学士学位论文—-重型车辆随机动态载荷的数值计算和实验研究外文翻译.doc

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1、毕业设计（论文）外 文 翻 译题 目 多轮转向机构试验台 的虚拟设计与仿真 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机 067 班 学 生 指导教师 2010 年重型车辆随机动态载荷的数值计算和实验研究 摘要探讨轮胎动态负载的数值模拟和现场试验。基于多体系统动力学理论，模仿设计虚拟样机模型的非线性重型车辆。集合结构参数的车辆系统，非线性特性和弹簧减震器有精确描述。用实例验证测试数据的动态模型包括竖向加速度的车手席位，前轮，中级车轮和车轴头后轮采集。在虚拟样车，车辆速度的影响，载荷作用下，路面粗糙度和轮胎的动态载荷和刚度变化对轮胎的动态负载系数的相应之间的协议进行了讨论。结果表明，该模型能够提供

2、高效和现实的仿真随机动态载荷，以来研究汽车路面的良好性能。关键词：重型车辆，多体动力学，随机动态载荷，路面损坏，测试 1.介绍 重型车辆在公路交通运输中起着越来越重要的作用。而早期的超重负荷降低了道路的使用寿命和乘客的乘坐舒适性。公路的养护工作带来了巨大的经济损失，同时恶劣的道路环境严重威胁着交通安全。而随机动态载荷对路面的损坏程度超过静载荷的20-30%。虽然研究人员一直都意识到动态载荷的影响对路面的损坏，但是现在还是限于在静力载荷的基础上修改实际路面的设计经验。现在有几种车辆的建模方法可以模拟动态轮胎的载荷。Gillespie采用计算机仿真的简化模型来预测驾驶和振动轮的动载荷，陆先生通过建

3、立一架客车模型来研究由于路面粗糙度引起的客车车辆动载荷的规则。Cebon呈现了在严酷的振动条件下多自由度重型商用车。与国内计算机技术的快速发展，功能虚拟样机技术（FVP）,目前已经广泛应用于汽车工业。研究人员试图利用多体动力学软件研究车辆驾驶舒适性和路面的保持性能。这个工作的目的是通过数值模拟和实验测试来分析轮胎的动态负载。多体动力学理论是用来建立一个非线性的重型车辆的虚拟样机模型，模型中的所有参数都是从真实的重型车辆DFL0A9中得来的。从现场试验的测试结果中虚拟样机得到了验证。在验证过的模型基础上，轮胎动力和DLC分析不同速度、质量和路面粗糙度。2.重型车辆的多体模型重型车辆虚拟样机的技术

4、参数是建立在模拟包装MSC.ADAMS上的。由于一个移动汽车是一种复杂的多自由度的非线性振动系统，所以考虑到一些适当的假设和简化，如下：(1)除了转动轴和棱镜接头外，铰链处的内部摩擦阻尼被忽略；(2)除了轴套和弹簧外，汽车部件和组件被视为刚体；(3)发动机的内在结构被忽视，只有输出转速和转矩均包括在内。2.1 减震器建模 减震器是在悬架系统上的一个主要的阻尼软件，主要用于衰减振动之间汽车车身和轮子。 Fd=fd(v),Fd是非线性插值样条函数，v是两刚体之间的相对加速度。阻尼力是两个ADMS/能手元件之间的瞬时相对速度的功能。减震器的基本特征是对非线性力速度的依赖。减震器的物理模型通常都是应用

5、内部结构的知识。现象学建模时建立在阻尼器的输入输出关系上的（位移和阻尼力）。为了确保符合实际减震器的性能，有必要通过实验来得到减震器的非线性特性曲线。安装在前面悬架上的减震器是在HT-911型动态材料测试系统上测验的。减震器的实验性机构系统和力速度特征曲线分别显示在图标1和2中。目前还没有安装在串联平衡悬架上的减震器。2.2 轮胎建模 轮胎是一个非常重要的整车模型模板，在本篇论文中模拟作为一中弹性环Fiala 轮胎 (FT)模型做了阐述。金融时报是一种物理模型的轮胎模型尸体被视为横向方向上的弹性的基梁。轮胎带厚度获缓冲层被简化为一段按集中载荷作用下的横梁。该方法的优点是它只需要10个参数。在没

