路面沖擊載荷作用下的整車瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

張麗麗，呂 償

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510450）

路面沖擊載荷作用下的整車瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

張麗麗，呂 償

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510450）

針對(duì)某車型，依據(jù)實(shí)車車身用UG建立了該車型整車的三維實(shí)體模型，利用Hypermesh進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，建立其有限元模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 13.0求解了該車輛在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，獲得了乘員Z方向位移和加速度曲線，整車Z方向位移和加速度曲線并分析了車輛的振動(dòng)加速度對(duì)乘員舒適性的影響，為該車型的NVH優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考，具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)研究?jī)r(jià)值。

加速度；沖擊載荷；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)

車輛在行駛過程中，由于路面不平整產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)成員自身的沖擊成為評(píng)價(jià)舒適性的重要指標(biāo)之一。車輛在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，車輛會(huì)產(chǎn)生整體的瞬態(tài)效應(yīng)[1]。研究車輛的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性有助于提高車輛的整體舒適性。車輛懸架系統(tǒng)中座椅、輪胎的特征參數(shù)是影響車輛整體舒適性的主要因素[2]，用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式來確定懸架座椅、輪胎等的特征參數(shù)常常不盡如人意，往往需要經(jīng)過多次樣車試驗(yàn)、修改才能獲得較合理的參數(shù)匹配方案，且開發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用較高[3]。本文用UG建立整車的有限元模型，并用ANSYS 13.0分析其瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，為提高車輛的乘坐舒適性奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 車輛的有限元模型

1.1 幾何模型的建立

汽車是一個(gè)體積尺寸龐大的物體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成構(gòu)件的個(gè)數(shù)多，存在螺栓、螺母、翻邊等一些細(xì)小的零部件，如果在原有結(jié)構(gòu)上直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算分析，部分網(wǎng)格數(shù)量較多，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算失敗，為了保證計(jì)算順利，可做以下簡(jiǎn)化處理[4]：（1）螺栓連接的地方看作一個(gè)整體，小圓弧忽略不計(jì)；（2）焊接處焊縫的材料與母體一致；（3）輪胎剛度只考慮垂直方向剛度；（4）前后懸掛油氣彈簧的剛度非線性進(jìn)行線性化等效處理。

1.2 有限元模型的建立

幾何模型建立之后，選擇相應(yīng)合理的單元屬性進(jìn)行模擬，如剛性車架用MPC184單元模擬，模型中的質(zhì)量用MASS21模擬，輪胎、懸架及座椅用COMBIN14模擬。車體本身還有自重，直接在有限元軟件中定義材料屬性和重力加速度[5]。車架的材料采用20#鋼，該材料的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3.

將UG中建立的模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 13.0，首先對(duì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，以順利進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型中的面采用SHELL93單元?jiǎng)澐郑w采用SOLID187單元?jiǎng)澐帧＝Ｍ瓿珊蟮肧HELL93單元數(shù)71 508個(gè)，SOLID187單元數(shù)241 057個(gè)，MASS21單元數(shù)19個(gè)，SPRING14單元數(shù)6個(gè)，總單元數(shù)312 590個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)96 318個(gè)。建好的整車有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)平衡方程

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定隨時(shí)間變化載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法。利用該方法可以確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本平衡方程為

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；｝為節(jié)點(diǎn)加速度向量，｝為節(jié)點(diǎn)速度向量；｛u｝為節(jié)點(diǎn)位移向量。

在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，計(jì)算方法采用運(yùn)算速度快、輸入?yún)?shù)少、特征值、特征向量求解精度高的BLOCK-LANZOS方法。

2.2 邊界條件

汽車在行駛過程中，路面不平整對(duì)車身及駕駛員的沖擊載荷是復(fù)雜多變的，為了研究的方便，做如下假設(shè)：

（1）約束輪胎五個(gè)方向的自由度只保留Z方向的自由度；

（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，其形式如下：

作用于前輪胎的沖擊載荷：

作用于后輪胎的沖擊載荷：

其中：v為車速，單位為m/s.

