CN117034694A - 一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：采用等截面梁单元模拟车架、车身及底盘悬架结构；采用质量单元模拟乘客、货物、动力总成结构；采用bushing单元模拟车身与车架、车架与悬架，以及悬架与悬架之间的结构；赋予材料属性；静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷；在前后轮心处直接施加实测加速度载荷谱；提交ABAQUS求解计算；根据计算结果进行方案调整。本发明不依赖于轮胎和路面，同时整车模型的仿真规模也极大地缩减，快速计算整车振动响应，提高仿真效率80％以上。
Description
技术领域
本发明属于整车试验振动响应计算技术领域，具体涉及一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法。
背景技术
试验样车在进行整车性能试验过程中，车身、底盘、动力总成等会发生各种性能问题，如耐久性问题、平顺性问题，当前解决这些试验问题的一般方法是：首先通过仿真复现试验问题；其次优化设计方案，进行结构或者系统改进，并通过仿真手段实现耐久性或者平顺性等试验问题的优化；最后再进行试验验证。目前的方法存在如下问题：整车仿真模型过于庞大，往往求解速度太慢最终导致计算不出结果；即使仿真出结果，结果文件过大无法处理；整车仿真方法还依赖于轮胎模型，轮胎模型不准确，仿真结果也不可靠；整车仿真方法还依赖于路面，路面模型有时需要扫描才能得到，成本较高。
以某车型为例，该车型产品研发过程中，试验样车进行强化坏路试验时，车身地板的振动加速度幅值比其它同类型车偏大，并且振动加速度衰减的速率比其它同类型车慢，加速度响应幅值大且衰减速率慢，直接影响乘坐舒适性。
为了快速找到问题真因，需要建立整车多体动力学仿真模型，传统方法是在整车多体动力学仿真模型的基础上，结合轮胎模型及扫描路面进行试验场坏路仿真，计算整车试验中实际测点的振动加速度时间历程响应，并与试验做对比，调整仿真模型使得仿真加速度响应与试验加速度响应保持一致，保证仿真模型的正确性，在此基础上，调整减振器刚度和阻尼特性、橡胶衬套刚度和阻尼特性，橡胶衬套的位置和数量等变量，再次计算试验位置的振动加速度响应，看是否响应幅值是否会降低，加速度衰减速率是否会提高，选择最佳改进方案进行试验验证。
但是当前的仿真方法存在一些问题：1、为了仿真准确，多体动力学模型中需要将车身、车架做成柔性体，导致仿真模型规模大，影响计算效率；2、整车仿真模型需要依赖轮胎模型，轮胎模型如果不准确，同样影响仿真结果；3、整车仿真模型依赖于扫描路面，价格相对较高；4、改进优化过程中，需要调整减振器刚度、阻尼，橡胶衬套刚度及阻尼、橡胶衬套的数量及位置，优化变量多，每改变一次优化变量就需要仿真一次，大规模的仿真模型无法满足快速求解的需求。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，不依赖于轮胎和路面，同时整车模型的仿真规模也极大地缩减，快速计算整车振动响应，提高仿真效率80％以上。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，包括以下步骤：
S1.采用等截面梁单元模拟车架、车身及底盘悬架结构；采用质量单元模拟乘客、货物、动力总成结构；
S2.采用bushing单元模拟车身与车架、车架与悬架，以及悬架与悬架之间的结构；
S3.赋予材料属性；
S4.静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷；
S5.在前后轮心处直接施加实测加速度载荷谱；
S6.提交ABAQUS求解计算；
S7.根据计算结果进行方案调整。
进一步地，所述步骤S1包括：
S11.采用等截面梁单元模拟车身骨架，采用质量单元模拟乘客、货物及车身蒙皮结构；
S12.采用等截面梁单元模拟车架的横梁和纵梁，采用质量单元模拟动力总成；
S13.第三步，采用等截面梁单元模拟悬架结构转向节、控制臂、稳定杆、连杆、扭杆弹簧以及桥壳结构。
进一步地，所述步骤S11还包括：对比模型等效前后车身结构的模态和弯曲刚度，偏差不能大于3％。
进一步地，所述步骤S12还包括：对比模型等效前后车架结构的模态和刚度，偏差不能大于3％。
进一步地，所述步骤S2包括：采用bushing单元模拟车身与车架之间的橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟车架与悬架之间橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟悬架结构件之间橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟限位块，采用Cylinder单元模拟减振器，采用Spring单元模拟弹簧。
