基于MATLAB的汽车道路模型研究论文Word文件下载.docx
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介绍了MATLAB/SIMULINK软件的主要模块和软件的理论基础,为后面的建模和仿真分析奠定了基础。
并在MATLAB平台下,利用滤波白噪声生成法重构时域路面不平度仿真模型,并考虑行驶速度对汽车振动的影响。
关键词:
随机路面MATLABADAMS道路模型
Abstract
Thevirtualprototypetechnologyisacomputertechnologythatappliedtomechanicalindustry,Whichafteranewcarsproducedvibrationperformancetestmethods.Buttheresultsofthevirtualprototypetechnologyexperiment,intraoperativedependentstronglyonthesimulationmodel,thatisestablishedbythetrueextent.Mostcurrentautovibrationanalysisvibrationsignal,usingrandomsignalsorfrequencyconversion.Althoughtheexcitationfrequencybandcanincludetheautomobileinherentfrequency,butexcitationletterNumbercannotreplacerealpavementvibrationcircumstances.
Thetidingcomfortisoneofthemostimportantperformancesofvehicle.Itcallinfluencenotonlythefeelingofpassengers,butalsothepreventionofcrashbyavoidingmakingthedrivertired.Soitispaidmoreandmoreemphasisgradually.Thetraditionalresearchmethodcan’tnotmatchthemodernrequirementofvehicle’sresearchanddevelopment.SoVirtualPrototypingTechnologyhasbeenappliedinmanyfieldsasanewindustrialtechnology.
Thisdissertationintroducestheconcept,evaluatingindicator,evaluationmethodandthepresentstatusofvehicletidingcomfortindetail.ThenthekeymodulesandthetheoreticalbasisofMATLABareintroduced,whichwillbeusedinthefollowingchapters.Thesetheoriesarethebaseofsubsequentmodelbuildingandsimulationanalysis.InMATLABflat,weusefilteringWhitenoisegeneratingmethod,thatcanreconstructroadroughnesssimulationmodeloftimedomain,andconsidertheroadSpeedontheinfluenceofautovibration.
Keywords:
randomroadMATLABADAMSroadmode
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1引言1
1.2汽车行驶平顺性研究的意义2
1.3汽车行驶平顺性研究的发展概况2
1.4汽车平顺性改进及仿真的研究概况4
1.5本文研究的主要内容4
2MATLAB/SIMULINK的软件理论基础6
2.1MATLAB软件简介6
2.1.1MATLAB软件特点6
2.1.2MATLAB软件优势6
2.1.3用户界面设计8
2.2SIMULINK软件简介8
2.2.1SIMULINK功能9
2.2.2SIMULINK软件特点9
2.3MATLAB/SIMULINK系统仿真10
2.4车辆道路组件模型库系统功能结构11
2.4.1组件模型库子系统11
2.4.2组件模型库开发与管理12
2.4.3模型研究子系统12
2.5组件模型库系统层次结构和组成12
2.5.1层次结构体系12
2.5.2模型库的组成12
2.6本章小结13
3路面不平度14
3.1路面不平度概述14
3.2路面不平度的表达方法14
3.3路面不平度表达式及分级参数15
3.4时间频率功率谱描述16
3.5路面随机不平度时域模型的建立17
3.5.1时域模型的描述方法17
3.5.2随机路面的滤波白噪声生成17
3.6本章小结18
4路面不平度功率谱密度和滤波白噪声生成法19
4.1路面不平度功率谱密度19
4.2滤波白噪声生成法19
4.3本章小结20
5在MATLAB中建立整车道路模型21
5.1车辆仿真道路模型的参数准备21
5.2车辆道路模型的建立22
5.3本章小结24
6仿真误差分析25
7MATLABGUI用户界面设计27
7.1GUI的特点27
