括模型建立模块、调整、设置和输出模块、运动包络生成模块和有效性检查模块，所述模块被配置为实现以上所述的汽车部件道路运动包络生成方法。

本发明专利具有如下效果：

1、包络制作高准确度、高精度。

本发明是在局部子系统模型假设零部件参数准确，假设仿真工况合理且无法验证总体方法合理性的方法之上进行改进。建立复杂道路下整车非线性刚柔耦合模型，通过复杂扭曲路面实车位移等试验数据，反向调教零部件参数和整车动力学模型的匹配度，最终得到高精度整车动力学模型，该模型可基本在低频大位移相关分析领域替代试验车辆。1)建立其模型精度经过整车位移传感器数据验证，模型精度高；

2、本发明中，应用整车道路动力学模型输出扭曲路等各种路面上汽车部件运动包络，特别在极限工况下部件与道路的间隙进行设计，通过该方法可降低车辆设计高度，降低整车质心提升车辆操稳性能，同时为车辆内部提供更大布置空间。

3、本发明中，模型路况及载荷工况、驾驶条件均以实车状态验证，车辆工况更接近实际。

4、本发明基于离散插值方法，实现装配建模自动化的包络制作方法，其包络精度可通过动力学模型仿真输出及数据处理方法设置，达到三维软件可识别的最高精度；5)运动包络准确性可通过数模DMU检查和动力学仿真动画检查，确保准确性。

5、运动包络实现自动化，降低手动建模过程中的错误率。

6、本发明是通用的汽车部件道路运动包络生成方法，模型可运用于包括轮胎包络、动力总成包络、底盘部件相对复杂路面的运动包络，以及其他车辆相对运动部件。用于汽车轮胎包络设计中，可提升运动包络精度，缩小整体轮胎包络边界，在轮胎安全行驶条件下，缩小轮胎轮眉静态间隙，提升汽车美观度。在动力总成间隙设计中，可提升极限工况载荷准确度，使得动力总成包络边界缩小，为整车机舱中动力总成及其他部件提供了更大的安装空间。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的一个实施例所示的车辆部件运动包络生成方法流程框图；

图2是车辆动力学模型图；

图3车辆路面动力学模型图；

图4路面及电池包络三维图；

图5路面电池包络干涉检查图三维总图；

图6路面电池包络干涉检查瞬态三维图；

图7路面电池包络瞬态动画图。

需要说明的是，以上附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的和功效易于了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于建立一种通用的车辆部件运动包络制作方法，该方法应用非线性部件及高度耦合多体动力学系统输出高精度运动部件位移，应用程序实现数模包络的自动化生成，其结果可广泛应用于车辆部件与部件之间，部件与路面之间的运动干涉检查。

参见图1，本实施例详细说明汽车部件道路运动包络生成方法的实施步骤，主要包括建立动力学模型、实车试验测试、验证试验仿真精度、需求工况选定、输出部件硬点及输出坐标系选定、求解器设置及仿真步长设置、数模初始位置调整、调用CATIA生成高精度运动包络、运动包络验证等。具体步骤说明：

步骤1、建立整车及道路多体动力学模型，见图2车辆动力学模型图；

包括：

1.1、选择PAC2002轮胎模型及复杂扭曲路作为模型验证条件，建立整车级动力学模型，见图3车辆路面动力学模型图。

1.3、调整模型参数直至仿真精度满足需求。

具体实施步骤为：

(1)按照底盘硬点创建前后悬架模型，为各个部件输入重量及转动惯量，关键部件可使用MNF模态中性文件替换，各种衬套采用generalforce，六自由度力位移公式体现衬套非线性刚度阻尼特性；

