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发表于 2020-5-12 09:05:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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考虑副车架柔性的整车平顺性仿真研究

高晋1,艾田付1,李芷昕2,郭宁远1,王盼盼1
(1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 交通工程学院;2.650208云南省 昆明市 昆明铁道职业技术学院 机电工程系)
中国汽车材料网[摘要] 针对副车架柔性变形对平顺性的影响,建立了某车的后副车架模型,利用HyperMesh对该后副车架进行典型工况下的强度和模态分析,将生成的.mnf柔性文件代入该车模型中以替换原有副车架,得到含柔性副车架的整车刚柔耦合模型。通过ADAMS对所建刚柔耦合整车模型进行随机沥青路面及脉冲路面仿真,并与含刚性副车架的整车模型进行对比分析。结果表明:相比具有刚性副车架的整车模型,在两种路面下,刚柔耦合整车模型的驾驶员座椅处加权加速度均方根值更小,整车的平顺性更优。
[关键词] 副车架;模态分析;柔性体;刚柔耦合整车;整车平顺性

[size=1em]随着汽车普遍地被运用,它的重要程度已经显而易见。如今的人们使用汽车作为交通工具已经不仅仅局限于短距离的使用,还要具备中长距离舒适行驶的能力,保证汽车行驶时具备良好的平顺性也更加迫切。

[size=1em]由于汽车在行驶中往往会受到各种外界及其自身抖动的干扰,汽车平顺性研究的目的就是减小干扰带来的振动并将其维持在一定范围,以使乘客乘坐感觉良好和载货不损坏。目前许多国内外专家学者都对整车平顺性进行了一定的研究。比如,文献[1]基于多体动力学系统的鲁棒设计,使用概率方法构建不确定性的概率模型,在不确定性下,以最小二乘法对平顺性进行了优化;文献[2]采用拓扑理论,对某轿车的整车拓扑结构进行了分析,并与实车试验进行了平顺性对比;文献[3]基于区间分析使不确定性优化模型转化为确定性,并将该方案应用于全车7自由度整车模型的平顺性优化;文献[4]分析比较了某实车双横臂悬架安装的液压衬套与传统橡胶衬套对车辆性能的影响,在随机路面以及凸块路面对整车平顺性和操稳性进行了仿真对比,得出了相关结论。

[size=1em]上述文献从不同角度研究了汽车的平顺性,内容涉及平顺性的影响因素,平顺的优化方法等,并取得了很多成果。但是,这些研究通常将整车除了悬架弹簧、衬套外的其他部件均视为刚体,这样忽略了副车架等柔性体构件本身的弹性变形一定程度上会影响整车的运动[5-6],从而会对整车的平顺性产生一定的影响。本文正是考虑到副车架作为悬架主要的承载受力部件,其在受力过程中会产生一定的变形,故此基于实车模型,将副车架柔性化后,以研究有无柔性化副车架对整车平顺性的影响。


1 副车架强度分析

[size=1em]副车架是高档轿车底盘的重要部件,其在悬架系统中起着减振和集成零部件等作用,在对其模态分析柔性化之前,需要保证该所建副车架的强度满足要求。图1是通过CATIA三维建模软件对副车架建模后,导入HyperMesh软件中对后悬架副车架进行几何模型的清理、约束刚性铰接点等处理,得到的副车架有限元模型。

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图1 副车架有限元模型

Fig.1 Finite element model of subframe


[size=1em]对模型进行网格划分后,赋予材料属性、选择工况、定义边界条件等,对副车架模型进行强度分析,以保证所建立的副车架满足强度要求。

1.1 材料属性

[size=1em]本文所建立的副车架材料为QStE340TM,其力学特性参数为:弹性模量2.1×105 MPa;泊松比0.30;密度7.9×103kg/m3;热处理后的屈服极限340 MPa。

1.2 选择工况

[size=1em]工况的选择也是强度分析中非常重要的一环。本文选取了几种强度分析中常用的几种代表性工况,四驱0.95 g转弯的紧急转弯工况、四驱1 g制动的紧急制动工况和四驱3.5 g左轮冲击的极限扭转工况。

[size=1em]在工况合理选择后,又对副车架模型进行了相关约束。通过上述准备流程后,由Optistruct求解器对副车架进行强度分析,得到3种工况的最大应力,如表1所示。

表1 不同工况的最大应力

Tab.1 Maximum stress of different conditions

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[size=1em]各工况中,工况3应力最大,达271.66 MPa,小于材料屈服极限340 MPa。表明该后副车架满足强度要求,为下一步副车架柔性体化提供了依据。