7.2MATLABGUI27
8结论29
8.1总结29
8.2展望30
致谢31
参考文献32
附录34
A级路面不平度程序34
MATLABGUI界面设计主程序35
1绪论
1.1引言
当今计算机技术飞速发展,虚拟样机技术也应运而生,已经成为与物理样机实验同样重要的研究手段。
机械工程中又把虚拟样机技术称为多体机械系统动态仿真技术,其中最优秀的虚拟样机软件是由美国MDI公司开发的ADAMS,它是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件,可真实地仿真其运动过程,并且迅速地分析和比较多种参数方案,直接获得最优化的工作性能,从而大大减少了昂贵的物理样机制造的次数,提高产品设计质量,大幅度地缩短产品研制周期和费用。
路面不平度的研究相对于空气动力学和流体力学的研究有着一定的困难,因为路面不像空气和水对飞机和船舶那样均匀和连续,而是一个随机的过程,所以它不但是一个数学问题,更是一个工程化应用问题。
同时,一些关键的技术和方法也制约了路面不平度的研究,如快速傅里叶变化(FFT)直到1956年才由CooleyTukey完成,有关谱窗、泄露、误差等问题,国内在20世纪70年代还在讨论中。
路面不平度的研究和汽车行驶平顺性是紧密联系的,是汽车重要使用性能之一,其好坏不仅影响乘员的乘坐舒适性和货物的安全可靠运输,而且也影响着汽车多种使用性能的发挥和行驶系统的寿命。
随着高速公路的不断发展和车速的提高,汽车行驶平顺性日益显得重要,它是现代高速、高效率汽车的一个主要性能,如何改善汽车行驶平顺性,已成为设计者十分关注的问题,也是汽车在市场竞争中一项重要性能指标。
因此,提高汽车行驶平顺性已成为汽车设计和改型工作中的重要任务之一。
然而,汽车本身是一个复杂的多体系统集合,外界载荷的作用更加复杂多变,人、车、环境三位一体的相互作用,致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是个难题。
随着多刚体系统动力学的诞生和发展,机械系统运动学、动力学软件得到了迅速发展。
MATLAB软件采用虚拟样机模拟技术,它具有建模、分析、求解通用平台,因此上述问题迎刃而解。
基于MATLAB软件的仿真技术是数字化功能技术的重要体现,它改变了传统的物理样机为基础的设计,我们借助MATLAB软件可以在计算机上建立更加准确的整车模型,并对它进行平顺性仿真研究,这样可以大大降低费事费力的物理样机的制造和实验过程,从而缩短产品的开发周期,降低产品成本,提高经济效益。
1.2汽车行驶平顺性研究的意义
汽车行驶平顺性是汽车以常用车速行驶时保持乘员乘坐舒适度的能力,对于货车而言还是包括货物在运输过程中保持完好无损的性能。
随着生活水平的提高和生活节奏的加快,人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高。
引起汽车振动的原因有车辆系统本身的振动和路面的不平度,振动影响了乘员的舒适性、工作效能和身体健康。
行驶过程中要保证乘员舒适,到达目的地后要保证乘员能立即以充沛的精力投入到工作中去。
但是,目前的调查表明,60%以上的人乘车过程中有过难受、晕车甚至呕吐的经历,达到目的地后也不能立即投入到工作中去。
汽车行驶平顺性不仅使工作效率降低,还严重影响着人的身体健康,长期处于不舒适的振动环境中,不仅容易引起疲劳,心慌,还容易引发各种心脏疾病。
汽车的各种性能是相互影响的,汽车行驶平顺性也影响着其它性能的发挥。
在汽车行驶过程中,如果行驶平顺性太差,强烈振动产生的动载荷会冲击汽车的零部件,加速零部件的磨损,降低零部件的疲劳寿命。
汽车的强烈振动还会使车轮跳离路面,影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性。
为了减小汽车振动,驾驶员必须放慢车速,使运输效率降低。
汽车低速行驶又会导致燃油燃烧不充分,使燃油经济性变差,排放性能也变差。
如果不放慢车速,汽车的强烈振动不仅降低零部件的疲劳寿命,使乘员晕车、呕吐,还会使驾驶员疲惫、精力不集中,容易引发交通事故。
汽车振动的舒适程度,在保证驾驶员在长时间复杂的行驶和操纵条件下,对影响系统的操纵稳定性。
确保安全行驶是非常重要的。
由此可见改善汽车行驶平顺性意义重大。
1.3汽车行驶平顺性研究的发展概况
作为车辆行驶舒适度的关键性指标,国内外针对汽车平顺性的研究在近些年得到了长足的进步,与此同时,作为研究车辆行驶平顺性的主要研究手段,虚拟样机技术也得到了充分的发展。
然而,使用ADAMS的科研工作者在研究虚拟样机时,多将目光集中到虚拟样机本身的设计及性能的研究上,对虚拟样机运行的路面环境却研究较少,目前,尚未出现创建复杂三维路面模型的普适性方法。
国内外对反映路面不平度模型的研究主要经历了线性到非线性、频域到时域、数学模型到仿真输出的过程,具体到时域模型本身而言,其发展经历了单点到多点、单轮辙到双轮辙、二维到三维的发展历程。
我国对多点双轮辙时域模型的研究已较为深入,对三维随机路面模型的研究也取得了一定的成果,如徐延海提出了基于谐波叠加法的三维路面模型;
张永林提出了基于AR/ARMA方法的三维模型等,但三维路面的模型体系还有待进一步完善与深化。
以往对汽车平顺性的研究较多的是基于线性系统的假设,采用路面谱输入可直观而方便地建立系统响应的频域模型以获得平顺性分析计算结果,用频域研究路面谱的方法在车辆平顺性研究中发挥了很大作用。
而在研究汽车主动、半主动悬架设计及其系统控制等非线性问题时,用时域分析方法有利于导出良好的控制律。