(2)轮胎模型采用PAC2002模型，PAC2002模型特别适合操稳性分析；

(3)路面采用复杂的扭曲路模型调教仿真模型，满足扭曲路的模型适用于各种复杂刚性路面；

(4)实车试验在左前右后摆臂和车身直接布置位移拉线传感器，通过CAN通信采集方向盘转角及电机转速数据，用于仿真模型调教。

步骤2、根据用户需求调整模型及仿真设置，输出部件6自由度位移数据

包括：

2.1、在步骤(1)扭曲路模型基础上，根据用户需求调整路面模型，修改模型求解器及输出相关设置，将输出位移精度由1E-7提升至1E-17，满足大位移条件下数据精度；

2.3、仿真步长估算，设置仿真步长并进行求解。

2.4、输出原始结果文件数据处理，从结果数据集合中将需求数据按需求格式输出。

步骤2的具体实施过程如下：

(1)根据用户分析需求，选择需要校核的相对静止和运动部件，在相对静止部件上ground坐标系原点位置建立参考坐标系marker，在相对运动部件上新建参考点marker；工况选择相应平直路、扭曲路、比利时路、凸起、凹坑路面，选择行驶车速及路线。

(2)求解器选择dynamics，积分器选择GSTIFF，公式选择I3，选择原始修正，容错值建议选择1.0E-3～1.0E-2。

(3)输出设置，选择保存文件，输出结果文件Result Files，其他设置默认。

(4)仿真步长设置，

其中Tmax为最大仿真步长，l为仿真模型精度，V为仿真车速。仿真步长按Tmax最大仿真步长元整为10ⁿ，n为-1,-2……。

(5)仿真模型，生成.res文件。

步骤3、部件初始数模位置调整，程序调用CATIA生成运动包络。

包括：

3.1、调整CATIA初始部件数模位置，确保初始部件数模位置与ADAMS坐标系位置相同；

3.2、通过自制程序，通过调用CATIA软件，应用初始部件数模及ADAMS输出的6自由度位移数据，在CATIA中生成部件运动包络数模，见图4路面及电池包络三维图示。

3.3、CATIA包络数模保存为用户需求的格式。

步骤3的具体实施过程如下：

(1)一般数模坐标系与ADAMS坐标系不同，需首先将数模坐标系移动至与ADAMS坐标系位置相同。

(2)通过程序将CATIA数模转化为.cgr格式；将CATIA数模根据ADAMS提取相对运动部件marker坐标移动至原点，数据另存为.cgr格式。

(3)新建包络装配.product文件，将相对运动marker点在原点位置的.cgr数模，按一系列ADAMS导出的6自由度位移，依次安装到包络装配文件中，最终形成总的.product包络文件，亦可另存为.crg或者.3dxml等用户需求文件。

步骤4，CATIA运动包络有效性检查

包括：

4.1、CATIA运动包络DMU干涉检查，见图5路面电池包络干涉检查图三维总图及图6路面电池包络干涉检查瞬态三维图示。

4.2、ADAMS中模型动画与CATIA运动包络DMU检查对比，对比最小间隙工况是否一致，见图7路面电池包络瞬态动画图示。

步骤4的具体实施过程如下：

(1)将ADAMS路面文件转化为CATIA可识别的.cgr数模。

(2)将需求的相对静止数模或路面数模与运动包络数模按不同产品装配在同一.product下。

(3)使用CATIA碰撞检查工具中的间隙+碰撞+接触检查，选择相应产品进行DMU检查，生成一系列满足间隙或干涉量要求的数模。通过以上数据可分别查看某时刻运动部件相对静止部件的间隙量，同步可以在ADAMS中动画显示在该时刻数模的相对位置关系。以此验证运动包络的有效性。

本发明特别适合高度复杂非线性刚柔耦合车辆道路系统，是一种通用型运动包络制作方法，可广泛用于整车设计各运动干涉检查领域，例如车辆部件与部件之间，车辆部件与道路之间的间隙干涉检查，具体可应用于轮胎与轮眉等周边部件设计、发动机与周边部件设计、路面与车辆部件间隙设计等高度复杂设计领域，其他简单相对运动部件领域亦可应用。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims

