基于虚拟技术的汽车操纵稳定性试验仿真分析毕业设计文档格式.docx
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首先,论文比较详细的总结了汽车操纵稳定性研究的发展和现状,从不同角度对汽车操纵稳定性的研究和评价方法进行详细分类。
介绍了论文将要使用的ADAMS软件的主要模块和软件的理论基础。
为下面的建模和仿真分析建立了理论基础。
其次,根据汽车操纵稳定性试验分析的要求和特点,参照某款国产车的结构参数,利用ADMAS/Car软件建立相对简化的汽车整车三维参数化实体结构模型,包括前后悬架系统、转向系统、轮胎及车身等结构,完成虚拟样机建模。
最后,依据汽车操纵稳定性试验方法国家标准的要求分别进行为蛇行试验、转向盘转角阶跃输入、转向盘转角脉冲输入和转向轻便性实验。
根据汽车操纵稳定性指标限值与评价方法,对汽车的操纵稳定性进行评价。
研究汽车结构参数对整车操纵稳定性影响的相关规律。
整个研究过程以虚拟样机技术为核心,实现了在计算机上对整车的操纵稳定性的仿真研究。
该研究对在车辆产品开发设计过程中改进汽车的性能、提高汽车的主动安全性、降低开发和制造成本及缩短产品开发周期有着一定的现实意义。
关键词:
操纵稳定性;
仿真试验;
整车模型;
ADAMS/Car
ABSTRCT
Vehiclehandlingandstabilityistoacceptthedriverwhenthecarismovingandtheabilitytocontrolthestabilityofdrivingdirectioncapabilities.Thispaperisfocusedontheuseofvirtualprototypetechnologybuildactualvehicledynamicsmodel,thevehicleupbasedonthevehiclesteeringstabilityonthestandardtestcontrolstabilitysimulation
First,thispapersummarizesthedevelopmentstageandpresentstatusofvehiclehandlingstability。
Thethesisclassifiestheestimationmethodsfromdifferentaspects.Then;
thekeymodulesandtheabstractfoundationofADAMSareintroducedthatwillbeusedinthefollowingchapters.Thesetheoriesarethebaseofthesubsequentmodelbuildingandsimulationanalysis.
Second,torealizethevirtualdevelopmentofautomobileproducts,avirtualcarmodelwasbuiltforacertaindomesticpassengercarbythemeansofADAMS,inwhichfrontandrealsuspensions,steeringsystem,tires,roadandthevehiclebodyareconsidered.
Finally,configurationsundertypicalworkingcondition(steadystaticcirculartest,steeringtransientresponsetestandpyloncourseslalomtest)wasperformed.AccordingtotheNationalEvaluationIndexandEvaluationMethodontheVehicleHandlingandStability,therelationshipofparametersandevaluationindexwasdiscussed.
Thewholeresearchconcentratedontheexplorationandapplicationofvirtualprototypingtechnology.Throughfurtherstudy,therelationbetweenevaluationindexandvehiclestructuralparameterswouldbegained.Thus,vehicledynamiccharacteristicscanbeimprovedandthesafetyofvehicleCanbeenhanced.