6、有特殊软件资源的情况下，这些参数可以很简单快捷的从测量数据中导出。该模型是很简单的，并且通过实验验证了代表一般轮胎力及力矩曲线的一个公平的工作。虽然这个模型是不适合结合制动系统转弯的，但是，目前，它在对道路的良好性能的研究方面可以很好地描述正常的力量，纵向力和侧向力。这个类型的前面和后面都是11.00R20式轮胎。2.3 悬架建模 这个前转向悬架前桥由弹簧（8叶）、减震器、转向节、拉杆等等组成，如图3。这些模板可根据实际的2D图纸建立在ADAMS/车上。在一个模块的ADAMS上建立一个暂停的叶片弹簧。每一个叶片都是一系列的配件与离散梁。叶片与轴套连接在叶片的座位上。 图 1 实验装置系统图2

7、非线性特性曲线图3 前转向悬架 串联驱动轴需要一个轴间具有灵活性的特殊的悬架。然后运用“水平”的平衡暂停方针，以减少负荷均匀，道路不规则的效果。在传统的建模方法上引导机制模型的复杂空间几何关系式非常困难的。多体动力学建模提供了一种有效地方法来解决这一问题。平衡悬架包括串联驱动轴（中级轴和后桥）、叶片弹簧（九叶）、横向杆和纵拉杆。这些模板也可根据2D图纸，如图4。2.4 不均匀路面建模 路面不是理想的平板，它的表面是一个由不同波长和振幅混合而成的波浪式表面。大多数呈正态分布的违规路面已经建立，并且可以准确地说明一个平稳的随机过程。因此，我们常常在频域（25、26间形容路面和PSD（功率谱密度）。

8、我们很难图 4 串联平衡的悬架系统创建一种模型能够既满足轮胎的要求也能够符合随机分布的特征。目前，通常有三种方式来模拟谱：道路、整体的白噪声背景下的谐波叠加法、噪声成型滤波【27】。 在这篇文章中，随机正弦（谐波法）即就是离散数值模拟的方法被采纳。根据标准GB / T 7031-2005 / ISO 8608(28),PSD道路表面粗糙度可以表示为： ， ， （2）是参考空间频率，是空间频率，是路面粗糙率系数（当参考空间频率是时的功率谱密度值）。是路表面粗糙度幅值的空间域，是取决于路谱结构频率的频率指数，指数是在区间1.75到2.25变化的，当=2时，是最好的平均值。在一定的空间频率范围，路面

9、的不平度位移PSD是。根据膨胀性能平稳随机过程，路面的不平度方差可描述为： （3）空间频率范围被分为几个统一的间隔，宽为。在每一个小的间隔中电力密度被代替，（i=1,2,.,n）是它的间隔的中心频率，使用这样一个离散逼近法，公式（3）可表示为 摘要为了更好地描述模型，一个正弦函数构造如下： 在每一个小的间隔该方法的标准偏差是。叠加之后，路面在二维空间表示为： 是随机相位均匀分布在0到2，是道路的纵向坐标。是道路的垂直表面粗糙度。A.rdf属性文件编写的道路是公认的ADAMS环境下的三维随机路面。在二维空间的b级路面和相应的三维虚拟模型分别显示在图5和图6中。这个三维虚拟模型的密度是1000m

10、x22.5m，再图5中振幅数据与纵向的坐标值保持一致。2.5 全车建模 在数学方面，这个方程的多体系统的运动通过弹性连接和源自汉密尔顿所在的变分原理的能够承受代数约束，由刚性和灵活部分连接组成的公式（7）是通过ADAMS以拉格朗日方程的形式给出的。 完整的约束方程是： 非完整约束方程是： 是系统能量，是系统的广义坐标，是所有的外部受力，完整的约束下的拉格朗日乘数矩阵，非完整约束的拉格朗日乘数矩阵。更常见的形式是： 是广义速度矩阵，是约束的反力及受力情况的矩阵，是系统动力学微分方程和定制的微分方程（如用于控制的微分方程和无约束微分方程）。是描述约束条件的代数方程矩阵。 全车模型包括除上述关键的子

