浅谈车辆多体动力学建模

为原始的渴望

　　一、前言
　　在整车研发过程中，借助计算机辅助技术进行性能仿真，可以减少制造成本，缩短开发周期，提高产品性能。其中，整车动力学仿真直接关系到车辆的操纵稳定性，整车平顺性以及车辆可靠性。为了获取准确的动力学响应，提升整车动力学性能，整车多体动力学建模显得尤为重要。悬架系统是车辆动力学系统的重要组成，故本文主要基于悬架来介绍车辆多体动力学的建模方法。

　　二、悬架基本构造
　　悬架是汽车车架与车轮之间传力装置的总称，它能够传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺行驶。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构、减震器、缓冲块以及横向稳定杆等组成。

　　图一 悬架结构基本组成

　　目前，常用的悬架结构主要有麦弗逊式悬架、双横臂式悬架、多连杆式悬架、扭转梁式悬架等。

　　三、动力学建模
　　3.1 模型简化
　　悬架系统是一个非常复杂的系统，进行动力学建模分析前应进行一定程度上的简化，将没有相对运动关系的零部件组合为一体。根据零部件的真实运动关系确定合理的约束类型，通过约束连接各零部件，建立悬架系统的动力学简化模型。

　　图六 麦弗逊悬架基本构造

　　3.2 拓扑结构
　　建立车辆多体系统动力学模型的关键在于理清系统的拓扑结构。所谓拓扑结构指的是将系统内部的实体抽象成与其大小、形状无关的“点”，而实体间的连接抽象成线，其本质就是研究系统内部各部件之间的连接关系。下图以麦弗逊悬架为例，描述了其在垂向路径下的拓扑结构关系。

　　图七 麦弗逊悬架垂向路径拓扑结构

　　子系统内部及各子系统之间通过约束副建立连接关系，在多体系统动力学建模过程中，常用的约束主要有铰链(Joint)约束与衬套(Bushing)约束。铰链约束是一种理想约束，对于柔性连接我们则采用衬套约束。衬套约束是连接在两个部件之间，通过6个自由度(3个轴向，3个转向)来定义连接状态。其中常见的铰链约束类型如下：

　　表一 常用铰链约束类型

　　3.3 属性参数
　　建立车辆多体系统动力学仿真模型对于参数需求较大，参数精度要求高。通常几何定位参数和质量参数通过试验与计算等方法获得。此外，整车系统还存在很多柔性元件，这些零件的属性参数对于车辆动态特性影响较大。

　　1、弹簧刚度
　　弹簧的作用是将车辆经过不平路面产生的跳动吸收，减小车身的振动幅度，直接影响整车动力学性能。在动力学模型中，其定义的是两个部件之间受力—位移关系。

　　2、减震器阻尼
　　减震器的能够缓解路面给车辆带来的冲击，迅速吸收颠簸路面产生的振动，对于整车舒适性影响较大。在动力学模型中，其定义的是两个部件之间受力—速度关系。

　　3、衬套特性
　　衬套的刚度特性、阻尼特性对于车辆的操纵稳定性与舒适性有着较大的影响。动力学模型需要定义衬套的3个轴向、3个旋转方向的刚度及阻尼。

　　四、模型验证
　　在车辆多体动力学模型搭建完成以后，相关动力学软件可以进行悬架系统运动学仿真，其基于悬架试验台对车轮施加垂向运动并辅之转向盘转向的仿真式，可以用来支持悬架系统动力学性能、变形特性和力传递特性的分析。

　　图八 前悬双轮反向跳动仿真分析

　　通过将仿真结果与K&C特性试验结果进行对比分析，进一步验证和提升动力学模型的精度，保证模型能够更加精确地预测汽车的动力学特性。

　　参考资料：
　　[1] 老侯，什么是汽车的平顺性?他与那些因素有关，老侯解车，2017-01-21
　　[2] 梁巍,知识堂：汽车名词解释-底盘与悬挂参数，汽车之家,https://www.autohome.com.cn/tech ... ml?pvareaid=3311700
　　[3] 刘赛，麦弗逊、双叉臂、多连杆，到底哪种悬架最牛逼，言车社，2017-06-27
　　[4] 高寒，《寒轷其辞》读了这篇文章让你更懂底盘，中关村在线，http://gps.zol.com.cn/622/6228412_all.html#p6228521
　　[5] 汽车悬架详解，百度经验，https://jingyan.baidu.com/article/cd4c29791c8d16756e6e60f2.html
　　[6] MSC Software, Adams 2013/help, 2013

★阿翠★

这方面的论文很多了，各种建模和简化方法也多种多样

其实从工程应用的角度，可以多看看企业的工程师写的论文，实用性很强。