基于ADAMSCar-Ride的整车平顺性建模与仿真

【90】第32卷第10期2010-10(上)基于ADAMS/CarRide的整车平顺性建模与仿真ModelingandsimulationofvehicleridebasedonADAMS/CarRide王南，平恩顺，岳龙山，李伟WANGNan,PINGEn-shun,YUELong-shan,LIWei（河北工程大学机电学院，邯郸056038）摘要：利用机械系统动力学分析软件ADAMS/CarRide模块建立整车虚拟样机模型，应用虚拟四柱试验台对整车模型进行随机输入和脉冲输入下的平顺性仿真试验。仿真结果表明：ADAMS/CarRide可简洁有效地进行整车平顺性仿真试验，实现了在设计阶段对汽车进行平顺性预测与分析的目标，从而为车辆的前期开发提供设计依据。关键词：车辆工程；平顺性；ADAMS/Car；仿真；随机输入和脉冲输入中图分类号：U467　文献标识码：A　文章编号：1009-0134(2010)10(上)-0090-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).290引言汽车在道路上行驶时，会因路面凹凸不平而产生振动。汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价[1]。它是现代高速汽车的主要性能之一。它不仅直接影响乘员的乘坐舒适性和车辆行驶安全性，还间接影响到车辆的动力性、经济性及零部件使用寿命等指标[2]。因此如何保证汽车具有良好的平顺性，已经引起设计人员的广泛关注。在传统的汽车平顺性试验中，都是通过实车道路试验，用专门的仪器测量相应值，输入处理器中得到其评价指标[3]。而通过机械系统动力学软件ADAMS可以实现在计算机上建立汽车的三维实体模型，并对整车实体模型进行动力学分析，还可以通过修改不同参数并快速观察车辆的运动状态、动态显示仿真数据结果，从而尽可能降低生产成本，缩短设计周期，更加接近实际真实情况。1整车平顺性仿真路面输入模型在进行车辆平顺性仿真研究时，仿真路面的构造是一个重要方面。当以路面轮廓粗糙度为输入源时，ADAMS／CarRide要求提供路面的空间功率谱密度、速度功率谱密度和加速度功率谱密度[4]。根据GB7031《车辆振动输入一路面平度表示方法》的规定，路面功率谱密Gq(n)用下式作为拟合表达式：(1)式中：n一空间频率，(它是波长λ的倒数,表示每米长度中包括几个波长,单位为m-1);n0——参考空间频率，n0=0.1m-1；Gq(n0)——参考空间频率n0下的路面功率谱密度值(称为路面不平度系数)，单位为m2/m-1=m3；w——频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面谱的频率结构，通常取w=2。对汽车振动系统的输入除了路面不平度，还要考虑车速这个因素。根据车速u，将空间频率功率谱密度Gq(n)换算为时间频率功率谱密度Gq(f)。当汽车以一定车速u(单位为m/s)驶过空间频率为n(m-1)的路面不平度时输入的时间频率f(s-1)是u与n的乘积，即：f=un(2)由此得到Gq(f)与Gq(n)的关系式：(3)将式(2)、(3)代入式(1)得时间频率谱密度的表达式：(4)由此得到时间频率的不平度速度功率谱密度和加速度功率谱密度与位移功率谱密度的关系式：(5)收稿日期：2009-11-04基金项目：河北省教育厅科学研究计划项目（2009420）；河北省自然科学基金资助项目（E2009000836）作者简介：王南（1957-），男，河北昌黎人，教授，主要从事机械设计及理论方面的研究工作。第32卷第10期2010-10(上)【91】(6)2整车平顺性仿真模型的建立利用机械系统动力学软件ADAMS创建汽车的整车参数化模型有两条途径：其一是使用ADAMS／View创建汽车的整车模型，它是通过逐一创建汽车的各部件模型、各部件之间的连接副等组装而成，比较繁琐，但是模型构建比较精细；其次是使用ADAMS／Car模块里一些部件模型组建汽车的整车模型，建模比较快，但是各部件模型有限，只能够针对有限的车型分析[5]。建立符合分析要求的汽车整车虚拟样机模型是进行汽车平顺性仿真分析研究的前提。在进行车辆平顺性仿真研究时，采用自下而上的建模方式建立整车的动力学仿真模型，整车模型至少应包含前后悬架子系统、转向子系统、前后轮胎子系统与车身子系统，制动系统与动力总成不是必需的。若要建立完整的整车虚拟样机仿真模型，除相应的制动系统和动力总成外，还需建立前稳定杆模型。而在选择试验装配方案时，对平顺性仿真试验，选择虚拟四柱试验台(ARIDE_FOUR_POST_TESTRIG)。