进一步地，所述步骤S3包括：建立并赋予车架、车身、悬架等效梁单元材料及截面属性；建立并赋予Bushing衬套单元、弹簧单元、减振器单元刚度及阻尼属性。
进一步地，所述步骤S4包括：静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷，轮心载荷应与实测轮心载荷偏差小于3％。
进一步地，所述步骤S5包括：轮心加载，应用ABAQUS分别在四个车轮的轮心位置施加实测的轮心加速度载荷谱。
进一步地，所述步骤S6包括：将仿真模型提交ABAQUS计算，得到地板、车身、橡胶悬置位置的位移、加速度以及力的响应。
进一步地，所述步骤S7包括：调整衬套刚度和阻尼，调整减振器刚度和阻尼，调整衬套数量及位置；重复所述步骤S1至S6，验证改进方案。
本发明具有以下优点：
1.本发明采用梁单元模拟车架、车身及底盘悬架结构，极大减少单元及节点数量，缩小仿真规模；
2.本发明采用实际测量的轮心加速度载荷谱直接施加到整车仿真模型的轮心处，避开轮胎以及路面建模，提升仿真效率，提高仿真精度；
3.本发明通过调整衬套刚度和阻尼、调整减振器刚度和阻尼、调整衬套数量及位置，快速验证改进方案关注位置的位移、加速度、力等物理量时间历程响应幅值及衰减速率是否有改善，从而指导结构优化改进。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法流程图；
图2为传统计算方法车身有限元模型示意图；
图3为本发明实施例所述等截面梁单元简化车身模型示意图；
图4为传统计算方法车架有限元模型示意图；
图5为本发明实施例所述等截面梁单元简化车架模型示意图；
图6为传统计算方法底盘悬架有限元模型示意图；
图7为本发明实施例所述等截面梁单元简化底盘悬架模型示意图；
图8为本发明实施例所述某车型梁单元等效整车简化模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
对整车坐标系的说明：整车从车头指向车尾为X轴正向(1方向)，竖直向上为Z轴正向(3方向)，整车坐标系Y轴正向复合右手螺旋定则，绕X、Y、Z轴转动方向分别代表4、5、6方向。
实施例
以某车型整车仿真模型为例，详细介绍本发明一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法的实施步骤，如图1所示：
S1.采用等截面梁单元模拟车架、车身及底盘悬架结构；采用质量单元模拟乘客、货物、动力总成等结构：
第一步，采用等截面梁单元模拟车身骨架，采用质量单元模拟乘客、货物及车身蒙皮结构，如图2、图3所示，车身单元规模由原来的353万缩减至1014个；对比模型等效前后车身结构的模态和弯曲刚度，偏差不能大于3％，如果超出规定范围，需要调整梁截面尺寸，质量单元质量等属性；
第二步，采用等截面梁单元模拟车架的横梁和纵梁，采用质量单元模拟动力总成，如图4、5所示，车架单元规模由原来的52万缩减至836个；对比模型等效前后车架结构的模态和刚度，偏差不能大于3％，如果超出规定范围，需要调整梁截面尺寸属性；
第三步，采用等截面梁单元模拟悬架结构转向节、控制臂、稳定杆及连杆、扭杆弹簧、桥壳等结构，如图6、7所示，底盘悬架单元规模由原来的162万缩减至526个；
S2.采用bushing单元模拟车身与车架、车架与悬架，以及悬架与悬架之间的结构：
第四步，采用bushing单元模拟车身与车架之间的橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟车架与悬架之间橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟悬架结构件之间橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟限位块，采用Cylinder单元模拟减振器，采用Spring单元模拟弹簧；
S3.赋予材料属性：
第五步，建立并赋予车架、车身、悬架等效梁单元材料及截面属性；建立并赋予Bushing衬套单元、弹簧单元、减振器单元刚度及阻尼属性；
S4.静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷：
第六步，静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷，轮心载荷应该与实测轮心载荷偏差小于3％，如果超出范围，需要调整乘客、货物、动力总成等质量单元质量，直至仿真结构与实测结果保持一致；
S5.在前后轮心处直接施加实测加速度载荷谱：
第七步，轮心加载，应用ABAQUS基础运动仿真技术，分别在四个车轮的轮心位置施加实测的轮心加速度载荷谱，如图8所示；
S6.提交ABAQUS求解计算：
