基于虚拟技术的汽车操纵稳定性试验仿真分析毕业设计论文

基于虚拟技术的汽车操纵稳定性试验仿真分析毕业设计论文内容摘要：

力和加速度数据可以作为有限元软件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研究。 ADAMs／ Tire操纵稳定性轮胎模型可以应用于车辆动力学研究，该类轮胎模型有：荷兰 TNO开发的 DelftTire(Pacejka96)轮胎模型，应用荷兰 Delft工业大学 Pacejka教授提出的 Magic Formula理论开发的 Pacejka 89与 Pacejka94轮胎模型， Fiala轮胎模型，UA模型， Smithers模型，此外可由用户自定义轮胎模型。 ADMAS 软件的计算分析工作流 程 利用 ADAMS 软件中提供得零件库、约束库、力库等建模模块，按照所要分析的系统的物理参数建立起多刚体系统模型。 ADAMS 软件进行运算时，首先读取原始的输入数据，在检查正确无误后 ,判断整个系统的自由度。 如果系统的自由度为零，进行运动学分析。 如果系统的自由度不为零 ,ADAMS 软件通过分析初始条件，判定是进行动力学分析还是静力学分析。 在确定 了分析类型后， ADAMS 软件通过其功能强大的积分器求解矩阵方程。 如果在仿真时间结束前，不发生雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异（如位置锁死），则仿真成功。 此时，可以通过人机交互界面再输入新的模拟结束时间，或者进行有关参数的测量及绘制曲线。 如果在仿真过程中，出现雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异，则数值发散， ADAMS 软件显示为仿真失败，这需要检查系统模型（特别是运动机构的位置锁死点以及约束的类型），或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程序中的控制参数等，直到得出正确的仿真结果。 ADAMS 软件从数据输 入到数据输出的整个计算过程可以分为以下几个部分： 1. 数据的输入。 2. 数据的检查。 3. 机构的装配及过约束的消除 4. 运动方程的自动生成。 5. 积分迭代运算过程。 6. 运算过程中错误检查和信息输出。 7. 结果的输出。 本章小结 本章对应用于虚拟样机仿真分析的 ADAMS 软件进行了概括性的介绍，包括其主要功能和各功能模块，建模仿真流程等。 为后续的建模和仿真分析奠定了基础。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 8 3 基于 ADMAS/CAR 整车虚拟模型的建立 经过对目前的车辆动力学分析软件进行比较，选择了多体系统动力学软件 ADAMS进行整车虚拟样机的建模仿真。 其中多体系统动力学软件 ADAMS 的 Car 模块使用参数化建模，用户可根据需要调整车辆模型参数，便于性能优化：而且还包含具有一定智能性的驾驶员模型设置信息，在仿真分析中可以根据需要选择对应的驾驶员模型进行闭环系统的分析。 ADAMS／ Car 提供了两种运行模式：标准模式 (Standard Interface)和模板建模器 (Template Builder)。 在标准模式下，用户可以根据汽车的构造来选择合适的模板 ，如悬架系统，轮胎系统，转向系统等；若没有合适的模板，可使用模板建模器根据汽车的具体结构来生成所需的模板。 在建模过程中， ADAMS／ Car 的建模顺序是自下而上的 (模板 — 子系统一整车 )，模板是整个模型中最基本的模块。 在建立模板阶段，正确建立零部件问的连接关系和信号器是至关重要的，这些数据在以后的子系统和总成阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过程中可以更改。 模板建立以后，接下来是创建子系统，在子系统的级别上，可对已创建的零部件进行部分数据的修改。 最后是建立分析总成，产品设计人员可根据实际需要，将不同的 子系统组合成为完整的分析模型。 为了对整车进行仿真分析，还需要设置试验装配 (Test Rig)，试验装配的选择依赖仿真分析类型，如开环、闭环、准静态等。 装配完整车后，就可利用求解器进行仿真分析了。 根据分析的结果，使用后处理模块，可对其中的参数结果进行可视化分析，画出对应的变化曲线，得出系统的性能测试指标。 汽车是一个极其复杂的机械系统，如果按照车辆的真实构造进行建模，工作量非 常大，因此应根据研究目的简化模型，主要注意以下几种情况： ，其余元件全部看作刚体。 ，以便动态修改参数。 ，应用 ADAMS 提供的 SpringDamper 力元素，用它来模拟减振器和弹簧的作用，对实体建模进行了省略。 整车虚拟样机模型建立 本课题主要研究的是汽车操纵稳定性，所以在建模时对虚拟样机进行相应的抽象和简化。 根据人一车 — 路闭环系统的组成建立了虚拟样机的前后悬架系统模型、转向系统模型、轮胎模型、路面模型、车身以及驾驶员模型。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 9 悬架模型 悬架 把车架 (或车身 )与车桥 (或车轮 )弹性地连接起来。 其主要任务是传递作用在车轮和车架 (或车身 )之间的一切力和力矩，缓和由不平路面传递给车架 (或车身 )的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。 以前桥驱动车辆为研究对象，前悬架采用滑柱连杆式独立悬架 (即麦弗逊悬架 )。 悬架左右对称，经抽象简化后的结构如图 31所示，主要由减振器、螺旋弹簧、横摆臂、转向节总成、轮轴、 横向稳定杆等组成。 横摆臂内端与副车架通过转动铰链连接，使其可以相对车身上下摆动；外端通过球铰链与转向节相连。 减振器的下端通过圆柱铰链与转向节相连，使其相对转向节可以轴向转动和移动；另一端通过万向节铰链连接到车身上，可以相对车身做前后、左右的转动。 麦弗逊式悬架的主要优点是结构简单、布置紧凑，车轮跳动时沿主销轴线移动，因此降低了汽车的重心，提高了汽车的行驶稳定性。 图 31 前悬架模型 车辆后桥是一种非驱动的半刚性轴，并采用复合式悬架，即半刚性后轴一纵臂式悬架。 其结构比较简单 ，由双向筒式减振器、螺旋弹簧、后桥桥架组成，并通过悬架臂前端的橡胶金属支承和后减振器支承杆与车身相连。 纵向悬架臂做为纵向推力杆，天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 10 后桥横梁允许扭转变形，兼起横向稳定杆的作用。 简化后的后悬架结构模型如图 32所示。 图 32后悬架模型 转向系模型 转向系是驾驶员操纵汽车行驶方向的执行机构。 机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 根据转向器机构，可以分为循环球 — 齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、齿轮齿条式和蜗杆曲柄指销式等。 根据参考车辆结构，建模中采用齿轮齿条式转向机构。 转向系由方向盘、转向柱管、转向轴、转向横拉杆、转向齿轮和转向齿条等构成，如图 33所示。 方向盘与转向轴上端之间的连接为固定铰链，转向轴与车身之间的连接为转动铰链，转向轴上段和下段之问通过万向节连接，转向轴与转向齿条之间的连接为复合铰链，转向齿条通过移动副连接到车身上，可相对车身左右移动，转向横拉杆一端通过万向节铰与转向齿条连接，另一端通过球铰链与转向节总成连接。 轮胎模型 轮胎的影响对汽车的操纵稳定性至关重要，因为前后轮胎的侧偏刚度是影响汽车操纵稳定性的重要因素，前后轮胎侧偏刚度 的匹配，直接决定稳定性因数的大小，即决定汽车是具有不足转向或中性转向、还是过度转向。 因此，具有合适的轮胎模型是十分必要的。 在 ADAMS/Tire 中，存在着五种用于动力学仿真计算的轮胎模型，即缺省的 Fiala 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 11 模型、 UA（ University of Arizona）模型、 SMITHERS 模型、 DELFT 模型和用户自定义模型。 其中， Fiala 模型是 Fiala 于 1954 年由轮胎理论模型推导出来的无量纲解析式，该模型比较简单，但回正力矩误差较大，对于不包括联合滑动（纵向滑动和侧向滑动）情况的侧 向力计算精度尚可。 UA 模型是 1988 年由 Arizona 大学的 Nikravesh 和 Gim 等人研究开发的，其特点是各方向的力和力矩由耦合的侧偏角、滑移率，外倾角及垂直方向变形等参数显式表达，该模型考虑了纵向和侧向滑动的情况，比 Fiala 模型提供了更准确的回正力矩； SMITHERS 模型使用来自 Smithers Scientific Services 的数据计算侧向力和回正力矩，使用 Fiala 模型计算其余的力和力矩，该模型计算精度较高。 