车辆行驶动力学的研究现状

车辆行驶动力学研究现状姓名：赵方班级：研1002班学号：2010020038指导老师：林慕义完成日期：2010年12月27日I目录前言..................................................................................................................................................2汽车行驶动力学的研究现状...........................................................................................................3一、国内外研究现状...............................................................................................................31、路面对汽车激励建模研究的现状.............................................................................32、汽车振动模型建模研究的现状.................................................................................43、汽车行驶平顺性仿真求解方法的研究现状.............................................................44、虚拟激励法的研究现状.............................................................................................5二、行驶动力学的新发展.......................................................................................................61、车辆行驶平顺性评价.................................................................................................62、车辆非平稳行驶动力学研究方法.............................................................................73、联合仿真.....................................................................................................................8三、存在的问题.......................................................................................................................9四、今后努力的方向.............................................................................................................10总结................................................................................................................................................12参考文献.........................................................................................................................................132前言行驶动力学研究中的首要问题是建立考虑悬架特性在内的汽车动力学模型。在汽车理论中常用汽车的平顺性作为行驶动力学的主要评价性能。按照GB/T4971-1985《汽车平顺性名词术语和定义》，汽车平顺性是指避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击使人感到不舒适、疲劳甚至损害健康，或使货物损坏的性能[2]。车辆动力学的系统研究始于50年代，随着计算机技术的发展和随机振动理论的应用使车辆行驶动力学得到迅速发展。80年代初，国际上成立了车辆系统动力学学会，总部设在荷兰，定期出版刊物和举行学术会议，发表大量最新研究成果，使汽车动力学的研究发展到一个崭新的阶段。有代表性的著作是德国Mitschke.E.M(1963)，Packeja.H.B(1976)，Willermeit.H.P(1980)所著的汽车动力学，美国GillespieT.D(1992)的汽车动力学基础。Mitschke教授在其著作中详细论述了汽车的驱动、制动、操纵稳定性和车辆的振动，该著作在80年代初译成中文，在我国汽车动力学研究中产生重要影响，其中90年代出版的汽车动力学(B卷)对汽车行驶动力学进行了全面的论述。我国郭孔辉院士是国内最早开始应用随机振动理论研究汽车行驶动力学，并在国际上产生重要影响。国内有代表性的著作是张洪欣教授的汽车系统动力学，DaveCrolla，喻凡教授所著的车辆系统动力学及其控制，喻凡教授和林逸教授所著的汽车系统动力学。随着系统动学软件ADAMS、MEDYNA、DADS、SIMPACK等软件的问世加速了汽车动力学的发展，并在汽车的研发过程中得到广泛的应用，对于提高车辆的行驶性能、安全性能和可靠性发挥了重要作用。