0 前言
汽车工业是我国经济快速发展的支柱产业,汽车的乘坐舒适性以及操纵稳定性是汽车产品竞争的重要指标,也是车辆动力学研究的重点。许多的研究者对汽车的乘坐舒适性以及操纵稳定性进行了大量的研究,建立了多种汽车动力学模型。对于汽车动力学的研究,其中动力学模型的建立是否精确是问题研究的重点。动力学模型的建立需要考虑分析的目的,结合分析的目的进行动力学模型的建立。车辆动力学的研究对于延长汽车零部件的使用寿命,提高运输的效率,使得设计的汽车具有更好的舒适性和操纵稳定性具有非常重要的意义。
对于汽车的初步设计阶段,通常将悬架简化为弹簧元件和阻尼元件。对于轮胎同样也是被简化为弹簧元件和阻尼元件(有时初略的计算常常仅考虑弹簧元件)。弹簧元件的刚度通常可以通过实验得到,而对于阻尼元件来说通常很难得到精确的数值,并且在动力学分析中,阻尼元件对于分析的结果影响更大,因此许多的动力学分析需要精确考虑阻尼器的阻尼。汽车的实体以及动力学模型如图1所示。图1建立的轮胎的动力学模型就是仅考虑了弹簧力,而忽略了阻尼力。
图1 汽车实体和动力学模型图
1 问题分析与求解
1.1 模型分析
在进行汽车的谐响应分析之前需要建立汽车的振动分析模型。对于一些简单的问题,可以采用数学公式进行计算,但是对于一些复杂的问题,采用公式进行计算是不可行的。大型有限元分析软件对于解决一些复杂模型的动力学求解问题提供了帮助。本文采用ANSYS软件对整车建立了9自由度的动力学分析模型,其中建立的模型包含轮胎、悬架、车架、座椅和人。将轮胎、悬架、座椅以及人采用弹簧元件和阻尼元件进行模拟,建立的整车动力学模型如图2所示。
图2 整车动力学模型
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1.2 单元选择及参数数值
为了问题求解的方便,本文假定车架为刚性车架,采用MPC184单元进行车架的模拟,并且选择Rigid Beam(刚性梁)。对于整车质量、轮胎质量、座椅质量以及人的质量采用MASS21单元进行模拟。由于轮胎、座椅和人质量单元的自由度为二维自由度,并且不包含转动自由度,因此需要对Options中的K3选项进行设置,其K3选项应该选择w/o rot iner。对于轮胎的刚度和阻尼、悬架的刚度和阻尼、座椅的刚度和阻尼以及人的刚度和阻尼均采用COMBIN14单元进行模拟,具体数值如表1所示。
表1 模型中元件的数值
1.3 边界条件
对建立的整车动力学模型施加谐振激励,施加的激励为正弦激励,其幅值为0.005m,初始相位角为0°,计算的频率为0Hz-50Hz,然后对建立的模型进行谐响应分析,得到人所在位置的位移响应、速度响应以及加速度响应曲线。
2 结果分析
提取节点15(人所在处的位置)的位移、速度和加速度随频率变化的曲线图,得到的结果如图3所示。
图3 节点15(人所在处的位置)的位移、速度和加速度变化图
通过图3可知,随着频率的增加,人所在处的位移值也在增加,而人所在处的速度变化很小,加速度变化却很大,同时加速度的较大值主要集中在低频部分。影响整车系统动力学的因素很多,要想设计一款舒适性好且操作稳定性好的汽车,需要考虑整车系统的匹配问题。采用有限元分析方法进行简单的分析,可以非常快速的了解目前设计的汽车的系统的匹配问题。
3 结论
综上所述,对整车建立九自由度的动力学模型进行谐响应分析,最直接的应用就是在汽车的设计阶段就可以大概的了解整车的舒适性和操纵稳定性,为延长汽车的零部件寿命,加快汽车的研发周期具有重要的意义。基于对汽车的谐响应分析,提出以下2点建议:
第一,不论对汽车进行谐响应分析还是瞬态动力学分析,非常重要的一点是要根据分析的精度以及代价建立合适的动力学模型;
第二,汽车的设计是一个系统问题,各个零部件的参数值对汽车的整体性能都可能产生巨大的影响,因此在分析时一定要尽可能准确的给出简化后模型的各个参数值,尤其是阻尼值,同时还要考虑如何优化出一套高性能的汽车设计方案。
总之,有限元软件的大力推广对于缩短产品的研发周期,提高产品研发的成功率具有非常重要的价值,有限元方法在产品的设计中必将起到越来越重要的作用。