借助路面输入(激励)的时域模型,可方便地在时域和频域内进行汽车平顺性动力学分析与研究,因而对路面时域不平度建模研究成为一项重要基础工作,国内外许多学者进行了大量研究。
在仿真研究中,如果使用的激励信号不合适,则会导致系统响应与实际偏差过大。
在现有的关于平顺性仿真研究和时域序列生成的文献资料中,除了生成方法困难外,几乎没有涉及到重构时域路面的正确性验证问题,致使构建的路面时域激励信号相差很大,形成的路面随机高程激励信号差异非常显著,该现象在理论和工程上都难以进行合理解决。
显然,时域模型在相同等级路面上产生的随机高程激励信号应该一致。
所以,在利用路面随机高程作为激励信号对车辆的振动进行仿真研究时,为保证仿真结果的真实可信,对于生成的路面随机高程需要进行验证。
根据随机路面的标准化功率谱,分析研究时域与频域描述的关系,借助MATLAB软件,寻求一种合理正确和简单的路面时域激励信号生成方法为车辆平顺性及其控制研究提供可靠的激励信号。
我们提出新型、方便、快捷的三维随机路面数学模型,创建适用于ADAMS的通用路面模型,并以车辆行驶平顺性特征为例实现三维路面环境中的虚拟样机仿真。
对平顺性的试验与研究工作,己经进行了半个多世纪的努力。
最早的研究文章发表于1935年,但平顺性研究工作取得较大进展还是在60年代后期。
在我国从70年代后期,随着对基础理论的深入研究,以及一些先进测试设备仪器的引进,汽车平顺性的试验工作取得了突飞猛进的发展。
1948年,Janeway提出承受振动的人体舒适性评价标准,认为影响人体舒适性的主要因素是在低频时为加加速度,中频时为加速度,高频时为速度。
并给出计算评价指标J值的计算公式,其J值在Janeway准则曲线之上时,振动将引起疲劳和极不舒适的感觉。
1961年,DEGoldman等人在试验和总结前人经验的基础上,提出人体在承受低频(0-100Hz)低振级振动时,可简化为具有刚度阻尼质量的集中系统,并指出该模型在3.6Hz时产生胸腹共振,20-30Hz时产生头.颈.肩共振,60.90Hz时产生眼球共振用。
1968年,Pradko等人的试验结果表明,在0-60Hz内输入力为0-320N,身体变形为0-10.16mm时,人体可近似被看作是一线性系统,并由此提出了吸收功率法嗍。
1972年,德国米奇克提出用座椅垂直加速度的均方根值和整车纵向加速度的均方根值,评价汽车的平顺性。
但是这种方法只考虑了汽车本身的振动,而没有考虑承受振动的人的因素
60年代,国际标准化组织(ISO)开始着手制定“人体承受全身振动的评价指南”并于1974年颁布了1802631-1974(E)国际标准,修改后分别于1978年、1985年重新颁布,1985年重新颁布。
1997年西安公路交通大学张玉芳等利用模糊数学评价各因素对汽车平顺性的影响的研究,试验结果表明:
对乘坐舒适性影响最大的因素是振动,其次是上下颠簸,余下依次为噪音、前后摇尾、左右摇摆。
因此,对汽车设计者来讲,应设法降低车辆振动,而对道路设计者和管理者而言,应减小及改善道路的纵向不平整度,这样才有利于乘坐舒适性。
1.4汽车平顺性改进及仿真的研究概况
八十年代初,有关改进汽车平顺性的研究工作也取得了相当的进展,包括:
汽车结构动力学模型及平顺性计算机模拟的研究,汽车座椅振动特性及其改进的研究,汽车悬架系统的结构分析与改进的研究。
1976年长春汽车研究所郭孔辉曾就如何改善汽车平顺性对单输入2自由度汽车系统定性地探讨了如何选择悬挂参数的问题。
1978年武汉工学院提出了汽车9个自由度振动模型,并在电子计算机上模拟四个车轮上随机输入预测车身上加速度响应。
八十年代对汽车座椅的试验分析工作,说明座椅是影响汽车平顺性的重要因素。
清华大学、长春汽车研究所进行了许多有关座椅传递特性、人一椅系统动态参数识别、座椅特性与汽车底盘振动特性的合理匹配等方面的研究。
1.5本文研究的主要内容
汽车虚拟样机技术,是计算机技术应用到机械行业中来以后产生的一种新的汽车振动性能实验方法。
在MATLAB平台下,利用滤波白噪声生成法能重构时域路面不平度仿真模型,并考虑行驶速度对汽车振动的影响。
本文根据随机路面的标准化功率谱,分析研究时域与频域描述的关系,借助MATLAB软件,寻求一种合理正确和简单的路面时域激励信号生成方法,为车辆平顺性及其控制研究提供可靠的激励信号。
2MATLAB/SIMULINK的软件理论基础
2.1MATLAB软件简介
MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
2.1.1MATLAB软件特点
(1)高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来;
(2)具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;
(3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌握;
(4)功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等),为用户提供了大量方便实用的处理工具.
2.1.2MATLAB软件优势
(1)友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成。
这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件,其中许多工具采用的是图形用户界面。
