1 引言
车架总成是商用车中最重要的总成之一，车辆中几乎所有的总成部件都安装在车架上。它承受着所装载的全部质量，传递着全部的驱动力和制动力，因此车架应有足够的强度和合适的刚度。对车架强度的要求要保证车架在各种道路条件下，不致过早受到严重损坏，要有足够的使用寿命；而车架刚度会影响到车辆的平顺性，车架应有合适的弯曲刚度和扭转刚度。
在进行商用车动力学计算时，一般可简单地将车架处理为刚体。当考虑车架的柔性时，可在车架三维几何模型的基础上，通过有限元软件生成模态中性文件导入车辆模型中。但这种方法的前提是已有车架完整的三维几何模型，需要使用有限元软件进行处理，耗时长，且不易进行修改。
现在车辆设计越来越希望在车辆的概念设计阶段引入CAE手段，从而对车辆部件详细设计起到指导的作用，而在概念设计阶段，往往还没有车架三维几何设计，针对这种情况，本文通过研究试验模态文件，实现了车架的简易建模，可实现对车架一扭、垂向一弯模态频率和模态振型的设定。通过这一方法实现了在车型概念设计阶段，利用商用车动力学计算分析结果来规划定义车架的基本弯扭特性，从而避免在车辆零部件在后期作较大的改动，更好地满足车辆平顺性的需求。
2 车架的有限元建模方法
进行车辆的操纵稳定性和平顺性等汽车主要性能的计算分析，一般可采用商业化的多体动力学软件MSC.ADAMS/CAR来建立车辆详细的整车动力学模型，针对具体工况进行性能分析，计算得到车辆主要性能指标。
商用车的车架是连接车辆所有总成的部件，且其一弯、一扭模态频率较低，将车架处理为柔体将能更好地反映整车实际的性能。对于车架的柔性化处理，一般在车架的三维几何模型的基础上，利用有限元软件通过网格划分，来得到车架的有限元模型。图1为车架的完整三维几何模型，这时车架已完成详细的设计。图2是在车架三维几何模型基础上通过有限元软件后得到的车架有限元模型，一般经过几何清理，网格划分等工作后得到。
图1 车架的三维几何模型
图2 基于三维几何的车架有限元模型
ADAMS软件并不能直接使用车架的有限元模型，该软件所能接受的柔性体模型的文件格式是模态中性文件MNF，车架划分有限单元后，利用有限元软件进行自由模态分析，计算得到模态中性文件MNF类型的文件，导入ADAMS软件后替换车架原有的刚体。
图3 车架的一扭模态振型
整车动力学模型建立后，以刚体质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，应用拉格朗日待定乘子法，得到整车的多刚体系统的动力学方程如下：
公式1 整车多刚体系统的动力学方程
式中：T－系统能量；φ(q,t)=0为完整约束方程；θ(q,q,t)=0为非完整约束方程；q为广义坐标列阵；Q为广义力列阵；μ为对应非完整约束的拉氏乘子列阵。
3 车架的简易建模
在车辆开发的概念设计阶段，车架还没有进行实际的设计，因此在这一阶段不可能按照已有的方法，在车架的三维几何模型基础上，通过有限元软件生成模态中性文件。本文设想通过试验模态文件建立车架的柔体模型，此模型应具体现车架基本的弯扭特性，从而通过整车性能分析评价车架的弯扭特性，将整车性能分解到车架总成的模态特征。
经过研究试验模态文件的具体结构，可以根据在概念设计阶段车架的长度、宽度等一些基本数据，通过研究试验模态文件，来得到简单能反映车架弯扭特性的模态中性文件，从而可以在车辆的概念设计阶段来分析车架弯扭特性的影响，进而对车架的弯扭特性有早期的规划和控制。为简化车架的建模，在车架简易建模中，仅考虑车架的长度和宽度几何特征，将车架等价于简单的线框结构，但包括车架的质量、转动惯量等的物理特征。
4 车架弯扭特性的设定
为了快速生成得到预想的车架简易模型，经过摸索，采用MATLAB软件来编写了实现车架基本弯扭特性的程序，并设计对话界面可以认为设定车架一扭、垂向一弯两种模态振型的频率值，并可通过设定一扭、一弯振型对称轴的位置来控制车架的基本振型。
图4 车架模态文件生成程序的对话界面
由于仅仅考虑车架的基本特征，简单的线框结构可以用来定义车架，其长度和宽度根据车辆总体尺寸确定，车架与其他总成的连接位置可以通过具体的坐标位置进行定义。生成后车架模态文件后导入车架模板文件，并通过INTERFACE PART来建立与其它总成的连接关系。图5为简易车架模型的一弯振型，模态频率设定为15Hz，其弯曲振型的对称轴设在距车架后端1/3总长处；图6为简易车架模型的一扭振型，模态频率设定为12Hz，其扭转振型的对称轴设在车架宽度的1/2处，即车架的中间。
图5 简易车架模型的一弯振型
图6 简易车架模型的一扭振型
5 车架弯扭对整车性能的影响
为验证车架柔性体简易建模的方法，应用ADAMS/CAR软件，在已有的商用车整车模型的基础上，通过替换原有车辆动力学模型中的刚体车架子系统，得到含有简易车架模型的整车动力学模型，如图7和图8所示。按照GT/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》的国家标准，通过建立不同等级的随机输入路面，进行整车动力学模型随机输入行驶的仿真计算。
图7 车架为刚体的整车模型
图8 包含简易柔性车架的整车模型
通过已编好的简易车架生成程序，可方便定义不同的垂向一弯及一扭的模态频率和振型，将不同车架替换到整车模型中进行相同工况的计算分析，可以获得不同特性车架对整车平顺性的影响，图9为采用不同车架时车辆加速度的时域信号的对比。针对车辆的平顺性能，通过简易车架进行优化计算，实现在车辆开发的早期对车架的弯扭特性进行规划和控制。
图9 包含简易柔性车架的整车模型
6 结论
汽车的平顺性是汽车设计的一个重要性能指标，利用虚拟样机技术在汽车前期开发设计阶段建立了整车的动力学模型，并通过多体动力学软件进行平顺性相关计算分析，得到车辆各总成系统对整车平顺性能的影响，从而缩短车辆开发周期，降低研发成本。
本文针对商用车的车架特性，通过研究试验模态文件，实现了反映车架一弯和一扭特性的车架简易模型建立，并通过整车模型在随机输入路面行驶分析计算，得到车架不同的一弯和一扭特性对车辆加速度响应的影响，从而可在车辆概念设计阶段对车架的弯扭特性进行研究和规划。
本文对车架的研究集中在一弯和一扭的特性上，在进一步工作中，可以实现对车架一阶以上模态振型的建模，从而更全面地反映车架的弯扭特性。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：商用车动力学计算中车架建模研究
相关文章
