基于adamsview的摩托车动力学仿真

基于adamsview的摩托车动力学仿真

1新设计理念在汽车设计中的应用ams（美国最大的多因素模拟分析软件）是目前世界上最广泛使用的多因素动态模拟分析软件。目前国外许多车辆企业都已经大规模应用ADAMS软件进行车辆动力学仿真,并且利用系统仿真的概念,从设计—试验—改进设计—再试验—再设计的设计理念转为设计—仿真—试验,使设计中的主要问题利用虚拟样机技术在设计初期得以解决。这样不仅提高了设计的精确程度,缩短设计周期,在物理样机产生之前预先评估设计作用和功效,而且可以避免设计过程中反复的物理样机制造和实物测试造成的巨大浪费,降低了设计的成本。因此使得传统的设计方式产生了全新的变革。相对而言,这种新的设计理念在汽车设计中得到的应用较多,在摩托车的设计开发中应用的还很少。车辆的平顺性是车辆行驶过程中所产生的振动与冲击不致使人体感到不舒适、疲劳甚至损害健康的性能。它是车辆各项性能中一个很重要的指标,其优劣不仅影响到乘骑人员的疲劳程度和乘坐舒适性,而且也影响车辆燃油的经济性和效率乃至安全问题,因此对车辆的平顺性进行研究是车辆研究中的一个很重要的问题。我国现阶段对汽车平顺性的研究工作进行的比较多,而且相对来说也比较成熟,但对摩托车平顺性方面的研究还很少,至今还没有一种合适的评价指标供参考。本文应用虚拟样机技术建立摩托车的动力学仿真模型,并对其进行仿真分析,得出其垂向振动的加速度,并对该结果进行数据处理,参考汽车的平顺性评价指标,对摩托车的平顺性进行评价,并对前后减振器的匹配参数进行优化。2中国路—摩托车动力学模型的建立摩托车以一定的车速驶过脉冲路面,路面不平度经轮胎、悬架等弹性、阻尼元件和非悬挂质量、悬挂质量构成的振动系统传递。因此仿真模型中必须包括以下几个部分,车架模型、前叉前弹簧阻尼模型、手把的转向系统模型、后减振阻尼模型、发动机的简化和悬挂模型、轮胎模型、路面激励模型以及整车约束和自由度分析等。该模型与其他摩托车模型相比的优点有,车架采用接近实际形状的刚体模型,采用非线性弹簧,这种弹簧在受拉和受压不同状态下悬架的阻尼是不同的,实际中这两种阻尼值的差别相当大,而在常规的舒适性计算中由于算法所限,对于悬架的阻尼通常只取一个定值,这与实际情况有较大的差距,因此也使得计算结果不够准确。该模型的特点是,后轮为驱动轮,前轮为从动轮,在该模型中把发动机的驱动简化为施加在后轮上的一个转动(motion),这个转动可以是转速也可以是角加速度。仿真计算中发动机的不平衡激励用施加在发动机质心处的一个简谐激励力代替。该车的多刚体动力学模型由20个零部件、28个约束副、18个作用力组成。模型中各构件的质量参数,根据摩托车的实际质量,分布在不同的部件上,油箱、排气管、覆盖件、电气设备等覆盖件的质量通过增大相应部位的质量参数来简化,使最后模型的质量接近于整车实际的质量。在摩托车的运动过程中,为了防止长距离运动时倒下,在前转向轴上加一转矩,其大小用阶跃函数step(time,t0,d0,t1,d1)定义,并把它视为驾驶员的操作模型。多体系统中的构件定义为物体,其力学模型中物体的定义并不一定与具体工程对象中的零件一一对应,通常将对其运动性能特别关心的零部件定义为物体。约束定义了零件是如何相互连接及零件之间如何相对运动的,加入约束可以减少系统的自由度,在摩托车的运动过程中,考虑各部件的惯性质量及负载对摩托车整车运动参数的影响,建立一种既能反映实际系统的动力学特性,又能进行分析计算的动力学模型。用ADAMS软件建立的摩托车多刚体动力学整车模型如图1所示。路面模型的构造,构造符合轮胎仿真模型要求的路面是建立整车仿真模型的一个必不可少的环节,摩托车平顺性分析的路面由纵向具有一定幅值的多个凸块构成,而每个凸块的大小按照《汽车平顺性单脉冲输入行驶试验方法》定义,其纵向起伏高度最大为60mm。然后用ADAMS软件中的wheel-tire命令调入生成路面文件,并作为本文的路面模型。模拟的路面形状如图2所示。3数值突变函数和模型求解方法由于摩托车是一个复杂的振动系统,为了使仿真能够顺利地进行下去,在仿真过程中应该注意以下几个问题。系统的自由度要正确,模型中每个物体有6个自由度,每个约束副按性质不同去除一定数量的自由度,一个运动学驱动要去除一个自由度。消除不连续的函数,在建模过程中要尽量使用数值缓变函数代替数值突变函数。增加系统的阻尼值,在模型的力元素选项中,适当使用阻尼选项,有助于求解的收敛性。适当调节求解器的精度,不仅可以使仿真工作顺利地进行,也可以加快仿真的速度。增大积分程序的最大迭代次数和设置重新分解雅可比矩阵选项,这两种方法都有利于求解的收敛性。