KEYWORDS:
Handlingstability;
Simulationtrial;
Vehiclemodel;
ADAMS/Car
1绪论
1.1汽车操纵稳定性研究的发展与现状
操纵稳定性是汽车的一种运动性能这种性能通过驾驶员在一定路面和环境下的操纵反映出来。
通常认为汽车的操纵稳定性包含相互联系的两个部分:
一是操纵性,二是稳定性。
操纵性是指汽车能够确切的响应驾驶员转向指令的能力。
稳定性是指汽车受到外界扰动(路面扰动和突然阵风扰动)后恢复原来运动状态的能力。
两者很难断然分开,稳定性好坏直接影响操纵性好坏,因此通常称为操纵稳定性。
汽车的操纵稳定性是影响汽车主动安全性的重要性能之一。
因此,如何研究和评价汽车的操纵稳定性,以获得良好的汽车主动安全性一直是关于汽车的最重要的课题,工程师们在这个领域的不断探索使人们对汽车操纵稳定性的研究越来越深入。
有关车辆转向的动力学思想始于二十世纪初期,以人们对汽车转向时轮胎侧向力及产生侧向力的轮胎侧偏角的认识为标志。
通常认为是法国工程师乔治·
布劳海特在1925年发现了轮胎侧偏现象。
1935年,Evans给出了有关轮胎力学特性较为深入的结果,包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。
在随后的几年里,汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念,如不足转向、过度转向、临界车速等已为汽车工程师所熟悉。
在三十年代后期,比较有效的描述汽车稳态转向的数学模型在实际中得到应用。
随后,人们的注意力开始转向汽车的动态特性。
大约经过三十年的时间,在汽车瞬态响应的分析方面才取得了显著的成绩。
在六十年代前的研究主要是操纵稳定性的开环研究,并取得了许多研究成果,详细讨论了汽车的不足转向与过多转向的特性;
分析了保持汽车的行驶方向稳定性条件是临界车速必须大于汽车最高车速等。
其应用的基础是经典控制理论,依据汽车的稳态和瞬态分析,使用不足—过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性,来对汽车的操纵性进行评价。
七十年代初期,EVS研究计划开始实施,促使人们去研究实用的操纵性设计方法。
鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度的水平,各国研究人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵性的评价方法。
依据大量的试验与理论分析,首先出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限,对操纵进行客观评价(ObjectiveEvaluation)。
七十年代中后期以后,开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉,进行主观评价(SubjectiveEvaluation)。
主观评价方法虽然没有经过理论推导,但是由于考虑了驾驶员因素和道路环境的特点,在一定程度上体现了闭环设计的思想。
八十年代以来,人们从理论和试验两个方面着手,重新开始深入地研究驾驶员—汽车—道路闭环系统。
在理论方面,充分地考虑到人的学习性和适应性,建立了许多确定性驾驶员方向控制模型,有效地仿真了驾驶员—汽车—道路闭环系统对给定路径的跟随过程。
在试验方面,考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求,以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用,并受到自然条件限制等缺陷,研制了各种驾驶模拟器。
这些模拟器采用先进的实时仿真、数字成像、液压控制等技术,将真实的驾驶员与模型化的汽车相结合,通过室内计算机仿真代替场地试验,缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。
国内,汽车专家郭孔辉教授在驾驶员模型、驾驶员—汽车—道路闭环系统特性及其闭环综合评价方面作了大量的研究工作。
他在考虑了影响汽车操纵性的诸多因素的基础上,提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标(轨道、侧向加速度、转向盘角速度、前后轮侧向力系数、路感),并且应用频域统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与设计方法,便于工程应用。
1.2操纵稳定性的评价方法
目前,对操纵稳定性的研究和评价主要从以下三个方面进行。
(1)通过试验,测量开环和闭环条件下汽车的主要运动量,研究汽车及人—车闭环系统的特性,并对此进行研究和评价;
(2)通过试验中驾驶员的主观感觉,对汽车的特性进行研究和评价;
基于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究;
(3)通过汽车动力学模型和人—车闭环系统模型,从理论上来研究和评价汽车的操纵稳定性。
从理论与试验的角度可以分为:
1.理论分析和动态仿真研究,在开环或闭环条件下评价车辆的操纵稳定性;
2.试验研究,包括客观评价和驾驶员的主观评价。
1.2.1开环和闭环评价
第一类方法是在开环和闭环条件下的评价。
把汽车本身看作一个系统,按照对控制系统操纵性、稳态品质和瞬态响应特性的一般性要求,来分析和和研究汽车运动特性的方法称为开环方法。
这种方法是把操纵稳定,作为汽车自身的性能,是一种不包括驾驶员特性的汽车性能可以按图1-1的系统进行研究和评价。
