某型車路面沖擊載荷作用下瞬態(tài)動(dòng)力分析*

盧培紀(jì)，王福明

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

某型車路面沖擊載荷作用下瞬態(tài)動(dòng)力分析*

盧培紀(jì)，王福明

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，為了預(yù)測(cè)人-車系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)特性及車輛乘坐舒適性，根據(jù)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)原理和路-車-人系統(tǒng)間的相互作用，構(gòu)建了9自由度汽車乘坐動(dòng)力學(xué)模型?；诼访娌黄角闆r下的瞬態(tài)沖擊載荷而引起的人-車系統(tǒng)不同位置的加速度響應(yīng)，在ANSYS軟件中進(jìn)行仿真分析。仿真分析結(jié)果表明：該9自由度車型在特定的參數(shù)匹配下，在路面不平引起的瞬態(tài)沖擊載荷作用時(shí)，傳遞到人體的加速度能快速的衰減到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足整車乘坐舒適性的設(shè)計(jì)要求。

瞬態(tài)分析；ANSYS；路-車-人系統(tǒng)

1 引 言

整車乘坐舒適性是評(píng)價(jià)車輛性能的重要指標(biāo)。良好的乘坐舒適性不僅可提高乘車人員對(duì)車輛的滿意度，而且可延長(zhǎng)整車使用壽命，降低油耗提高運(yùn)輸效率。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，如何改善車輛行駛平順性和提高乘坐舒適性已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)者十分關(guān)注的問題[1]。車輛懸架系統(tǒng)中的座椅、輪胎的特性參數(shù)都是影響整車乘坐舒適性的主要原因[2]。分析整車在不同載荷下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)是體現(xiàn)車輛舒適性的一種重要方法。為分析路-車-人系統(tǒng)的相互作用，高紅華等通過13自由度車-椅-人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行汽車平順性的建模及仿真研究。

為評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)狀態(tài)下整車乘坐舒適性，必須了解動(dòng)態(tài)環(huán)境下路-車-人系統(tǒng)中各部分的振動(dòng)響應(yīng)特性，特別是人體的振動(dòng)響應(yīng)特性。為此筆者在分析路-車-人系統(tǒng)間的相互作用和路面激勵(lì)約束的基礎(chǔ)上，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，建立9自由度整車乘坐動(dòng)力學(xué)模型，并在ANSYS 13.0中構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)環(huán)境下車輛乘坐舒適性。

2 九自由度路-車-人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.1 整車力學(xué)模型及幾何尺寸參數(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境下路-車-人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜多變的自由振動(dòng)系統(tǒng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)：①約束輪胎五個(gè)方向的自由度只保留z方向自由；②約束剛性車架與懸架連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；③載荷為作用在前后輪胎上面的沖擊載荷。根據(jù)假設(shè)建立整車力學(xué)模型如圖1所示，模型幾何尺寸參數(shù)如表1所列。

圖1 九自由度路-車-人系統(tǒng)力學(xué)模型

表1 模型尺寸參數(shù)

2.2 車輛瞬態(tài)沖擊載荷

假設(shè)載荷為作用在前后輪胎上面的沖擊載荷，其形式如下。

作用于前輪的沖擊載荷：

作用于后輪的沖擊載荷：

式中：v為車速，取v=10 m/s。

3 路-車-人系統(tǒng)ANSYS仿真模型

3.1 有限元模型單元類型及參數(shù)選擇

筆者采用ANSYS 13.0建立整車系統(tǒng)模型，主要采用MPC184單元模擬剛性車架，MASS21單元模擬模型中的質(zhì)量，COMBIN14單元模擬輪胎、懸架及座椅。模型具體參數(shù)選擇如表2所列。

表2 系統(tǒng)模型實(shí)常數(shù)

3.2 整車系統(tǒng)的有限元模型

根據(jù)整車設(shè)計(jì)參數(shù)及單元選型，在ANSYS 13.0中建立路-車-人系統(tǒng)的有限元仿真模型如圖2所示。

圖2 九自由度系統(tǒng)有限元仿真模型

4 路-車-人系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

根據(jù)建立的系統(tǒng)有限元模型，分別對(duì)模型中的車架、座椅、人體在瞬態(tài)沖擊情況下Z軸方向的位移和加速度仿真分析結(jié)果，其結(jié)果如圖3～8所示。

圖3 車架Z方向位移與時(shí)間關(guān)系 圖4 車架Z方向加速度與時(shí)間關(guān)系

圖5 座椅Z方向位移與時(shí)間關(guān)系 圖6 座椅Z方向加速度與時(shí)間關(guān)系

圖7 駕駛員Z方向位移與時(shí)間關(guān)系 圖8 駕駛員Z方向加速度與時(shí)間關(guān)系

從系統(tǒng)仿真分析結(jié)果可知，該車型在遇到路面瞬態(tài)沖擊時(shí)，傳遞到人體Z軸方向的位移和加速度都有很大衰減。其中，在該瞬態(tài)沖擊時(shí)，車架的最大位移為4.6×10-3m，人體最大位移為2.4×10-3m，降低了47.8%；車架的最大加速度為17 m/s2，人體最大加速度為0.38 m/s2，降低了95.2%，根據(jù)加速度、人體主觀感受、乘坐舒適性標(biāo)準(zhǔn)[3]，達(dá)到整車乘坐舒適性的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

(1) 建立的9自由度路-車-人系統(tǒng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型及利用ANSYS仿真工具構(gòu)建的該系統(tǒng)的有限元模型，能夠?qū)崿F(xiàn)在瞬態(tài)沖擊載荷作用下系統(tǒng)中不同位置的位移和加速度仿真分析。

(2) 車架、座椅、人體在Z軸方向上的位移和加速度仿真分析結(jié)果表明，該車型在瞬態(tài)沖擊載荷下，傳遞到人體的位移和加速度響應(yīng)都有很大的降低，達(dá)到了車輛設(shè)計(jì)舒適性的要求。

[1] 張 鄂,劉中華,計(jì)志紅,等. 人-車系統(tǒng)的人體乘坐舒適性仿真及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2010,17(2):107-113.

[2] 宋一凡,陳榕峰. 基于路面不平的車輛振動(dòng)響應(yīng)分析方法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2007,7(4):39-42.

[3] ISO 2631-1, Mechanical Vibration and Shock (Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration)Part 1: General Requirements[S].1997.

Vehicles Transient Dynamic Analysis under the Impact Loading

LU Pei-ji，WANG Fu-ming

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

In a dynamic environment, in order to predict people - car system vibration response characteristics and vehicle ride comfort, according to the transient dynamics and the inter relation about the system road-car-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. Simulation 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.

transient analysis；ANSYS；road - car - person system

2013-12-04

盧培紀(jì)(1984-)，男，河南商丘人，在讀碩士，主要從事車輛振動(dòng)噪聲控制方面的研究工作。

TH112

A

1007-4414(2014)01-0019-02