本文通过组装ADAMS/Car模块里的一些子模块(车身、前后悬架、前后车轮、转向机构、发动机和动力传动系统等)构建一部整车虚拟样机模型，如图1所示。图1整车平顺性仿真模型3整车平顺性仿真试验分析3.1整车平顺性随机输入仿真试验分析3.1.1随机路面轮廓的建立随机路面生成器（Ride-ProfileGeneration）是ADAMS／CarRide提供的一个数字模型的路面生成工具；该模型是一种经验模型，综合了许多不同类型的道路测量参数，可以用于表述实际道路的随机不平度。它可以同时给出左右轮辙路面轮廓参数，模型输入量的长度单位是m，输出左右轮辙的随机高度为mm[6]。取随机路面生成参数：空间功率谱密度Ge=0.1、速度功率谱密度Ge=20，加速度功率谱密度Ga=0.1（相当于较粗糙的水泥路面）。由路面轮廓生成器生成的随机路面轮廓如图2所示。图2随机路面轮廓3.1.2随机路面模型的仿真对于随机路面输入，根据GB/T4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》中规定的车速范围分别以车速为60、80、90、100、120km/h行驶在由路面轮廓生成器构造的路面上，并对整车虚拟样机模型进行仿真。采样间隔0.05m，车速为100km/h,仿真时间5s。得到底盘处垂向加速度与频幅特性的仿真曲线如图3所示。（限于篇幅,这里仅给出车速为100km/h曲线图）图3底盘处垂向加速度与频幅特性【92】第32卷第10期2010-10(上)按GB/T4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》的规定，计算的应是垂直方向的人体振动的加权加速度均方根RMS值，由于本模型中未包括座椅和人体系统，人体实际感觉的振动经座椅的阻尼和椅垫的衰减后要小于车身的振动。可以根据通常实车实验数据用车身座椅底板处垂直方向的加速度均方根值来近似计算。一般座椅对应的车身处加速度均方根值是座椅上人体感受的1.4倍以上。在上图中，座椅底部底盘处垂直方向加速度均方根值RMS=0.06m/s2，换算成座椅上人体感受的振动加速度均方根值约为RMS=0.0285m/s2。根据ISO2631—1给出的平顺性近似评价方法，由仿真结果可知，αzw0.315m/s2时，人体感觉舒适。3.2整车平顺性脉冲输入仿真试验分析图4底板处垂向加速度与横摆加速度位移脉冲激励输入可用于模拟路面三角形凸块，既可以双侧车轮输入也可以分别设置。在ADAMS中使用表格函数功能和曲线管理器工具构建位移脉冲，并输入到执行器对汽车进行凸块脉冲输入平顺性试验仿真。三角形凸块高度60mm，宽度0.4m，距离起点1m，车速为100km/h,仿真时间0.5s。得到底盘处垂向加速度与横摆加速度的仿真曲线如图4所示。由图4可知，车辆经过凸块时底板处垂向加速度、横摆加速度增加且横摆加速度急剧增加。在ISO5631新草案中对标准环境下（三角凸块、高60mm、底边长400m、通过车速100km/h）凸块脉冲输入平顺性试验提出了如下评价指标：座椅表面传递给乘员的昀大加速度响应绝对值ACCmax：ACCmax＞43.02m/s2时，将危害健康ACCmax＜31.44时m/s2，对将康无危害ACCmax在31.44m/s2与43.02m/s2之间时对健康有一定的影响。仿真结果表明该车在脉冲输入下对人体健康是没有危害的。4结论1）整车平顺性随机输入仿真试验分析表明，汽车在以100km/h的车速行驶在较粗糙路面时具有较好的平顺性，能够满足乘坐舒适性要求。2）整车平顺性脉冲输入仿真试验分析表明，汽车在以100km/h的车速驶过三角形凸块时对驾驶员的健康没有危害。3）在ADAMS/CarRide中用虚拟四柱试验台对整车进行平顺性仿真试验，提高了车辆平顺性仿真研究的可信度，可为车辆平顺性能的改进和研究提供参考。参考文献:[1]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.[2]姚文杰,孟红,叶金华.多轴越野车辆的行驶平顺性[J].计算机辅助工程,2006,15(9):268-270.[3]李阳,唐应时,方琼,段心林.某越野车平顺性试验的仿真[J].汽车科技,2006,2:35-37.[4]宋宇,郑泉,陈黎卿.基于ADAMS/CarRide的车辆平顺性仿真研究[J].客车技术,2007,5:14-16.[5]陈立平,张云清,任卫群,覃刚.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.[6]陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.