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汽车悬架系统仿真分析开发平台的构建

陆建辉  
【摘要】:悬架系统是汽车重要的总成之一,其性能直接影响到汽车平顺性、操纵性和安全性。路面不平度是汽车行驶时最主要的激励之一,对汽车的行驶性能有着直接的影响。在用车辆模型模拟实际驾驶条件下车辆性能的仿真分析中,如何获取车辆行驶的路面信息,准确地反映实际路面,建立合理的路面输入模型,在软件中真实地再现三维虚拟道路模型就成为仿真分析的关键。悬架系统集成开发涉及到试验、数据库、CAD/CAE、多体系统运动学和动力学、优化算法以及软件开发等多个学科和技术领域,是一项复杂的系统工程。为提高悬架系统的设计质量、缩短开发周期、降低开发成本,本文针对悬架系统开发的关键技术进行了研究。以建立悬架仿真分析与开发平台为目标,主要开展了以下几个方面的研究工作:平台的悬架运动学分析系统集成了麦弗逊和双横臂两种常用悬架,系统的快速参数化设计模块可实现悬架前轮外倾角与前束角的匹配设计,悬架运动仿真模型的结构参数、几何参数和车轮定位参数的修改;系统的运动学仿真分析模块通过调用RecurDyn求解器来获取仿真分析结果,通过集成开源ZedGraph控件实现仿真结果的输出查看,对比ADAMS的仿真结果表明系统是正确的;以前轮定位参数的变化量最小、车轮侧向滑移量最小为目标,采用遗传算法构建了系统的悬架结构参数优化模块,通过对比初始设计与优化设计的仿真结果,验证了优化方法的有效性。分析结果显示,麦弗逊前悬架摆臂前后点坐标的变化,对前轮定位参数及车轮接地点滑移量随车轮跳动量的变化曲线都有影响。基于二自由主副弹簧悬架动力学模型,构建了二自由度主副弹簧悬架动力学分析系统;系统可实现模型主要设计参数的修改及基于谐波叠加法各种标准等级时域路面不平度的模拟生成;系统的结构参数优化模块以整个载荷范围内悬挂质量加速度均方根值最小为目标函数,可对悬架的阻尼系数、主副弹簧刚度比和临界载荷比进行优化。实例验证结果显示,该方法相对比例中项法和平均载荷法效果更好。通过研究AR数学模型,对比分析了 L-D和Burg两种模型参数估计算法,研究结果显示在对时间序列的AR模型进行参数估计时,两种算法效果基本相同,但Burg算法整体精度好于L-D算法;通过研究二维AR模型的参数估计算法,使用将双自变量路面不平度AR模型转换为两个单自变量AR模型的方法,以及在μ和v两个方向上先后进行两次一维低通滤波分离出二维低频信号,简化了路面二维AR模型的重构;基于AR模型所构建的路面不平度重构系统采用小波分析的方法对实测数据进行去噪、滤波处理,可输出RecurDyn和ADAMS两种应用软件的路面文件。基于少片钢板弹簧动力学模型等效模拟多片模型的思想,采用离散梁法在RecurDyn中建立了钢板弹簧多体动力学模型;在弹簧片间定义的三向力采用用户定义子程序的方法,可有效模拟弹簧片间的接触力,使得模型能够有效兼顾板簧的刚度特性和迟滞特性;DOE分析表明,梁单元厚度系数T、弹性模量E、剪切模量G和阻尼比ξ对板簧模型特性的影响效果较为显著;基于遗传优化算法,开发了板簧模型参数辨识系统,可对模型的参数进行有效辨识,使得模型能够较真实的反映钢板弹簧的实际特性;对比研究了元模型和遗传算法两种优化方法,结果表明元模型方法的优化效率较高,但在获得更好的优化结果方面遗传算法比元模型方法要好。进行了某厢式货车整车平顺性试验,并在RecurDyn中,建立了包含前悬架、后悬架、驾驶室等子系统的该厢式货车的整车动力学模型,仿真结果与实车试验结果表明模型与实车性能相符;采用DOE方法分析了悬架参数及驾驶室悬置参数对平顺性的影响,为平顺性优化时变量范围的选取提供了依据;选择前、后悬架刚度、前减震器阻尼、驾驶室悬置刚度和阻尼为设计变量,以驾驶员脚部地板处总加权加速度均方根值为目标函数,对整车平顺性进行了优化;为方便整车仿真结果的查看和平顺性参数优化,开发了由仿真分析与参数优化两个功能模块组成的厢式货车平顺性分析系统。从体系结构的定义出发,提出了悬架系统仿真分析开发平台的系统体系结构,划分了平台的功能模块;提出了基于数据库的悬架系统集成产品模型方法来保证平台数据的一致性,建立了相应组织模型和产品模型;详细论述了平台中遗传算法的集成方法,提出了遗传算法在与多体动力学软件集成需要满足三个必要条件,对比研究了五种多体系统动力学优化算法。


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