11、系统以外的机车出租、地盘框架、运输、发动机和油罐。经过精密的空间位置的定义的子系统，建立了车辆模型的输入和输出通信设备。综合模型，可以更准确地反映实际的精细结构的车辆系统。一些静态平衡中，实施检查多余的约束。整个3D车辆模型，如图7。 图 5 b级路面 车辆模型的一些主要参数显示在表1,包括悬挂、轮胎、尺寸、重量参数等等。图6、7 三轴货车表1 车辆系统的主要参数 3. 动态模型的验证3.1 光谱分析 虚拟车辆在虚拟的路面上以恒定的速度60公里/小时行驶（以上述都是三维虚拟模型）。总模拟时间和步长分别是15秒和0.005。默认的齿轮积累积分(GSTIFF)采用耦合的非线性微分代数方程组求解（D

12、AE）。司机座椅、前桥头，中级轴头和后桥头的垂直加速度响应被测量。通过在所有谱分析的傅里叶变换（FFT）和一个Hanning窗能够抑制变频泄露分析了加速度信号。这个加速度响应曲线，各测点PSD曲线显示在图8-11中。在图8中，上部是司机座位的垂直加速度和较低的部分是PSD的加速度。它可以从图7中看到在频域范围内有两座山峰。一个对应主体反弹的振动模式的峰频率集中在250赫兹。还有另一个高峰的频率约1350赫兹，体现了方向盘振动模型的跳动。根据国际标准化组织ISO0236,4-8赫兹是频率的敏感的频率范围。因此，在车辆驾驶员座位多体模型避免敏感频率范围内有效，具有良好的舒适性。从图9中看出，它可以

13、观察到峰频率集中在1110赫兹，也符合轮振动模式。最大的振幅PSD是。如图10，峰频率集中在中间相对应的振动轮跳模为13.085赫兹。PSD最大的幅值是。此外，中级轴的加速度大小比前轴的要大，因为串联平衡暂停没有减震器。如上文学【29】中提到，建议在所有重型车辆减震器安装悬架来减少道路的损坏。在图11，可以观察到频率集中在14.257赫兹，这相当于是后轮跳的振动模式。最大的幅值是。垂直加速度的时间和频域分析中显示出车手的行驶平顺性的保证是能量的轴集中在10-20赫兹的频率范围内。3.2 实验验证 传统的乘坐舒适性的振动测试重点是在驾驶员和车身上。然而，每一个轴头振动还需要被测试，从而可对针对性

14、的动态负载模型进行验证。 现场测试是一个四车道的高速公路长25米，宽22.5米。这个重型汽车用于测试的是东风汽车有限公司生产的DFL1250A9型卡车，毛重24.9t。信号采集系统的压电加速度传感器，主要包括电荷放大器、信号采集仪和计算机。压电加速度计（YD-42D，应用范围是：1到10千赫）被放置在每部测量点处，一个在驾驶舱，两个在前阿克赛尔头，两个在中间轴头，最后两个在后轴头。由于电压信号很弱，多渠道传感器电荷放大器（YE5853A）被用来促进后观察和分析。然后，由智能采集和处理分析仪（INV360DF）把压电陶瓷的信号转换成数字信号。DASP2006用于数据采集、信号分析。图12显示测试

15、站点和信号采集系统，真正的目的是为了调整试验测试，验证了重型车模型的建立。 实验条件：速度60公里/小时，b路，满载，符合上述条件的模拟。采样频率是250赫兹，这是够频率的权益（少于100赫兹）。在图表2中显示通过仿真和实验对比的结果。 表2所示，仿真数据与实验数据的频率和振幅基本是相同的。但仍有一些错误，峰频率的最大偏差和PSD的振幅分别是3.7%和9.4%。其原因有如下：（1）汽车车身、底盘框架和其他部分作虚拟样车被视为刚体，在不考虑到他们的柔韧性能时。（2）在FT轮胎模型和真实的轮胎之间存在一些轮胎分歧性能。（3）随机模型模拟结果只是谐波线性叠加法，而非真实路面粗糙度。PSD振幅的偏差可

16、能是最主要的原因。（4）实验测试本身存在一些不可避免的错误。 简而言之，仿真和测试结果分析表明，PSD的振幅和峰频率是一致的。这表明虚拟汽车模型能有效分析车辆动态载荷。4 随机动态载荷的分析 动态载荷会导致路面产生的应力和应变。长期的路面小细胞损坏积累造成路面的变形，如裂缝和车辙。Sweatman DLC（动态载荷介绍因素评价系数）组成的汽车轮胎的动态的力量。它被定义为： 和分别是轮胎的标准偏差的动力和静态轮胎的力量。DLC的典型值是在0.05-0.3之间的。轮胎的动态负载的依赖主要是悬架的设计、路面的不平度。41 动态载荷下速度的影响 当早B级路面上负载和速度在20,40,60,80公里/小

