基于veDYNA的運(yùn)輸車輛側(cè)翻動力學(xué)仿真研究

高 琦，孟憲皆*，邱緒云

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049；2.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250023)

基于veDYNA的運(yùn)輸車輛側(cè)翻動力學(xué)仿真研究

高 琦1，孟憲皆1*，邱緒云2*

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049；2.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250023)

選取三軸貨車為研究對象，基于車輛動力學(xué)仿真軟件veDyna環(huán)境建立運(yùn)輸車輛行駛動力學(xué)仿真平臺，并對模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。通過設(shè)置角階躍典型行駛道路工況，分析車輛行駛動力學(xué)參數(shù)和道路參數(shù)等因素對運(yùn)輸車輛發(fā)生側(cè)翻的影響機(jī)理。仿真結(jié)果表明，車速、方向盤轉(zhuǎn)角等動力學(xué)參數(shù)對運(yùn)輸車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性影響較大，道路參數(shù)對運(yùn)輸車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性影響較小。建立的運(yùn)輸車輛行駛動力學(xué)仿真平臺，能夠很好的模擬真實(shí)車輛的實(shí)際工況，為進(jìn)一步研究運(yùn)輸車輛的防側(cè)翻控制提供較好的理論基礎(chǔ)。

運(yùn)輸車輛；側(cè)翻；動力學(xué)；仿真

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車年產(chǎn)量、保有量和交通流量不斷擴(kuò)大，行車安全尤為重要，一旦發(fā)生碰撞和側(cè)翻等交通事故，對于其它車輛危害更大。在眾多側(cè)翻事故中，運(yùn)輸車輛由于車輛質(zhì)心位置較高、車體較長，高速時(shí)更容易發(fā)生側(cè)翻。

近年來，許多國內(nèi)外學(xué)者對車輛側(cè)翻進(jìn)行了研究，并取得一定成果。文獻(xiàn)[1]在建立車輛簡化模型的基礎(chǔ)上研究車輛穩(wěn)態(tài)邊界問題，從而給車輛穩(wěn)定行駛提供了理論基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[2]采用橫向載荷轉(zhuǎn)移率來判定側(cè)翻的危險(xiǎn)程度，進(jìn)一步確定了側(cè)翻時(shí)間計(jì)算模型；文獻(xiàn)[3]在建立14自由度車輛模型的基礎(chǔ)上評估車輛的行駛狀態(tài)和側(cè)翻閾值，并研究了主動防側(cè)翻控制方法；文獻(xiàn)[4]采用底盤集成控制方法提高重型車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，并用仿真方法驗(yàn)證了控制算法。國內(nèi)對側(cè)翻的研究起步相對較晚，在側(cè)翻動力學(xué)建模、預(yù)測及防側(cè)翻控制等方面取得了較為突出的成果[5-13]。

運(yùn)輸車輛的側(cè)翻受多種因素的影響，除了受車輛動力學(xué)參數(shù)的影響外，還受車輛本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和道路參數(shù)的影響，且由于其總質(zhì)量、車體較大的原因，用試驗(yàn)方法全面研究運(yùn)輸車輛的側(cè)翻動力學(xué)機(jī)理有非常大的難度和危險(xiǎn)。為此，本文采用計(jì)算機(jī)仿真方法，基于veDYNA軟件建立運(yùn)輸車輛側(cè)翻動力學(xué)仿真平臺，分析運(yùn)輸車輛側(cè)翻的各種影響因素，對于研究運(yùn)輸車輛側(cè)翻的預(yù)測以及防側(cè)翻控制具有十分重要的意義和價(jià)值。

1 動力學(xué)仿真平臺的建立

1.1 veDYNA軟件

veDYNA(Vehicle dynamic analysis)是一款整車動力學(xué)實(shí)時(shí)仿真軟件，在寶馬、奧迪和福特等汽車的研發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。veDYNA以MATLAB為平臺，為使用者提供實(shí)時(shí)的完全參數(shù)化的多體動力學(xué)模型，它運(yùn)行于MATLAB/Simulink環(huán)境下，將多體系統(tǒng)動力學(xué)與MATLAB控制計(jì)算的優(yōu)勢結(jié)合在一起，從根本上解決大型多體動力學(xué)軟件(如ADAMS等)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要與MATLAB進(jìn)行耦合仿真的問題，在實(shí)時(shí)仿真與控制方面具有很大的優(yōu)勢[14-15]。

1.2運(yùn)輸車輛veDYNA模型的建立

在veDYNA軟件中選用三軸貨車(見圖1)搭建仿真平臺，主要包括多體動力學(xué)車體模型、各種操縱控制模型、三維路面模型和虛擬駕駛員模型等。其中，車體模型包括三軸貨車的各部分結(jié)構(gòu)尺寸、載荷、轉(zhuǎn)動慣量以及懸架阻尼、剛度等參數(shù)，如圖2所示。定義的各種操縱控制模型包括縱向控制、橫向控制和制動控制等。