1.一种汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于,包括如下步骤：

建立整车及道路多体动力学模型；

根据用户需求调整模型及仿真设置，输出部件六自由度位移数据；

调整部件初始数模位置，调用CATIA生成运动包络；

检查CATIA运动包络有效性。

2.根据权利要求1所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于,所述步骤（1）包括如下步骤：

按照底盘硬点创建前后悬架模型，轮胎模型采用PAC2002模型，路面采用复杂的扭曲路模型调教仿真模型，建立整车级动力学模型；

车辆实车通过扭曲路，采集车身位移信号及方向盘转角信号、电机转速信号作为模型校正信号；

调整模型参数直至仿真精度满足需求，得到整车及道路多体动力学模型。

3.根据权利要求2所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，在创建前后悬架模型时，为各个部件输入重量及转动惯量，关键部件使用MNF模态中性文件替换，各种衬套采用generalforce，用六自由度力位移公式体现衬套非线性刚度阻尼特性。

4.根据权利要求1、2或3所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，所述步骤（2）包括如下步骤；

（2.1）在扭曲路模型基础上，根据用户需求调整路面模型，修改模型求解器及输出相关设置，将输出位移精度提升至1E-17；

（2.2）用户相对静止部件参考系设置，用户相对运动部件marker设置，需求工况选定，输出部件硬点及输出坐标系选定；

（2.3）仿真步长估算，设置仿真步长并进行求解；

（2.4）输出原始结果文件数据处理，从结果数据集合中将需求数据按需求格式输出。

5.根据权利要求4所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，所述步骤（2.2）中，根据用户分析需求，选择需要校核的相对静止和运动部件，在相对静止部件上ground坐标系原点位置建立参考坐标系marker，在相对运动部件上新建参考点marker；工况选择相应平直路、扭曲路、比利时路、凸起、凹坑路面，选择行驶车速及路线。

6.根据权利要求4所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，所述步骤（2.3）中，求解器选择dynamics，积分器选择GSTIFF。

7.根据权利要求1、2或3所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，所述步骤（3）包括如下步骤：

（3.1）调整CATIA初始部件数模位置，确保初始部件数模位置与ADAMS坐标系位置相同；

（3.2）通过程序，并调用CATIA软件，应用初始部件数模及ADAMS输出的6自由度位移数据，在CATIA中生成部件运动包络数模，最终形成总的.product包络文件。

8.根据权利要求7所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，还包括步骤（3.3），将CATIA包络数模保存为用户需求的格式。

9.根据权利要求7所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于，所述步骤（3.2）的方法是：通过程序将CATIA数模转化为.cgr格式；将CATIA数模根据ADAMS提取相对运动部件marker坐标移动至原点，数据另存为.cgr格式；新建包络装配.product文件，将相对运动marker点在原点位置的.cgr数模，按一系列ADAMS导出的6自由度位移，依次安装到包络装配文件中，最终形成总的.product包络文件。

10.根据权利要求1、2或3所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于,所述步骤（4）中，CATIA运动包络有效性检查包括如下步骤：

（4.1）CATIA运动包络DMU干涉检查；

（4.2）ADAMS中模型动画与CATIA运动包络DMU检查对比，对比最小间隙工况是否一致。

11.根据权利要求10所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于,在步骤（4）进行CATIA运动包络有效性检查时，先将ADAMS路面文件转化为CATIA可识别的.cgr数模；然后将需求的相对静止数模或路面数模与运动包络数模按不同产品装配在同一.product下。

12.根据权利要求10所述的汽车部件道路运动包络生成方法，其特征在于,在步骤（4）进行CATIA运动包络有效性检查是使用CATIA碰撞检查工具中的间隙+碰撞+接触检查，选择相应产品进行DMU检查，生成一系列满足间隙或干涉量要求的数模。

13.一种汽车部件道路运动包络生成系统，其特征在于,包括模型建立模块、调整、设置和输出模块、运动包络生成模块和有效性检查模块，所述模块被配置为实现权利要求1-12任一项所述的汽车部件道路运动包络生成方法。