17、时是，轮胎的动态载荷作了比较。动态轮胎的力量和DLC分别显示在图13和图14中。车辆速度对路面的损坏已成为了关注的焦点。可以从图13和图14中看到：（1）车辆速度几乎没有影响，而在车辆满载时每个轮胎的动态载荷分布不均。 （2）DLC可以大幅提高速度的增加。换句话说，动载荷的波动大小与速度增加有较大的变化。当车辆以很高的速度行驶时，这可能造成路面的积累损坏，从而对路面的良好性能产生不利。 （3）应当指出，速度并不是唯一的指标来评价道路损失的程度。因为机动车驾驶速度与在人行道上停留时间较短。所以有必要通过考虑车辆的速度和疲劳寿命来研究道路损坏的道路结构。 4.2 大众动态载荷的作用 当空加载/半加

18、载/50%超载和60公里/小时b级路面的加载时，轮胎的动态负载各轴进行了对比。轮胎的动力和DLC的比较分别如图15、16。 大型汽车是影响道路使用寿命的一个主要因素。可从图15、16中看出： （1）当车辆的速度递增时，轮胎的动态载荷趋于上升和DLC显示出下降趋势。（2）相对较大的汽车带来更大的轮胎的动力，即激起车辙容易损坏。大量的工程实践证明了这个结论。 （3）虽然空车辆静载荷实验最小，但是它的动态载荷的波动是最大的。所以，它是可能带来更多的路面损失的剧烈振动卸下车辆的必不可少的考虑因素。4.3 动态载荷下的路面不平度的影响 在一个A,B,C,D级的路面上对各轴的加载和60公里/小时的行驶速度

19、的条件下，对轮胎的动态载荷进行了比较。轮胎的动力和DLC的比较如图17.、18。 这个平整度带来反过来的导致路面反映和失败的轮胎动载荷。图17、18中有显示：（1）当车辆满载时，道路等级也不会影响轮胎的动力和轴重分布的不均匀性。 （2）路面越不平坦，DLC的越增长。随着时间的推移，重复的重型车辆传递，路型材的改进使得动态载荷增加。所以有必要进一步加强路面不平度在良好路面上所起到的作用。4.4 动态载荷下的轮胎刚度的影响 轮胎的动力和DLC四个轮胎的刚度（Kt=500,1000,2000到3000KN/m）相比，分别如图19、20。B级路面上车辆的行驶速度是60公里/小时。 在汽车服务过程中，轮

20、胎刚度会经常随着汽车速度、负载和路表面的粗糙度的改变而改变。为了提高货运能力，充气胎压有时几乎要超过120兆帕，意味着超过了飞机降落到路面所产生的压力。从图19、20中可以看到： （1）伴随着前轮刚度的增加，动态载荷波动和变化都是很微小的。 （2）当轮胎刚度增加时，DLC的增加很明显。这样，小的轮胎有利于提高路面良好性能的刚度。具体有效地措施来减少路面损失的是限制轮胎的充气压力。5 结论 从这个研究中，可以总结出以下几个结论： （1）基于多体系统动力学理论，快速创建了一种重型车辆的非线性虚拟样机模型。其中对几何参数的非线性特性，橡胶衬和减震器的精确描述。测量了司机座、前桥头、中级轴头和后桥头上的垂直加速度。所产生的加速度值在时域转换成为在持久频域中的PSD，也就是准确验证了动态负载模型的验证性和可行性。 （2）行驶速度的增长可能会导致路面累积损伤，不利于路面良好性能。相对较大的大型车辆会带来更大的轮胎动力，更容易造成车辙的损坏。然而，剧烈振动的卸下车辆会带来跟多的损失。通过限制轮胎的充气压力来减少路面的粗糙度幅值是一种有效地方法来增加路面的良好性能。 ( 3 ) 结果表明所提出的汽车模型，可以提供高效率的和现实的仿真随机动态负载。一个新的研究之间的互动，道路车辆进行动态载荷试验表演、检测和建筑完整的虚拟模型，最后对道路上的重型车辆的动态效果准确的预测与评估。