圖1 三軸貨車模型

圖2 運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

三軸貨車整車質(zhì)量為8 830 kg，整車質(zhì)量繞質(zhì)心縱向軸線、繞質(zhì)心橫向軸線、繞質(zhì)心垂向軸線的轉(zhuǎn)動慣量分別為8 892.09，90 346.50，90 607.30 kg·m2；三軸貨車的簧載質(zhì)量為8 000 kg，簧載質(zhì)量繞質(zhì)心縱向軸線、繞質(zhì)心橫向軸線、繞質(zhì)心垂向軸線的轉(zhuǎn)動慣量分別為5 000，13 500，14 300 kg·m2。三軸貨車結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)分別為：整車長6.3 m、整車寬2.4 m、整車高3.6 m、前軸至中軸4.5 m、中軸距后軸1.2 m、前軸及中后軸輪距2.3 m、整車質(zhì)心高0.686 m、簧載質(zhì)心高2.086 m。

仿真平臺搭建后，進(jìn)行多次仿真驗(yàn)證模型的有效性。

車輛發(fā)生側(cè)翻的效果如圖3所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性，通過設(shè)置單一彎道和多彎道工況等不同的道路條件，將車輛模型實(shí)際行駛的軌跡曲線同理論期望的行駛軌跡曲線進(jìn)行對比，如圖4所示。結(jié)果表明，所建立的運(yùn)輸車輛行駛動力學(xué)仿真平臺能夠模擬車輛的行駛動力學(xué)過程。

圖3 運(yùn)輸車輛發(fā)生側(cè)翻效果圖

圖4 模型驗(yàn)證

2 動力學(xué)仿真及分析

仿真時(shí)，通過縱向控制環(huán)節(jié)和制動環(huán)節(jié)對車速進(jìn)行控制，以保證車輛勻速通過設(shè)定路徑；通過側(cè)向控制環(huán)節(jié)對方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制；上述控制環(huán)節(jié)最終通過駕駛員模型實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸車輛的操縱控制。駕駛員模型對車輛的操控是自動的，能實(shí)時(shí)根據(jù)車輛速度及道路條件改變對車輛的操縱輸入。

本文采用車輛的橫向載荷轉(zhuǎn)移率KLTR和側(cè)向加速度ac作為運(yùn)輸車輛發(fā)生側(cè)翻的評價(jià)指標(biāo)。KLTR是更加具有通用型的側(cè)傾穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)，KLTR的計(jì)算式[6]為

(1)

式中FLi為車輛左側(cè)各車輪的垂向力；FRi為車輛右側(cè)各車輪的垂向力；n為車軸的數(shù)量；i為車輛的第i根軸，i∈n。

車輛發(fā)生側(cè)傾時(shí)，兩側(cè)車輪受到的垂直載荷發(fā)生變化，一側(cè)增加，另一側(cè)減少。由式(1)可以看出，KLTR能夠反映車輛的側(cè)傾程度。其取值范圍為[0，1]，當(dāng)KLTR=0時(shí)，車輛沒有發(fā)生側(cè)傾；當(dāng)|KLTR|=1時(shí)，車輪一側(cè)所受的的垂直載荷為0，車輪即將離地，車輛發(fā)生側(cè)翻。

車輛側(cè)翻閾值的計(jì)算，以往常采用靜態(tài)分析的方法，往往大于實(shí)際車輛動態(tài)行駛時(shí)的閾值。在運(yùn)輸車輛實(shí)際行駛過程中，KLTR的閾值小于理論值1，側(cè)向加速度應(yīng)<0.4g(g=9.8 m/s2)。

影響運(yùn)輸車輛側(cè)翻的主要因素包括車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)(輪距、軸距、質(zhì)心高度等)、動力學(xué)參數(shù)(車速、ac等)及道路參數(shù)(附著系數(shù)、轉(zhuǎn)彎半徑等)，本文選取一部分典型影響因素進(jìn)行仿真分析。

2.1不同方向盤轉(zhuǎn)角輸入時(shí)的仿真分析

設(shè)置路面附著系數(shù)為0.9，車速為80 km/h，并分別給車輛40°、60°、80°和90°的方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入，仿真結(jié)果見圖5、6。

圖5 不同方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)的KLTR

圖6 不同方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)的ac

由圖5可以看出，當(dāng)車速一定時(shí)，KLTR隨方向盤轉(zhuǎn)角的增大而增大。方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入40°時(shí)，KLTR較快的穩(wěn)定在0.3左右，車輛發(fā)生較小的側(cè)傾；方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入60°時(shí)，KLTR很快穩(wěn)定在0.4左右，車輛有一定的側(cè)傾；方向盤轉(zhuǎn)角增大到80°，KLTR在方向盤角階躍輸入幾秒后超過0.6，經(jīng)過駕駛員模型的調(diào)節(jié)，KLTR減小并穩(wěn)定在0.5左右，但車輛側(cè)傾程度較大；當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入增大到90°，KLTR瞬間增大到1，車輛一側(cè)車輪離地，車輛發(fā)生側(cè)翻。