第八步，将仿真模型提交ABAQUS计算，快速得到地板，车身、橡胶悬置等关注位置的位移、加速度、力等物理量的响应。
S7.根据计算结果进行方案调整：
第九步，调整衬套刚度和阻尼、调整减振器刚度和阻尼、调整衬套数量及位置，重复步骤S1至S6，快速验证改进方案关注位置的位移、加速度、力等物理量时间历程响应幅值及衰减速率是否有改善，从而指导结构优化改进。
本实施例的优点在于：
整车车身总成、车架总成、底盘悬架总成结构均采用等截面梁单元建模，对比车身总成原模型与梁单元等效模型的模态及弯扭刚度，偏差不能大于3％；对比车架总成原模型与梁单元等效模型模态及弯扭刚度，偏差不能大于3％；采用bushing衬套单元模拟橡胶衬套、限位块等，采用Spring单元模拟弹簧，采用Cylinder单元模拟减振器，采用质量单元模拟乘客、货物、动力总成等；赋予梁单元材料及截面属性，赋予衬套单元、弹簧单元及减振器单元刚度及阻尼属性后，计算整车前后轮心载荷并与实测轮心载荷值对比，偏差不能大于3％，保证仿真模型的正确性；在整车轮心位置施加实测加速度载荷谱，计算车身地板、座椅、橡胶悬置等关注位置的位移、加速度、力等物理量的时间历程，同时得到相关物理量的响应幅值及衰减速率，通过调整减振器单元刚度和阻尼、衬套单元、弹簧单元的刚度及阻尼、橡胶衬套单元的位置等变量，快速仿真得到关注位置的位移、加速度、力等物理量的时间历程，从而判断相关物理量的响应幅值或者衰减速率是否有改善，进一步指导设计。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用等截面梁单元模拟车架、车身及底盘悬架结构；采用质量单元模拟乘客、货物、动力总成结构；
S2.采用bushing单元模拟车身与车架、车架与悬架，以及悬架与悬架之间的结构；
S3.赋予材料属性；
S4.静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷；
S5.在前后轮心处直接施加实测加速度载荷谱；
S6.提交ABAQUS求解计算；
S7.根据计算结果进行方案调整。
2.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11.采用等截面梁单元模拟车身骨架，采用质量单元模拟乘客、货物及车身蒙皮结构；
S12.采用等截面梁单元模拟车架的横梁和纵梁，采用质量单元模拟动力总成；
S13.第三步，采用等截面梁单元模拟悬架结构转向节、控制臂、稳定杆、连杆、扭杆弹簧以及桥壳结构。
3.如权利要求2所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S11还包括：对比模型等效前后车身结构的模态和弯曲刚度，偏差不能大于3％。
4.如权利要求2所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S12还包括：对比模型等效前后车架结构的模态和刚度，偏差不能大于3％。
5.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括：采用bushing单元模拟车身与车架之间的橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟车架与悬架之间橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟悬架结构件之间橡胶连接衬套，采用bushing单元模拟限位块，采用Cylinder单元模拟减振器，采用Spring单元模拟弹簧。
6.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S3包括：建立并赋予车架、车身、悬架等效梁单元材料及截面属性；建立并赋予Bushing衬套单元、弹簧单元、减振器单元刚度及阻尼属性。
7.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S4包括：静平衡状态下，计算整车模型前、后车轮轮心载荷，轮心载荷应与实测轮心载荷偏差小于3％。
8.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S5包括：轮心加载，应用ABAQUS分别在四个车轮的轮心位置施加实测的轮心加速度载荷谱。
9.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S6包括：将仿真模型提交ABAQUS计算，得到地板、车身、橡胶悬置位置的位移、加速度以及力的响应。
10.如权利要求1所述的一种基于整车仿真模型的振动响应计算方法，其特征在于，所述步骤S7包括：调整衬套刚度和阻尼，调整减振器刚度和阻尼，调整衬套数量及位置；重复所述步骤S1至S6，验证改进方案。
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