某型车路面冲击载荷作用下瞬态动力分析

・机械研究与应用・２０１４年第１期（第２７卷，总第１２９期）　研究与分析　某型车路面冲击载荷作用下瞬态动力分析　卢培纪，王福明　（中北大学机电工程学院，山西太原０３００５１）　摘要：在动态环境下，为了预测人一车系统的振动响应特性及车辆乘坐舒适性，根据瞬态动力学原理和路一车一人系　统间的相互作用，构建了９自由度汽车乘坐动力学模型。基于路面不平情况下的瞬态冲击载荷而引起的人一车系统　不同位置的加速度响应，在ＡＮＳＹＳ软件中进行仿真分析。仿真分析结果表明：该９自由度车型在特定的参数匹配下，　在路面不平引起的瞬态冲击载荷作用时，传递到人体的加速度能快速的衰减到设计范围内，满足整车乘坐舒适性的　设计要求。　关键词：瞬态分析；ＡＮＳＹＳ；路一车一人系统　中图分类号：ＴＨ１１２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—４４１４（２０１４）Ｏｌ－００１９－０２　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｌｏａｄｉｎｇ　ＬＵ　Ｐｅｉ—ｉｉ，ＷＡＮＧ　Ｆｕ—ｒｕｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｐｅｏｐｌｅ—ｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｒｉｄｅ　ｃｏｍｆｏｒｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｏａｄ—ｅａｒ—ｐｅｒｓｏｎ，ａ　ｎｉｎｅ　ＤＯＦ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃａｒ　ｒｉｄｅ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ－ｖｅｈｉｃｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ　ｉｍｐａｃｔ　ｉｎ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｕｎｅｖｅｎ　ｐａｖｅｍｅｎｔ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｄｏｎｅ　ｂｙ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ．Ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｎｉｎｅ　ＤＯＦ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ａｒｅ　ｐａｓｓｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｏｄｙ　Ｓ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒａｎｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｍｆｏｒｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ＡＮＳＹＳ；ｒｏａｄ—ｃａｒ—ｐｅｒｓｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　１　引　言　整车乘坐舒适性是评价车辆性能的重要指标。　动态环境下路一车一人系统是一个复杂多变的自　良好的乘坐舒适性不仅可提高乘车人员对车辆的满　意度，而且可延长整车使用寿命，降低油耗提高运输　效率。随着汽车工业的快速发展，如何改善车辆行驶　由振动系统。为简化计算，假设：①约束轮胎五个方　向的自由度只保留　方向自由；②约束刚性车架与悬　架连接处的转动自由度；③载荷为作用在前后轮胎上　面的冲击载荷。根据假设建立整车力学模型如图１　所示，模型几何尺寸参数如表１所列。　平顺性和提高乘坐舒适性已经成为现代汽车设计者　十分关注的问题＿ｌｊ。车辆悬架系统中的座椅、轮胎　的特性参数都是影响整车乘坐舒适性的主要原　因－ｚ　Ｊ。分析整车在不同载荷下的瞬态动力学是体现　车辆舒适性的一种重要方法。为分析路一车一人系统　的相互作用，高红华等通过１３自由度车一椅一人系统　的动力学模型，进行汽车平顺性的建模及仿真研究。　为评价动态状态下整车乘坐舒适性，必须了解动　态环境下路一车一人系统中各部分的振动响应特性，　特别是人体的振动响应特性。为此笔者在分析路一　车～人系统间的相互作用和路面激励约束的基础上，　根据动力学原理，建立９自由度整车乘坐动力学模　型，并在ＡＮＳＹＳ　１３．０中构建系统的仿真模型并进行　仿真分析，进而评价动态环境下车辆乘坐舒适性。　２九自由度路一车一人系统动力学模型　２．１整车力学模型及几何尺寸参数　收稿日期：２０１３—１２—０４　图１九自由度路一车一人系统力学模型　作者简介：卢培纪（１９８４一），男，河南商丘人，在读硕士，主要从事车辆振动噪声控制方面的研究工作。　・ｌ９・　研究与分析　表１模型尺寸参数　２．２车辆瞬态冲击载荷　假设载荷为作用在前后轮胎上面的冲击载荷，其　形式如下。　作用于前轮的冲击载荷：　、　『０．