DELFT 模型又称 Magic Formula模型，是世界上著名 的轮胎模型，其函数表达式和数据格式与其他的轮胎模型不同，该模型所有的函数、公式只用正弦和余弦这两个三角函数来表达。 前两种轮胎模型属于解析模型，后三种轮胎模型属于试验模型， ADAMS 中轮胎类型见表 31。 图 33 转向系模型 表 31 ADAMS 轮胎类型 模型类型 轮胎类型 所需参数 应用范围 解析模型 Fiala 基本轮胎特性 操纵性分析，纯滑移 UA 基本轮胎特性 操纵性分析，复合滑移 用户自定义 用户设定 用户确定 试验模型 Smithers 轮胎试验获得的参数 操纵性分析，纯滑移 Delft 轮胎试验获得的参数 操纵性分析，复合滑移 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 12 图 34前后轮胎模型 本文采用的是 UA 轮胎模型，如图 34 所示，有关参数见表 32 表 32 轮胎参数 名称 参数 UNLOADED_ RADIUS（车轮自由半径）（ mm） 317 WIDTH（轮胎断面宽）（ mm） 195 ASPECT_RATIO（扁平率） VERTICAL_ STIFFNESS（径向刚度）（ N/mm） VERTICAL_DAMPING（径向阻尼系数） ROLLING_ RESISTANCE（滚动阻尼系数） CSLIP（纵向滑移刚度） 30000 CALPHA（侧偏角刚度）（ N/rad） 46000 CGAMMA（外倾角刚度）（ N/rad） 4000 UMIN（车轮纯滑动时的摩擦系数） UMAX（车轮无滑动时的摩擦系数） 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 13 传动系和发动机模 型的建立 进行操纵稳定性分析中，有些工况需要控制车速，包括加速、匀速行驶，为此需要在整个仿真过程中，控制发动机输出的扭矩，以维持汽车以一定的车速行驶。 本文模型为前轮驱动，加入了前置发动机模块。 由于发动机模块及制动系模块仅仅用于控制车速，本文采用了 ADAMS/CAR 数据库中内置的发动机及制动系模块；同时动力传递系统作进行相应简化，只考虑驱动半轴以后的动力传递，即驱动力矩直接加在驱动 半轴上。 车身模型的建立 由于在整个仿真过程中，不考虑空气动力学的因素，即忽略空气对车辆表面的作用，因此 对车辆外形不作要求，作为一个物体来处理。 虽然该模块简单，但是由于车身起到连接前后悬架、转向系等子系统的重要作用，因此建模时应注意车身与各个子系统之间正确的连接关系。 这样才能保证整车仿真的顺利进行。 整车系统模型的建立 将上述各种子系统模型在 ADAMS/Car 的 Standard 界面下进行装配连接，装配按照整车的绝对坐标来进行，得到整车的仿真模型。 此外，由于 ADAMS/Car 是模块化的， 以上建立的整车模型，必须能够保证与测试台的连接，以达到让不同系统（悬架子系统或整车系统）可以应用试 验台（ test rig）的目的。 因此，还要建立必要的装配部件（ mount part）和合适的块间通讯（ municator）。 整车模型如图 35 所示。 图 35 整车模型 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 14 本章小结 本章首先介绍了 ADAMS/Car 模块的相关知识，阐述了在 ADAMS/Car 模块里建立整车模型的思路。 分别建立了前后悬架、转向系、前后轮胎以及车身等各个子系统模型，再通过建立或修改 municator（信号交换器）将各个子系统组装成整车模型，为后边的整车仿真分析工作做好准备。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业论文 15 4 汽车操纵稳定性仿真分析 汽车操纵稳定性概述 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 操纵性是指车辆能够确切的响应驾驶员转向指令的能力，稳定性是指车辆在受到外界扰动（路面扰动或突然阵风扰动）影响后恢复原来运动状态的能力。 稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此统称操纵稳定性。 在操纵稳定性的研究中，汽车常被当作一个控制系统，通过求出曲线行驶时的时域响应和频率响应特性来表征汽车的操纵稳定性。 汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在方向。