包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB的用户界面也越来越精致,更加接近Windows的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。
而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。
简单的编程环境提供了比较完备的调试系统,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
(2)简单易用的程序语言
MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言,它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。
用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步,也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。
新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的,因此语法特征与C++语言极为相似,而且更加简单,更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。
使之更利于非计算机专业的科技人员使用。
而且这种语言可移植性好、可拓展性极强,这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
(3)强大的科学计算机数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数,可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果,而前经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下,可以用它来代替底层编程语言,如C和C++。
在计算要求相同的情况下,使用MATLAB的编程工作量会大大减少。
MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵,特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。
函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
(4)出色的图形处理功能
MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能,以将向量和矩阵用图形表现出来,并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。
可用于科学计算和工程绘图。
新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善,而且对于一些其他软件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等),MATLAB同样表现了出色的处理能力。
同时对一些特殊的可视化要求,例如图形对话等,MATLAB也有相应的功能函数,保证了用户不同层次的要求。
另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面(GUI)的制作上作了很大的改善,对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
(5)应用广泛的模块集合工具箱
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。
一般来说,它们都是由特定领域的专家开发的,用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。
目前,MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域,诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等,都在工具箱(Toolbox)家族中有了自己的一席之地。
(6)实用的程序接口和发布平台
新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库,将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。
允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。
另外,MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。
MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。
工具箱是MATLAB函数的子程序库,每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的,主要包括信号处理、控制系统、
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