０５／Ｔｔ　０≤￡≤１Ｅ～２　Ｉ（　）　ｉ　０　１Ｅ一２＜　≤４　作用于后轮的冲击载荷：　ｒ　０　０≤ｆ≤（。＋Ｉｊ）／　Ｓ２（ｔ）＝｛【０．０５　（ｎ＋ｂ）／ｖ≤ｔ≤１Ｅ一２＋（０＋ｂ）／ｖ　０　１　一２＋（ｎ＋ｂ）／ｖ＜　≤４　式中　为车速，取Ｉｆｊ＝１０　ｍ／ｓ。　３路一车一人系统ＡＮＳＹＳ仿真模型　３．１　有限元模型单元类型及参数选择　笔者采用ＡＮＳＹＳ　１３．０建立整车系统模型，主要　采用ＭＰＣ１８４单元模拟刚性车架，ＭＡＳＳ２１单元模拟　模型中的质量，ＣＯＭＢＩＮ１４单元模拟轮胎、悬架及座　椅。模型具体参数选择如表２所列。　表２系统模型实常数　・２０・　２０１４年第１期（第２７卷，总第１２９期）・机械研究与应用・　３．２整车系统的有限元模型　根据整车设计参数及单元选型，在ＡＮＳＹＳ　１３．０中　建立路一车一人系统的有限元仿真模型如图２所示。　图２九自由度系统有限元仿真模型　４路一车一人系统仿真分析结果　根据建立的系统有限元模型，分别对模型中的车　架、座椅、人体在瞬态冲击情况下Ｚ轴方向的位移和　加速度仿真分析结果，其结果如图３～８所示。　图３蜉　车架Ｚ方向位移与　图４车架Ｚ方向加速度与　时间关系　时间关系　图５一　一座椅Ｚ方向位移与时间关系　一　图６座椅ｚ方向加速度与　时间关系　图７驾驶员ｚ方向位移与　图８驾驶员ｚ方向加速度与　时间关系　时间关系　从系统仿真分析结果可知，该车型在遇到路面瞬　（下转第２６页ｌ　研究与分析　２０１４年第１期（第２７卷，总第１２９期）・机械研究与应用・　表１（续）　７　结语　运用基于运动链拓扑特性的颜氏创造性设计法　对欠驱动式移动机器人进行了创新设计，从最简化　参考文献：　［１］王建，陈怀山，李逸凡．基于欠驱动的自适应家用洗鞋机ｌ　Ｊ１．　的摇臂机构出发，分别采用了增加机构构件、增加接　触地面车轮数目、增加机构自由度等方法，得到了新　型的欠驱动式移动机构，并从中挑选了几种典型的　科协论坛，２０１２（８）：７Ｏ一７１．　［２］邓宗全，李所军，高海波．行星探测乍被动摇臂悬架的研究　发　展［Ｊ］宇航学报，２００８（６）：１６９５—１７００．　［３］　Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｒ　Ｃ．Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　Ａｉｄｓ　ｔｏ　Ｃｒｅａｔｉｖｅ　Ｔｈｉｎｋｉｌｌｇ［Ｊ』Ｍａ—　ｃｈｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ，１９７３（２）：１５８—１６３．　构型做了移动性能比较和评价，为移动平台的进一　步优选和详细设计提供了参考。文中提出的各类方　法所得出的构型各有优劣，应根据不同的应用场合　选取适用的构型。　［４］　周万春，付鸿，周　铜．基于实例的食品包装机主体机构的创　新设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０１０（１０）：２５７—２５８．　［５］颜鸿森，姚燕安．机械装置的创造性设计［Ｍ］．北京：机械ｊ二业出　版社，２００２．　［６］龚勤慧．基于ＶＢ的多关节搬运机器人的设计［Ｊ］．机械，２０１３　（１）：１５—１７．　Ｊ¨。　｜　＿…’”　　‘’”　…　’”…　Ｉ１…’。¨ｌ。¨ｌＩ－ｌｌ¨Ｉ‘’…＿－　＿¨ｌ　“…ｌ－。　＿ｌ¨Ｉ　’‘¨ｌ　……”　“¨¨・　。”¨¨’ｌｌ¨¨　‘¨ｌＩ－。　ｌ　（上接第２Ｏ页）　（２）车架、座椅、人体在ｚ轴方向上的位移和加　速度仿真分析结果表明，该车型在瞬态冲击载荷下，　态冲击时，传递到人体ｚ轴方向的位移和加速度都　有很大衰减。其中，在该瞬态冲击时，车架的最大位　移为４．６×１０～１１１，人体最大位移为２．４×１０～１ＴＩ，降低　了４７．８％；车架的最大加速度为１７　ｍ／ｓ　，人体最大　传递到人体的位移和加速度响应都有很大的降低，达　到了车辆设计舒适性的要求。　参考文献：　［１］　张鄂，刘中华，计志红，等．人一牟系统的人体乘坐舒适性仿真　加速度为０．３８　ｍ／ｓ　，降低了９５．２％，根据加速度、人　体主观感受、乘坐舒适性标准　Ｊ，达到整车乘坐舒适　性的设计要求。　及实验研究［Ｊ］．工程设计学报，２０１０，１７（２）：１０７—１１３．　［２］　宋一凡，陈榕峰．基于路面不平的车辆振动响应分析方法［Ｊｊ　交通运输工程学报，２００７，７（４）：３９—４２．　５　结语　（１）建立的９自由度路一车一人系统瞬态动力学　模型及利用ＡＮＳＹＳ仿真工具构建的该系统的有限元　模型，能够实现在瞬态冲击载荷作用下系统中不同位　置的位移和加速度仿真分析。　［３］　ＩＳＯ　２６３　１～ｌ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｈｏｃｋ（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｕ—　ｍＲｌｌ　Ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｔｏ　Ｗｈｏｌｅ—Ｂｏｄｙ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）Ｐａｌｌ　１：Ｇｅｎｅｌａｌ　Ｒｅｑｕｉｒｅ—　ｍｅｎｔｓ『Ｓ］．１９９７．　・２６・