動(dòng)力學(xué)分析與模擬軟件在車輛工程中的應(yīng)用

王駿林

摘要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在其實(shí)用性上得到了充分的體現(xiàn)，對(duì)于教學(xué)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其產(chǎn)生了質(zhì)變的影響，尤其是車輛工程方面巨大的計(jì)算量利用計(jì)算機(jī)技術(shù)得以充分的解決。本文就車輛工程中的動(dòng)力學(xué)分析與模擬軟件應(yīng)用進(jìn)行研究分析并對(duì)其進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué);模擬;車輛

現(xiàn)如今由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)其進(jìn)行輔助計(jì)算以達(dá)到更高的效率，比如傳統(tǒng)機(jī)械動(dòng)力學(xué)有時(shí)需要對(duì)成百個(gè)非線性微分方程組進(jìn)行求解，利用計(jì)算機(jī)可以快速準(zhǔn)確的解決。所以機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助工程（MCAE）也因此運(yùn)用而出，而動(dòng)力學(xué)分析與模擬正是其中最重要的組成部分。它能夠動(dòng)態(tài)的模擬機(jī)械系統(tǒng)，能夠有效的減少車輛等機(jī)械的設(shè)計(jì)時(shí)間，增加工作效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

在車輛工程動(dòng)力學(xué)程序方面，一些例如軍用車倆個(gè)的專用的機(jī)動(dòng)性模型的動(dòng)態(tài)模分析程序與動(dòng)力學(xué)分析程序的應(yīng)用研究，在其研發(fā)過(guò)程中建立的數(shù)學(xué)模型與編寫的計(jì)算機(jī)程序中投入了大量的人力和財(cái)力，雖然在預(yù)測(cè)車輛性能等方面有一定的貢獻(xiàn)，但其成果不能在其他方面充分的利用，在此方面的投入浪費(fèi)是不可避免的。此外，計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代動(dòng)力學(xué)的融合促進(jìn)了機(jī)械動(dòng)力學(xué)相關(guān)的大批量的分析軟件，但在此類軟件的操作方面，雖然極大的減少了工程師的計(jì)算與工作量，但仍然要求工程師在具備操作計(jì)算機(jī)的基本能力的前提下需要自身具備足夠的現(xiàn)代動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。這類軟件由于自身的通用性當(dāng)前還滿足不了多車輛等各種具有特殊需求的領(lǐng)域，在進(jìn)行了此方面的軟件應(yīng)用后還要對(duì)其進(jìn)行后繼的開發(fā)工作，這些都是在車輛工程中廣泛應(yīng)用相關(guān)軟件的主要障礙。

一、車輛動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析

在進(jìn)行車輛研究時(shí)，建立與其相對(duì)應(yīng)的一般性車輛整車多體系統(tǒng)是非常必要的，與其他系統(tǒng)相比，多體系統(tǒng)具備多方面的優(yōu)勢(shì)，它的數(shù)學(xué)模型是建立在還要m個(gè)相互約束的n個(gè)剛體與可變形體的基礎(chǔ)之上的，這類系統(tǒng)模型對(duì)于特殊用途的車輛及其軍用火炮的設(shè)計(jì)有著巨大的適用性。

多體系統(tǒng)能夠?yàn)檐囕v不平度行駛的隨機(jī)過(guò)程已經(jīng)火炮瞄準(zhǔn)過(guò)程起到較大的分析與確定作用，在有效的樣本值作為系統(tǒng)母集合輸入后，便可利用Gear（多值法）、Runge-Kuta（顯示定步長(zhǎng)法）、Adams（多步法）、Merson（變步長(zhǎng)法）以及線性系統(tǒng)離散差分法等各種數(shù)值解法面向系統(tǒng)的狀態(tài)方程，得出系統(tǒng)對(duì)象響應(yīng)的均值、功率譜密度函數(shù)等各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)，并有軟件對(duì)其進(jìn)行整理輸出動(dòng)畫形式的示意圖。這類對(duì)車輛進(jìn)行的軟件模擬與動(dòng)力學(xué)分析的方法被稱為VDAS（振動(dòng)數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)）。

二、車輛工程的計(jì)算機(jī)行駛模擬

基于上述對(duì)車輛進(jìn)行的軟件模擬與動(dòng)力學(xué)分析對(duì)車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，得出乘車人員所受的速度與位移及加速度等各方面的樣本數(shù)據(jù)。我國(guó)依照國(guó)際ISO2631所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，制定了符合我國(guó)實(shí)際情況的GB4970-85標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)車輛的平順性，利用隨機(jī)輸入的方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)車輛的指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范與要求。

在實(shí)驗(yàn)中因?yàn)橐獙?duì)其進(jìn)行頻譜分析，要求在實(shí)驗(yàn)中對(duì)時(shí)間的采樣間隔越小越好，這樣才能滿足頻譜分析的需要。在座椅系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，和譜分析乘員所要承受的加速度力等各種樣本的相關(guān)序列數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)采用FFT（快速傅立葉變換算法）對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，而針對(duì)樣本序列，我們則可以使用多種加窗的處理方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

三、基于車輛工程的火炮射擊計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用

由于軍用車輛自身所具備的特殊性，VDAS系統(tǒng)針對(duì)火炮射擊所造成的后坐力與穩(wěn)定，有著完善的計(jì)算機(jī)程序模塊與數(shù)字模型，在車輛與火炮的移動(dòng)、加速度、自身速度及其火炮發(fā)射的后坐力所應(yīng)受的阻力方面，能夠在自身的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行計(jì)算得出數(shù)值并導(dǎo)入方程進(jìn)行求解，從而得出相關(guān)序列的樣本數(shù)值。

在之前的研究中，主要以單個(gè)的車輛位移或火炮的發(fā)射系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，而本文提到的研究是針對(duì)車體與火炮系統(tǒng)相互之間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)互為偶合關(guān)系的整個(gè)車輛的動(dòng)態(tài)特征。關(guān)于車輛上所載火炮的射擊精度問(wèn)題，由于火炮在發(fā)射過(guò)程中各種位移關(guān)系與所受的各力量、加速度等在時(shí)間上的序列數(shù)據(jù)與車體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是相關(guān)的，在處了火炮自身的穩(wěn)定之外，主要在行進(jìn)過(guò)程中載有火炮的車輛自身的穩(wěn)定也及其重要，所以要對(duì)車輛懸掛裝置提高要求，分析與計(jì)算出車輛與火炮之間最為契合的控制系統(tǒng)。

四、結(jié)語(yǔ)

在車輛工程的發(fā)展方面，軟件模擬與利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，利用計(jì)算機(jī)的模擬系統(tǒng)替換用真實(shí)的車輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)特征的評(píng)測(cè)，不但能夠體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與場(chǎng)地上的優(yōu)勢(shì)，還在車輛整體設(shè)計(jì)與部件構(gòu)造方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的發(fā)展戰(zhàn)略。本文就動(dòng)力學(xué)分析及其軟件模擬技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析與說(shuō)明，為今后車輛工程中對(duì)計(jì)算機(jī)與軟件程序的利用與結(jié)合提供參考。

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