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基于Simcenter 3D Motion的汽车平顺性仿真分析
2020-07-08 23:36:22· 来源：Simcenter 数字孪生在线 作者：彭文华
1 概述汽车在行驶过程中，由于自身及路面不平度激励因素的存在，会使汽车产生振动，这种振动达到一定程度将使乘员感到不舒适和疲劳，或使运送的货物损坏，研究平
1 概述
汽车在行驶过程中，由于自身及路面不平度激励因素的存在，会使汽车产生振动，这种振动达到一定程度将使乘员感到不舒适和疲劳，或使运送的货物损坏，研究平顺性的目的就是控制振动的传递，保证乘坐者不舒适的感觉不超过一定界限和货物运输的安全。随着科技的进步和人类生活水平的提高，人们对平顺性的要求已越来越高，因而有必要采取措施，对此进行细致的研究。
汽车平顺的评价是一个相当复杂的过程，由《汽车工程手册》以及国际标准ISO2631《人承受全身振动的评价指南》可知，在1～80Hz范围内人体对振动反应的三个不同界限：
(1) 暴露极限：当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限；
(2) 疲劳—工效降低界限：在这个界限与保持工作效能有关，当驾驶员承受的振动强度在此界限之内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶；
(3) 舒适降低界限：此界限与保持舒适有关，在这个界限之内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利完成吃、读、写等动作。
本文基于Simcenter3D Motion建立了SimRod的整车多体动力学仿真模型，然后基于比利时数字路面进行了整车平顺性仿真分析。
2 整车多体动力学模型建立
SimRod整车模型通过Motion子机构装配的功能建立。子系统模型主要包括车身座椅子系统，前悬架子系统，后悬架子系统。
前悬架为双横臂结构。在前悬架子系统中还包括了横向稳定杆模型（稳定杆采用简化建模方式），齿轮齿条式转向系统模型，轮胎动力学模型等（悬架拓扑结构以及与车身的连接省略，就不作详细说明了）。前悬架子系统动力学模型如下图所示：
由于要进行平顺性仿真分析，本文采用软件自带的轮胎模型库，西门子TNO MF-SWIFT轮胎动力学模型，如下图所示：
MF-Swift轮胎动力学模型是基于魔术公式的参数化轮胎模型，最大频率可以分析到100Hz,因此可以用来做平顺性仿真分析。
后悬架同样为双横臂结构。在后悬架子系统中还包括了横向稳定杆模型（稳定杆采用简化建模方式），驱动电机和传动轴系统模型，轮胎动力学模型等（悬架拓扑结构以及与车身的连接省略，就不作详细说明了）。后悬架子系统动力学模型如下图所示：
在主模型中建立车身和座椅部件，前后悬架通过导入子机构的方法与主模型进行连接，导入后通过上一篇微信文章中提到的子机构覆盖功能，建立完整的整车动力学模型，如下图所示：
3 整车平顺性仿真分析
本文主要研究整车在比利时路面上的平顺性。评价测量项选取四个轮心的垂向加速度，车身与前后减振器的四个安装位置点的垂向加速度以及座椅导轨处的垂向加速度。
比利时路面模型采用数字化扫描路面文件，通过采集扫描的路面3维数据经过后处理得到OpenCRG格式的轻量化数字路面文件，导入到模型中，在模型中生成可视化，如下图所示：
设置轮速驱动，为了忽略起始的动态不稳定性，路面设置了一段平坦路面，车辆从起步开始缓慢达到稳定状态，然后行驶在比利时路面上，仿真结果从3s开始截取。车速保持31km/h左右。结果如下：
车速
座椅导轨垂向加速度
车身与前后减振器的四个安装位置点的垂向加速度
四个轮心的垂向加速度
从仿真加速度曲线数据来看，垂向振动加速度在合理范围内，本文只对模型在比利时路面上的行驶振动垂向加速度进行了数据读取，并未进一步进行详细分析。后续如果想针对《(国家标准)GB╱T 4970-2009 汽车平顺性试验方法》标准进行脉冲输入和随机输入的平顺性仿真分析，只需要在此模型里面分别建立脉冲输入和随机输入路面即可进行分析，然后按照标准评价指标做进一步分析。
4 总结
基于Simcenter 3D Motion可以精确模拟整车动力学仿真分析。主要实现以下功能：