2 副车架模态分析及刚柔耦合整车模型的建立

[size=1em]模态分析法是一种研究结构物体在较容易受到频率影响范围里的每一阶模态特性,通过它就能够预测结构在该频率内各种施加振动激励后内外部产生的振动响应。本文模态分析的目的不仅仅是为了验证所建副车架的模态性能合理,更是为了通过模态分析以得到其中性.mnf文件,以便能达到副车架的柔性化的目的。


2.1 副车架模态分析

[size=1em]基于HyperMesh有限元分析软件对副车架进行模态分析,并输出.mnf中性文件,通过HyperMesh求解得到了包括前6阶刚体模态在内共输出22阶模态。图2、图3是节选副车架7~8阶模态振型示意图,表2是除去前6阶刚体模态的7~22阶模态频率。

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图2 副车架7阶模态振型

Fig.2 Seventh-order subframe modal vibration mode


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图3 副车架8阶模态振型

Fig.3 Eighth-order subframe modal vibration mode


表2 副车架7-22阶模态频率

Tab.2 7-22 order modal frequency of subframe

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[size=1em]查阅相关文献可知,路面不平引起车身的振动范围为0.5~25 Hz,只要副车架的固有频率和车身振动频率没有重合,便不会发生共振现象。由表2可知,柔性体副车架的前22阶固有频率均大于车身的固有频率,不会与车身产生共振。


2.2 刚柔耦合整车模型的建立

[size=1em]将模态分析后得到的.mnf柔性体文件导入到ADAMS原后悬架模型中替换刚性后副车架,便能得到刚柔耦合后悬架模型。对刚柔耦合后悬架与其他子系统装配便可得到刚柔耦合整车模型,然后与四柱台架相结合,即得到如图4所示的包含四柱台的整车刚柔耦合模型,从而为下一步的整车平顺性仿真打下了基础。

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图4 整车刚柔耦合模型

Fig.4 Vehicle rigid-flexible coupling model


3 平顺性的对比分析

[size=1em]一般来说,人体在整车行驶时受到的振动响应情况需要一个较为清晰的量来确定并评价,对于不同工况也有不同的指标对其进行评价。以下是本文工况的评价指标的得出与确定。查阅相关资料发现,要得出整车平顺性性能情况需要在2种不同路面下进行仿真,即随机路面输入仿真和脉冲路面输入仿真。


3.1 平顺性随机路面输入仿真

[size=1em]随机输入下的平顺性仿真评价指标,主要是乘员乘坐时所受到的总加权加速度值。路面是整车仿真分析时的直接激励来源,其精度等级对平顺性能分析有很大的影响。查阅资料发现下列几种方法:速度相关参数e波动拟合法、谐波叠加法、滤波白噪声法[7-10]等均能生成虚拟路面模型。

[size=1em]本文平顺性随机输入行驶遵照GB 4970-2009规定,选择的是随机沥青路面,可在ADAMS/Car Ride中通过路面轮廓器生成。

[size=1em]对安装了四柱台的整车模型,仿真时间设置为5 s,输出频率为200 Hz,激励类型设置为位移,输入源设置为路面文件,输入位置设置为轮胎下方,并且设定车辆的行驶方式为60 km/h的匀速直线行驶。其驾驶员座椅处3个方向加速度仿真结果如图5—图7所示。

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图5 驾驶员座椅处纵向加速度曲线

Fig.5 Longitudinal acceleration curve at driver's seat


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图6 驾驶员座椅处侧向加速度曲线

Fig.6 Lateral acceleration curve at driver's seat


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图7 驾驶员座椅处垂向加速度曲线

Fig.7 Vertical acceleration curve at driver's seat


[size=1em]将图5—图7进行FFT变化,得图8—图10。

[size=1em]图5—图7是时域曲线,通过它们可以看出相比刚性整车模型,刚柔耦合整车模型在沥青路面下60 km/h行驶时,驾驶员座椅处3个方向的加速度均有减小。图8—图10是驾驶员座椅处3个方向的功率谱密度曲线,它们为频域曲线,是由图5—图7分别在ADAMS后处理中进行FFT(傅立叶变化)得到的。通过它们可以看出,相比刚性整车模型,刚柔耦合整车模型在沥青路面下60 km/h行驶时,驾驶员座椅处3个方向的加速度功率谱密度均有减小。由驾驶员座椅处3个方向的加速度功率谱密度,通过相关计算便可以获得在该车速下的驾驶员座椅处的总加权加速度均方根值,这样便能评价在该随机路面下的整车平顺性情况。