车辆行驶动力学主要研究路面激励模型和特性、车辆行驶动力学模型及其动态特性、结构和使用参数对动态响应的影响及其参数优化，动态响应的控制问题以及响应指标的评价，即车辆行驶平顺性评价。3汽车行驶动力学的研究现状车辆行驶动力学(VehicleRideDynamics)是车辆系统动力学的一个重要方面，主要研究车辆行驶时，在随机不平路面的激励下整车及部件的动力学问题，是提高汽车行驶平顺性、安全性和零部件可靠性的重要理论基础。研究内容包括路面激励的时域、频域模型及其特性、整车模型建立，悬架系统部件模型和特性，如减震器、弹簧、橡胶连接件特性、车体弹性，整车及部件的多体动力学问题，汽车驶时的NVH(NoiseVibrationHarshness)特性及其控制问题[1]。一、国内外研究现状随着多体系统动力学的发展和计算机软硬件技术的进步，在对汽车动力学的研究中可以用更复杂的数学模型表示，计算机可以高速地进行模拟仿真运算[2]。20世纪50年代后，仿真技术开始发展，并被逐渐引入到汽车振动研究领域。到20世纪70年代，汽车动态仿真技术已在国外得到普及，产生了不同复杂程度的汽车模型。汽车动态仿真的方法可以分为两大类:多体参数法和集中参数法。但是无论应用哪一种方法进行汽车行驶平顺性分析，都必须建立合理正确的汽车振动的力学模型[8]。1、路面对汽车激励建模研究的现状大量的测量分析结果发现，路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性。因此，可以用平稳随机过程理论分析与描述，常用道路垂直纵断面与道路表面的交线作为路面不平度的样本，由样本方差或功率谱密度作为样本的统计特征。对于路面不平度的研究，各国学者提出了不同形式的频域模型，即路面功率谱密度表达式。它有两种表达形式:幂函数和有理数形式，两者具有等价性，在建立汽车路面激励模型方面得到广泛应用。路面激励的频域模型首先用于汽车单轮力学模型，即此时的汽车路面激励的功率谱密度就是路面不平度的时间功率谱密度。由十前后车轮的路面激励只存在因汽车的轴距和行驶车速产生的时间延迟，因此，由前后车轮的滞后关系，可以建立1/2汽车两轴或多轴的路面激励频域模型。由于汽车左右车轮的实际输入并不完全相同，两者之间的统计特性需要用互功率谱密度或相干函数来描述。在基4于左右轮迹的统计特性相同，且相位谱等于零的假设，建立了前后轮距相等的路面对四轮汽车激励的功率谱密度矩阵。在四轮路面激励的模型基础上，出现了单一双一单六轮激励模型，其中，将双轮的路面激励取其平均作为一个单轮路面激励，在四轮路面激励频域模型基础上，建立了单一双一单六轮输入功率谱密度矩阵，并导出一些特殊的六轮路面激励功率谱密度矩阵，为研究更多轴的整车路面激励模型奠定了理论基础。至今，路面对汽车激励的频域研究，在平稳随机过程领域已经非常成熟，并得到了广泛的应用，但是在非平稳随机过程领域还有待深入研究。由于现代汽车技术需要对汽车结构系统进行非线性或祸合动力学分析，此时，时域方法是最基本的分析方法，时域方法有利于导出良好的控制律[8]。2、汽车振动模型建模研究的现状在产品的设计初期，详细地给出汽车各部件的详细特征是不太可能的，因此，在产品开发设计阶段，基于集中参数法对汽车进行相应的简化，建立描述汽车真实运动的不同仿真模型仍旧是很常用的方法。现在经常使用的基于集中参数法的汽车结构系统振动的力学模型可分为三类:1/4汽车模型、1/2汽车模型和空间整车模型。进行汽车振动分析，不仅要建立能够反映汽车结构系统振动的力学模型，更要建立其数学模型，以便求解数学模型得到反映振动特征的响应量。建立汽车结构系统振动的数学模型一般有两种方法，一是基于Lagrange方法和Kane方法的分析力学方法，二是基于牛顿一欧拉方法的综合法。不少学者再探讨既能手工组装又能程序实现建立汽车结构系统振动数学模型的方法。根据传统方法的一般理论，用直接方法找出其存在的规律性，建立了振动数学模型的各系数矩阵。但是，这种方法仅能用于弹簧串的模型，只有在弹簧两端均是质量块的结构，才能用直接方法去组装各系数矩阵。在汽车振动分析中，这种方法只能适用于1/4汽车模型，对于1/2或空间整车模型，这种方法就不再适用了[8]。3、汽车行驶平顺性仿真求解方法的研究现状由于汽车行驶的平顺性要在频域内完成评价，因此，对数学模型最直接的求5解方法就是频域方法。傅里叶方法，是在频域内求取汽车振动响应量统计特性常用的方法，采用傅里叶变换作为数学工具进行频域分析。为得到汽车振动响应量的统计特性，必须给出系统、振动响应量与路面激励之间的频率响应，才能得到振动响应量的功率谱密度。应用傅里叶方法求取汽车振动响应统计特性的方法已经很成熟，但频域方法只适用于汽车结构系统是线性系统，且受到的路面激励是平稳随机过程的情况，复模态法在汽车振动分析应用很多，引入由位移和速度组成的状态向量，将振动平衡方程转化为状态方程，求出结构系统的复模态频率和复模态向量后，对状态向量用复模态坐标进行变换，并利用复模态的正交性，将状态方程在复特征向量所张成的二维复共扼空间解耦，求出解耦后的方程的解，再将这个复模态坐标中的解变换为物理坐标中的解。但是，在非比例粘性阻尼条件下，模态坐标下的振动平衡方程不满足对角化条件，这时或者需要寻求优化解耦方法，或者需要忽略模态阻尼矩阵的非对角化条件，同时，一般取前几阶振型叠加，均降低了方法的精确性。因此，尽管这些方法已存在较长时间，但计算量、精度、收敛性及稳定性等因素束缚了这些方法的应用。由于要研究汽车其它的性能及其用行驶平顺性的评价指标进行悬架的优化，必须要建立汽车结构系统振动的时域求解方法。由于一般的结构系统自由度数目很多，很难获得结构系统的数学模型解析解，因此，时域数值方法便成为研究的热点。求解多体系统动力学的数学模型的常用时域数值方法有中心差分法、Newmark-β法、Wilson-θ法、Runge-Kuta法和直接积分法等。对于结构模型简单但精度要求不太高时，应用上述数值方法就可以，但对于复杂且精度很