基于多体动力学的整车建模与仿真分析研究

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近40年来,对车辆进行复杂高精度的系统建模仿真能力有了很大的提高,而多体动力学在机械系统的建模、结构设计和优化等方面给予了强大的理论工具和技术支持,并在车辆动力学上取得了广泛的应用。理论上,本文运用多体动力学递推算法详细推导了某整车多刚体系统模型动力学方程,进行动力学分析,对多体动力学用于建模和仿真分析方面进行了初步的研究;粘结算法是多体动力学研究中较新的一种方法,在前文基碛上,提出将递推算法和粘结算法相结合,对该车多体动力学系统进行拓扑解析、分解与粘结,实现了整车多体动力学系统的子系统分布式求解及仿真分析;同时进一步运用虚拟样机软件ADAMS/Car分别建立前悬架模块、后悬架模块、转向器、车身及动力总成模块后组装成整车系统,对该车操稳性和平顺性进行预测和分析以及优化了前悬架定位参数,研究ADAMS在汽车动力学性能分析和参数优化中的应用。首先在分析多体动力学建模方法的基础上,运用递推算法推导建立了某整车的多刚体系统模型,为了方便研究,对结构进行适当简化;在此基础上对整车进行了结构分析,得到了前后悬架共17个切断铰的约束方程,以及它们的雅可比、速度及加速度方程,之后递推组集获得了23个变量的系统动力学方程;建立了Magic Formula轮胎模型来模以计算轮胎与地面产生的力与力矩,并引入一阶松驰长度以考虑轮胎的瞬态特性;利用VIATLAB编写了整车多体动力学仿真程序,进行了包括整车加速、减速、脉冲输入及转向角阶跃仿真;对多体动力学粘结算法进行了系统的说明,实现了三摆机构的粘结求解,并对含有柔体部件的四杆机构进行了计算,验证了算法的正确性;最后给出了应用粘结算法对该车整车多体系统的子系统分布式仿真分析。结果表明利用多体动力学建模简单,精度较高,计算机容易实现,所建模型能够很好的反映整车的运动学及动力学特性,是研究汽车动力学的有效工具。其次,在虚拟样机仿真软件ADAMS/Car中建立了包含前后悬架、转向器、车身、动力总成和制动系统模块,得到了该车更为精确的整车多体动力学模型;对前轮定位参数进行了分析,对分析中出现的外倾角、前束角等定位参数设计不合理问题,运用ADAMS/Insight进行了优化研究。最后,对该车进行操稳性和平顺性分析,建立了用于平顺性分析的三维随机路面和三维脉冲路面;分析结果表明该车在操稳性上表现一般,有待提高和优化,而该车在随机输入和脉冲输入下的平顺性较好。
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