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图8 驾驶员座椅处纵向加速度功率谱密度曲线

Fig.8 Longitudinal acceleration power spectral density curve at driver's seat


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图9 驾驶员座椅处侧向加速度功率谱密度曲线

Fig.9 Lateral acceleration power spectral density curve at driver's seat


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图10 驾驶员座椅处垂向加速度功率谱密度曲线

Fig.10 Vertical acceleration power spectral density curve at driver's seat


[size=1em]在相同的随机沥青路面下,也同样对刚体整车和刚柔耦合整车在不同车速下进行仿真,其结果如表3所示。

[size=1em]由表3可知,在该沥青路面下以40~80 km/h仿真,刚性整车及刚柔耦合整车驾驶员座椅处的总加权加速度均方根值均小于评价指标0.315 m/s2,表明该整车模型的平顺性较好。刚柔耦合整车在各个车速下总加权加速度均方根值均小于刚性整车。这就表明了,在随机沥青路面输入下刚柔耦合整车相比刚性整车能在一定程度提高行驶平顺性能。

表3 沥青路面下刚性整车与刚柔耦合整车平顺性对比

Tab.3 Comparison of ride comfort between rigid vehicles and rigid-flexible vehicles under asphalt pavement

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3.2 平顺性脉冲路面输入仿真

[size=1em]我国发布了GB/T 5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》,用于评价汽车脉冲输入试验。要求用乘员座椅处的最大加速度响应(绝对值)与车速的相关性曲线来评价汽车驶过脉冲路面的平顺性。通常,汽车的行驶车速有必要选取多组,不能仅有1组,故分别选取以10 km/h为间隔,从10~60 km/h这6种汽车速度进行试验。本文所选用的汽车驶过凸块示意图如图11所示。

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图11 长坡形凸块结构简图

Fig.11 Long slope bump structure diagram


[size=1em]图11中: ce227de58adfeb6da441c890bfc87e0b.jpg ,B视情况而定,但是一定不能小于轮宽。

[size=1em]不同车速下,整车驶过凸块有不同响应,此处以车速60 km/h为例,其响应情况如图12所示。

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图12 60 km/h驾驶员座椅处垂向加速度曲线

Fig.12 Vertical acceleration at the driver's seat at 60 km/h


[size=1em]对于6组不同车速的响应,将刚性整车及刚柔耦合整车模型的最大垂向加速度绝对值一一列出,如表4所示。

表4 驾驶员座椅处最大垂向加速度响应绝对值与汽车车速的关系

Tab.4 Relationship between absolute vertical acceleration response and vehicle speed at driver's seat

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[size=1em]根据表4中数据可以绘出刚性整车及刚柔耦合整车最大垂向加速度与车速之间的相应关系,如图13所示。

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图13 驾驶员座椅处垂向最大加速度响应绝对值与车速的关系曲线

Fig.13 Relationship curve between absolute maximum acceleration response and speed at driver's seat


[size=1em]由图13可以看出,在10~60 km/h的不同车速下,刚柔耦合整车模型的驾驶员座椅处垂向最大加速度响应绝对值均要小于刚性整车模型;随着车速的增加,刚柔耦合整车模型的最大加速度小于刚性整车模型越多,说明行驶过凸块时,车速越大,刚柔耦合模型缓冲效果更好。

[size=1em]在IS05631新草案中对标准环境下凸块脉冲输入平顺性试验的评价指标为座椅表面传递给乘员的最大加速度响应绝对值ACCmax,其规定了ACCmax<31.44 m/s2人体的健康不会遭受危害。由此可知,汽车在车速60 km/h的时候,两种整车模型的驾驶员座椅处最大加速度响应绝对值远小于31.44 m/s2,所以,该汽车在驶过凸块时的平顺舒适性良好。


4 结论

[size=1em]本文从研究整车平顺性能的目的出发,通过对整车模型中的副车架部件柔性体化,形成了刚柔耦合整车模型。后与整车刚体模型进行了随机路面输入与脉冲路面输入仿真对比,结论如下:

[size=1em](1)对于该车的随机沥青路面输入仿真:相比含有刚性副车架的整车模型,40~80 km/h几组车速下刚柔耦合整车模型的驾驶员座椅处3个方向的加速度及其相应的加速度功率谱密度均有减小,表明柔性副车架能提高随机路面输入下该车的平顺性能。

[size=1em](2)对于该车的脉冲路面输入仿真:相比含有刚性副车架的整车模型,10~60 km/h几组车速下刚柔耦合整车模型的驾驶员座椅处垂向最大加速度绝对值均有减小,表明柔性副车架能提高脉冲路面输入下该车的平顺性能。

[size=1em](3)平顺性复杂且影响因素多,此次副车架的柔性变形对整车平顺性影响的研究对改善整车平顺性提供了一些借鉴,其他对整车平顺性能影响很大的非全刚性构件的柔性体化及优化,依然是下一步研究的工作。


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