在本仿真模型中,稳定车速规定为60km/h,路面激励为图2所示的脉冲路面。车体质心处的垂向加速度计算结果如图3所示。在加速度的时间历程中,起始位置处有一些大的峰值,这是由于摩托车在开始阶段的突然加速造成的。4功率谱密度函数由于平顺性的评价指标,加速度的加权均方根值,不能从ADAMS仿真计算结果中直接得出,只有通过对ADAMS的计算结果进行大量的数据处理,才能得到加速度的自功率谱密度函数。有两种实现形式,一种是通过对其自相关函数作快速傅里叶变换(fastFouriertransform,FFT)求得;另一种是对原始数据直接进行快速傅里叶变换,求得DFT(discreteFouriertransform)谱后再求其功率谱密度函数。这里采用后一种方法,并通过MATLAB软件中求自功率谱密度函数的功能函数[pxx,f]=periodogram(xn,window,nfft,fs)求得加速度的自功率谱密度函数。ADAMS的计算结果以文本文件方式输出,然后再读入MATLAB软件中进行数据处理。对图3所示的由车体质心处垂向振动加速度得出的自功率谱密度如图4所示。参照汽车平顺性指标的计算方法,利用等带宽的自功率谱计算1/3倍频程均方根谱值σj,具体计算公式如下σj=9.81√Νj∑i=ΜjGiσj=9.81∑i=MjNjGi−−−−−−ue001⎷ue000ue000(1)式中σj——中心频率为fj的1/3倍频程均方根谱值,j=1,2,…,20Gi——等带宽的加速度自谱值,i=1,2,…,461Mj——与fj下限频率相应的等带宽标号Nj——与fj上限频率相应的等带宽标号表1给出fj及其上、下限频率和当分辨率Δf=0.1953Hz时Mj、Nj的值。根据公式(1)用MATLAB软件编制相应的计算程序,计算得到的车架质心处垂直方向振动加速度在各中心频率处的1/3倍频程均方根谱值如表2所示。5加速度均方根值近年来,国际标准化协会在综合大量资料的基础上,提出ISO2631—1《人体承受全身振动能力的评价指南》。此前许多国家汽车行业参照这个标准制定汽车平顺性的评价方法。该标准采用加速度均方根值,给出在1Hz～80Hz振动频率范围内人体对振动反应的三种不同的感觉界限。在汽车平顺性分析中,人体的振动加速度的均方根值,疲劳降低功效界限和降低舒适界限是平顺性评价的客观物理量。本文采用车体质心处加速度加权均方根值σW作为主要的评价指标,垂向振动或水平振动的σW按下式计算σW=√∑(wj⋅σj)2(2)式中wj为频率的加权因子,根据汽车平顺性国家标准GB4970—85,在计算垂向加权均方根值时加权因子的选择如表3所示。三个方向总的加速度的加权均方根值,按下式计算σWΟ=√(1.4σWX)2+(1.4σWY)2+σ2WΖ(3)式中σWX——水平振动的加速度加权均方根值σWY——水平振动的加速度加权均方根值σWZ——垂直振动的加速度加权均方根值计算车体质心处垂向振动的加速度加权均方根值,其结果为157.8906mm/s2。6多自由度系统模型仿真分析平顺性分析的目的是控制振动的传递,使乘坐者不舒适的感觉不超过一定的界限。该模型是多自由度系统模型,得到的结果比较精确,从仿真分析的过程中可以看到减振器的阻尼,后减振器的悬挂位置、发动机的悬挂方式等是影响平顺性的主要参数。因此,在仿真实验中,通过改变各项参数的值,进行多次仿真实验可得到这些参数对摩托车平顺性的影响。6.1前后减振器的阻尼系数在整车模型中,假定取稳定速度V=60km/h,前悬架系统刚度K1=10.9N/mm,后悬架系统的刚度K2=44.4N/mm。通过改变前后减振器的阻尼系数C分析其对平顺性的影响程度。分别取以下三种情况,对图1模型进行仿真实验,用车体质心处垂向加速度加权均方根值σWZ作为评价摩托车平顺性的指标,实验数据见表4。6.2前后减振器悬挂点位置的仿真在整车模型中,假定取稳定速度V=60km/h,前悬架系统的刚度K1=10.9N/mm,后悬架系统的刚度K2=44.4N/mm,前后悬架系统的阻尼系数分别为C1=98、C2=639。改变后减振器悬挂点的位置进行对比分析,进行三个不同悬挂点位置的仿真实验;用加速度加权均方根值σWZ作为评价摩托车平顺性的指标。仿真结果见表5。通过仿真实验和以上数据的对比,以摩托车垂向振动的舒适性指标(加速度加权均方根值)在要求范围内最小作为参数的优化目标,进行平顺性的优化仿真计算,选择和确定前后减振器的阻尼C和后减振器的上悬挂点的位置等参数。从而提高摩托车的整体舒适性性能。7实施方法的科学性,缩短了测量的时间和参数的思路,有利于提高测量的体本文利用虚拟样机技术建立摩托车的动力学模型,可以很方便而且精确地得到摩托车的加速度信号,同