圖6表明，在車速相同的情況下，ac隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大，有逐漸增大的趨勢。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角為40°和60°階躍輸入時(shí)，ac較快的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入80°后一段時(shí)間，ac增大到4 m/s2，通過駕駛員模型的調(diào)節(jié)，ac有所減小，最后穩(wěn)定在3.5 m/s2左右；繼續(xù)增大方向盤轉(zhuǎn)角的階躍輸入到90°，ac迅速增大到5.5 m/s2左右，車輛發(fā)生側(cè)翻，仿真停止。

2.2不同車速時(shí)的仿真分析

設(shè)置路面附著系數(shù)為0.9，車輛方向盤轉(zhuǎn)角為80°階躍輸入，通過加速使車速分別達(dá)到40，60，80 km/h并保持恒定，不同車速時(shí)KLTR、ac隨時(shí)間的變化曲線如圖7、8所示。

由圖7～8可知，在方向盤轉(zhuǎn)角固定不變的情況下，KLTR、ac均隨著車速的增加而增大。車速為60 km/h時(shí)，KLTR穩(wěn)定在0.45、ac穩(wěn)定在2.7 m/s2左右，車輛發(fā)生了輕微程度的側(cè)傾；車速為70 km/h時(shí)，KLTR穩(wěn)定在0.5、ac穩(wěn)定在3 m/s2左右，車輛發(fā)生了較為嚴(yán)重的側(cè)傾；車速增大到80 km/h時(shí)，在方向盤階躍輸入幾秒后ac先增大到0.68，KLTR先增大到3.8 m/s2左右，經(jīng)過駕駛員模型調(diào)節(jié)有所減小，KLTR穩(wěn)定在0.55，ac穩(wěn)定在3.4 m/s2，車輛有發(fā)生側(cè)翻的趨勢。當(dāng)車速超過90 km/h時(shí)，車輛發(fā)生側(cè)翻。

圖7 不同車速的KLTR

圖8 不同車速的ac

2.3不同路面附著系數(shù)時(shí)的仿真分析

為分析道路參數(shù)對運(yùn)輸車輛側(cè)翻的影響，分別設(shè)置路面峰值附著系數(shù)為0.9、0.7和0.5，令車輛以70 km/h的恒定車速、方向盤轉(zhuǎn)角60°階躍輸入駛?cè)霚y試區(qū)域。不同附著系數(shù)時(shí)的KLTR和ac隨時(shí)間的變化曲線如圖9、10所示。

圖9 不同路面附著系數(shù)的KLTR

圖10 不同路面附著系數(shù)的ac

由圖9、10可以看出，在車速相同和方向盤角階躍輸入相同的情況下，運(yùn)輸車輛的側(cè)傾程度隨路面附著系數(shù)的減小有所減小，但變化較小，此時(shí)車輛發(fā)生了嚴(yán)重側(cè)滑，尤其在附著系數(shù)為0.5時(shí)，車輛甚至發(fā)生甩尾現(xiàn)象。

3 結(jié)論

基于車輛動力學(xué)仿真軟件veDYNA建立了運(yùn)輸車輛側(cè)翻動力學(xué)仿真平臺，通過設(shè)置角階躍典型工況，分析了運(yùn)輸車輛行駛動力學(xué)參數(shù)和道路參數(shù)等因素對運(yùn)輸車輛發(fā)生側(cè)翻的影響機(jī)理。

1)基于車輛動力學(xué)仿真軟件veDYNA建立的運(yùn)輸車輛側(cè)翻動力學(xué)仿真平臺，能夠很好的模擬真實(shí)車輛的實(shí)際工況，分析主要因素對運(yùn)輸車輛側(cè)傾穩(wěn)定性及側(cè)翻的影響程度，對后續(xù)更加深層研究車輛側(cè)翻具有重要意義。

2)車速、方向盤轉(zhuǎn)角等動力學(xué)參數(shù)對運(yùn)輸車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性影響較大。道路參數(shù)也會影響運(yùn)輸車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，但影響程度較小。

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RolloverDynamicsSimulationStudyofTransportVehicleBasedonveDYNASoftware

GAOQi1，MENGXian-jie1，QIUXu-yun2

(1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;2.SchoolofAutomobileEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250023,China)

In this paper, selecting a three-axis truck as the research object, a driving dynamics simulation platform of transport vehicle is established to confirm the effectiveness of the model based on the environment of vehicle dynamics simulation veDYNA software. By setting the typical operating conditions, the influence mechanism of transport vehicle is analyzed when the rollover occurs, including driving dynamics parameters of the vehicle, road parameters and so on. The established driving dynamics simulation platform of transport vehicle can verify the degree of influence of various factors on the vehicle roll stability and rollover, which provides a better theoretical foundation for further study of the transport vehicle anti-rollover control.

transport vehicle; rollover; dynamics; simulation

楊秀紅)

2014-07-27

交通運(yùn)輸部基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013319817190)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2010EL024)

高 琦(1990—),女, 山東青島人,山東理工大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué)控制與仿真；*孟憲皆(1965—)，男，山東聊城人，山東理工大學(xué)副教授，工學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v動力學(xué)和NVH控制技術(shù)；*邱緒云(1977—)，男，山東臨沂人，山東交通學(xué)院教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué)及仿真.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.001

U467.1；U461.1

A

1672-0032(2014)03-0001-05