开环方法所应用的基础是经典控制理论,依据汽车的稳态和瞬态分析,使用不足、过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性,来对汽车的操纵性进行评价。
但是开环方法很难直接在实际中应用。
输入输出
图1-1开环系统
事实上,汽车的性能是通过人的操纵来实现的,因此,为更全面彻底地研究和评价汽车的操纵稳定性,就应考虑到驾驶员特性与汽车特性的配合问题,如图1-2所示。
即把汽车作为驾驶员—汽车闭环系统的被控环节,根据整个系统特性的分析和综合,汽车的操纵稳定性进行研究和评价,这种方法称为闭环方法。
图1-2人—车闭环系统
1.2.2客观评价和主观评价
汽车操纵稳定性评价的另一类方法是客观评价和主观评价。
客观评价就是通过实车试验测试一些与操纵稳定性有关的汽车运动量(如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等),然后与相应的标准比较;
主观评价则是驾驶员根据任务要求操纵汽车时,依据对操纵动作难易程度的感觉来评价汽车操纵稳定性。
显然,客观评价是一种定量评价,若评价指标能够确定的话,则无需进行主观评价。
但是,由于汽车的操纵稳定性受多种因素影响,其客观评价指标很难确定。
因此,主观评价在汽车操纵稳定性的评价中一直占重要地位。
另外,由于汽车是由人来驾驶的,因此主观感觉评价法始终是操纵稳定性的最终评价方法。
譬如客观评价中采用的物理量是否可以表征操纵稳定性,就取决于用这些物理量评价性能的结果与主观感觉评价是否一致。
熟练的试验驾驶员在进行主观评价试验时,还能检测仪器所不能检测出来的现象。
较为常见的是先由人的感觉发现问题,然后用仪器来进行计测。
主观评价的缺点之一是,受到评价者个人主观因素的影响,不同评价者可能给出差别较大的评价结果。
其另一点是,一般情况下,它不能给出“汽车性能”与“汽车结构”二者之间有何种联系的。
1.3课题的意义和研究内容
汽车的操纵稳定性是关系到汽车行驶安全的重要因素之一,研究操纵稳定性的目的在于改善汽车的运动性能,减少由此引发的交通事故。
对操纵稳定性的研究通常采用试验方法和仿真分析的方法。
由于仿真分析需要的时间短,可重复进行,对各种方案可以进行快速优化对比,并且可实现试验条件下不能进行的严酷工况分析,因此被日益广泛采用。
以多体系统动力学为理论基础,应用动力学仿真软件ADAMS,建立整车系统的数学模型,进行虚拟样机设计和仿真,这项技术对于加快新产品开发进程,降低开发费用,提高产品性能和可靠性具有实际的应用价值。
课题紧密围绕产品虚拟设计的这一主题思想,运用先进的软硬件平台,建立有代表性的汽车整车虚拟样机,然后在计算机上完成对汽车操纵稳定性的仿真分析,使汽车开发设计过程中对汽车操纵稳定性能分析和校核工作尽可能多的转移到虚拟平台上,从而减少物理样机的试制次数,减少场地试验和经验设计的工作量,其本质和最终目的是要缩短产品的开发周期,降低开发费用,增强产品的竞争力。
本文主要研究内容包括以下两个方面:
1.根据汽车操纵稳定性试验分析的要求和特点,参照某款实车的结构参数,利用ADAMS/Car软件建立相对简化的汽车整车多体仿真模型,包括前后悬架系统、转向系统、轮胎及车身等结构。
从而将虚拟样机技术引入到汽车性能研究领域。
2.按照GB/T6323-1994《汽车操纵稳定性试验方法》的详细规定对整车仿真模型进行蛇行、转向瞬态响应(转向盘转角阶跃输入)、转向瞬态响应(转向盘转角脉冲输入)、转向轻便性等四个试验仿真,并按照QC/T480—1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》的相关规定对整车的操纵稳定性进行评价计分。
2动力学软件ADAMS的概述
2.1ADAMS软件及其核心模块介绍
ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),即机械系统动力学自动化分析软件包)是由美国机械动力公司开发的。
由于该软件使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论的Langrage方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
ADAMS软件功能概述如下:
(1)可有效地分析三维机构的运动与力。
例如可以利用ADAMS来模拟作用在轮胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩;
还可应用ADAMS进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。
(2)利用ADAMS可模拟大位移的系统。
ADAMS很容易处理这种模型的非线性方程,而且可进行线性近似。
(3)可分析运动学静定(对于非完整的约束或速度约束一般情况的零自由度)系统。
(4)对于一个或多个自由度机构,ADAMS可完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析。
(5)有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。
ADAMS提供了多种可选模块,核心软件包包括交互式图形环境ADAMS/VIEW和ADAMS/SOLVER(仿真求解器),以及其他的扩展模块,如ADAMS/CAR,ADAMS/CONTROL,ADAMS/TIRE等模块。
ADAMS/VIEW是ADAMS系列产品的交互式图形环境,它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库,将便捷的图表操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x—Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。