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)建立的有限元模型，用STEP函數(shù)為該車型后輪施加驅(qū)動(dòng)，使該車以35 m/s的速度行駛，仿真時(shí)間為4 s，步長(zhǎng)為0.05 s，選用BDF算法進(jìn)行求解，分別對(duì)沖擊載荷作用下整車Z方向位移與時(shí)間關(guān)系、加速度與時(shí)間關(guān)系和乘員Z方向位移與時(shí)間關(guān)系、加速度與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖2~圖5所示。

圖2 乘員Z向位移

圖3 乘員Z向加速度

圖4 整車Z向位移

圖5 整車Z向加速度

從仿真結(jié)果可以看出，該車型在遇到路面沖擊載荷時(shí)，傳遞到乘員Z方向的位移和加速度都有很大衰減。說明該車在通過凸凹不平的路面時(shí)，乘員在Z方向的振動(dòng)比較厲害。

由圖2可知：（1）曲線上有3個(gè)較大的峰值，分別為2.2×10-3m、1×10-3m、-2.6×10-3m，對(duì)應(yīng)的時(shí)間歷程分別為0.2 s、0.5 s、1 s；（2）乘員Z向最大位移為-2.6×10-3m，出現(xiàn)在1 s時(shí)刻；（3）在2.4 s以后，乘員Z方向的位移接近零，汽車平順性良好。

由圖3可知：（1）曲線上有4個(gè)較大的峰值，分別為0.24 m/s2、-0.32 m/s2、0.3 m/s2、0.34 m/s2，對(duì)應(yīng)的時(shí)間歷程分別為0.1 s、0.3 s、0.35 s、0.75 s；（2）乘員最大加速度為0.34 m/s2，出現(xiàn)在0.75 s時(shí)刻；（3）在1.6 s以后，乘員Z方向的加速度接近零，說明1.6 s以后，乘員Z方向振動(dòng)趨向平穩(wěn)。

由圖4和5可知：整車在約0.5 s時(shí)刻Z方向位移和加速度最大，之后接近于零，說明汽車在啟動(dòng)時(shí)Z向振動(dòng)最劇烈。

4 結(jié)束語

（1）針對(duì)某車型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，用UG建立了該車整車的三維實(shí)體模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立其有限元模型。

（2）根據(jù)建立的有限元模型，用有限元分析軟件ANSYS 13.0分別對(duì)沖擊載荷作用下整車和乘員Z方向的位移與加速度進(jìn)行了仿真分析，獲得了整車Z方向位移和加速度曲線、乘員Z方向位移和加速度曲線。仿真結(jié)果表明，乘員Z方向的位移和加速度都有明顯衰減，為車輛的改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的理論依據(jù)。

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]宋一凡，陳榕峰.基于路面不平整度的車輛振動(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]李志春，王惠瓊，李佩林.汽車平順性建模及仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（6）：176-178.

[4]黃立，唐華平，唐春喜，等.電動(dòng)輪自卸車整車模態(tài)分析[J].礦山機(jī)械，2005，33（8）：28-29，5.

[5]袁夏麗，唐華平，譚永青，等.重型礦用自卸車車架的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，37（12）：1424-1429.

The Transient Dynamic Analysis of a Vehicle Under Impact Load

ZHANG Li-li，LV Chang

（School of Mechanical and Electrical Engineering，
Guangdong Baiyun University，Guangzhou Guangdong 510450，China）

A Three-dimensional entity model for a car was set up by UG based on the vehicle body.The FE model was built through meshing the model.The transient dynamic characteristics under impact load were got by ANSYS 13.0.The curve of acceleration and displacement of people and the vehicle was got，which provided a theoretical reference for the optimization design of the car and has the actual economic research value.

acceleration；impact load；transient dynamic

U461

A

1672-545X（2016）11-0026-02

2016-08-04

廣東白云學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：BYKY201332）

張麗麗（1982-），女，山東臨沂人，碩士，講師，主要從事機(jī)械CAD/CAE方面的研究工作。