• 悬架的K&C分析，运动包络和干涉检查分析。
• 整车操纵稳定性分析，如角阶跃，路径跟踪分析等。
• 整车平顺性分析，如不平路面，冲击路面分析等。
• 可以方便建立测量传感器，输出合适的仿真结果。
汽车在行驶过程中，由于自身及路面不平度激励因素的存在，会使汽车产生振动，这种振动达到一定程度将使乘员感到不舒适和疲劳，或使运送的货物损坏，研究平顺性的目的就是控制振动的传递，保证乘坐者不舒适的感觉不超过一定界限和货物运输的安全。随着科技的进步和人类生活水平的提高，人们对平顺性的要求已越来越高，因而有必要采取措施，对此进行细致的研究。
汽车平顺的评价是一个相当复杂的过程，由《汽车工程手册》以及国际标准ISO2631《人承受全身振动的评价指南》可知，在1～80Hz范围内人体对振动反应的三个不同界限：
(1) 暴露极限：当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限；
(2) 疲劳—工效降低界限：在这个界限与保持工作效能有关，当驾驶员承受的振动强度在此界限之内时，能准确灵敏地反应，正常地进行驾驶；
(3) 舒适降低界限：此界限与保持舒适有关，在这个界限之内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，能顺利完成吃、读、写等动作。
本文基于Simcenter3D Motion建立了SimRod的整车多体动力学仿真模型，然后基于比利时数字路面进行了整车平顺性仿真分析。
2 整车多体动力学模型建立
SimRod整车模型通过Motion子机构装配的功能建立。子系统模型主要包括车身座椅子系统，前悬架子系统，后悬架子系统。
前悬架为双横臂结构。在前悬架子系统中还包括了横向稳定杆模型（稳定杆采用简化建模方式），齿轮齿条式转向系统模型，轮胎动力学模型等（悬架拓扑结构以及与车身的连接省略，就不作详细说明了）。前悬架子系统动力学模型如下图所示：
由于要进行平顺性仿真分析，本文采用软件自带的轮胎模型库，西门子TNO MF-SWIFT轮胎动力学模型，如下图所示：
MF-Swift轮胎动力学模型是基于魔术公式的参数化轮胎模型，最大频率可以分析到100Hz,因此可以用来做平顺性仿真分析。
后悬架同样为双横臂结构。在后悬架子系统中还包括了横向稳定杆模型（稳定杆采用简化建模方式），驱动电机和传动轴系统模型，轮胎动力学模型等（悬架拓扑结构以及与车身的连接省略，就不作详细说明了）。后悬架子系统动力学模型如下图所示：
在主模型中建立车身和座椅部件，前后悬架通过导入子机构的方法与主模型进行连接，导入后通过上一篇微信文章中提到的子机构覆盖功能，建立完整的整车动力学模型，如下图所示：
3 整车平顺性仿真分析
本文主要研究整车在比利时路面上的平顺性。评价测量项选取四个轮心的垂向加速度，车身与前后减振器的四个安装位置点的垂向加速度以及座椅导轨处的垂向加速度。
比利时路面模型采用数字化扫描路面文件，通过采集扫描的路面3维数据经过后处理得到OpenCRG格式的轻量化数字路面文件，导入到模型中，在模型中生成可视化，如下图所示：
设置轮速驱动，为了忽略起始的动态不稳定性，路面设置了一段平坦路面，车辆从起步开始缓慢达到稳定状态，然后行驶在比利时路面上，仿真结果从3s开始截取。车速保持31km/h左右。结果如下：
车速
座椅导轨垂向加速度
车身与前后减振器的四个安装位置点的垂向加速度
四个轮心的垂向加速度
从仿真加速度曲线数据来看，垂向振动加速度在合理范围内，本文只对模型在比利时路面上的行驶振动垂向加速度进行了数据读取，并未进一步进行详细分析。后续如果想针对《(国家标准)GB╱T 4970-2009 汽车平顺性试验方法》标准进行脉冲输入和随机输入的平顺性仿真分析，只需要在此模型里面分别建立脉冲输入和随机输入路面即可进行分析，然后按照标准评价指标做进一步分析。
4 总结
基于Simcenter 3D Motion可以精确模拟整车动力学仿真分析。主要实现以下功能：
• 悬架的K&C分析，运动包络和干涉检查分析。
• 整车操纵稳定性分析，如角阶跃，路径跟踪分析等。
• 整车平顺性分析，如不平路面，冲击路面分析等。
• 可以方便建立测量传感器，输出合适的仿真结果。
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