ADAMS/VIEW采用简单的分层方式完成建模工作,提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库,并且支持布尔运算,采用Parasolid作为实体建模的内核,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中所有函数。
ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统),提供了相对任意参考坐标系方便定位的功能,从而大大提高了快速建模能力。
在ADAMS/View中,用户利用Tabledebtor,可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据:
同时还提供了PlotBrowser和FunctionBuilder工具包;
具有DS(设计研究)、DOE(试验设计)、OPTIMIZE(优化)功能,可使用户方便地进行优化工作。
ADAMS/SOLVER是ADAMS软件的核心。
它采用多刚体动力学理论中的Langrage方程的方法,自动形成机械系统模型的动力学方程,提供静力学、运动学和动力学的解算结果。
ADAMS/SOLVER有各种建模和求解选项,以便精确有效地解决各种工程问题。
ADAMS的计算程序应用了Gear的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术,大大提高了计算效率。
ADAMS/SOLVER可以对刚体和弹性体进行仿真研究,为了进行有限元分析和控制研究,用户除了要求输出位移、速度、加速度和外力,还要求模块输出用户自己定义的数据。
用户可以通过运动副、随机运动、用户自己定义的子程序等添加不同的约束。
ADAMS/PostProcessor(专用后处理模块)。
MDI公司为提高ADAMS仿真结果的处理能力而开发的模块,主要用来输出高性能的动画和各种数据曲线,使用户可以方便而快捷地观察、研究ADAMS仿真结果。
该模块既可以在ADAMS/View环境中运行,也可以脱离ADAMS环境独立运行。
当该模块独立运行时,能提高软件的启动速度、减少内存消耗。
该模块的主要特点如下:
快速高质量的动画演示;
功能丰富的数据作图、数据处理及文件输出;
具有层次清晰的数据结构;
多窗口画面显示;
多视窗动画与曲线结果同步显示;
丰富的后处理功能:
曲线的加减乘除,偏置,缩放,FFT变换、滤波、波特图等:
间隙研究。
ADAMS/Car(轿车模块)。
ADAMS/Car是MDI公司与Audi,BMW,Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包,集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验,利用该模块,工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机(包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等)并进行仿真,通过高速动画直观地显示在各种试验工况下(例如天气、道路状况、驾驶员经验)整车动力学响应,并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数,从而减少对物理样机的依赖,而仿真时间只是物理样机试验的几分之一。
ADAMS/car采用的用户化界面是根据汽车设计师的习惯而专门设计的,设计师不必经过任何专业培训,就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作。
ADAMS/Car中包括整车动力学软件包(VehicleDynamics),悬架设计软件包(SuspensionDesign)以及概念化悬架设计模块(CSM)。
ADAMS/Tire(轮胎模块)。
ADAMS/Tire是研究轮胎/道路相互作用的建模可选模块包。
利用该模块工程师可以更方便地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面不平而产生的力,进行装备不同轮胎的整车在各种路面条件下的多组道路试验。
利用该模块,可以计算轮胎为克服滚动阻力而受到的垂向、纵向和侧向载荷;
仿真研究车辆在制动、转向、加速、滑行、滑移等大变形工况下的动力学特性;
与ADAMS/Car模块结合,研究车辆的稳定性,计算汽车的偏转、俯仰和侧倾特性;
其输出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Delft-Tire(Pacejka96)轮胎模型,应用荷兰Delft工业大学Pacejka教授提出的MagicFormula理论开发的Pacejka89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。
2.2ADMAS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。
2.3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。
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(StandardInterface)和模板建模器(TemplateBuilder)。
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
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