1 引言

    車架總成是商用車中最重要的總成之一，車輛中幾乎所有的總成部件都安裝在車架上。它承受著所裝載的全部質(zhì)量，傳遞著全部的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，因此車架應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度。對(duì)車架強(qiáng)度的要求要保證車架在各種道路條件下，不致過早受到嚴(yán)重?fù)p壞，要有足夠的使用壽命；而車架剛度會(huì)影響到車輛的平順性，車架應(yīng)有合適的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

    在進(jìn)行商用車動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，一般可簡(jiǎn)單地將車架處理為剛體。當(dāng)考慮車架的柔性時(shí)，可在車架三維幾何模型的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件生成模態(tài)中性文件導(dǎo)入車輛模型中。但這種方法的前提是已有車架完整的三維幾何模型，需要使用有限元軟件進(jìn)行處理，耗時(shí)長，且不易進(jìn)行修改。

    現(xiàn)在車輛設(shè)計(jì)越來越希望在車輛的概念設(shè)計(jì)階段引入CAE手段，從而對(duì)車輛部件詳細(xì)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)的作用，而在概念設(shè)計(jì)階段，往往還沒有車架三維幾何設(shè)計(jì)，針對(duì)這種情況，本文通過研究試驗(yàn)?zāi)�態(tài)文件，實(shí)現(xiàn)了車架的簡(jiǎn)易建模，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車架一扭、垂向一彎模態(tài)頻率和模態(tài)振型的設(shè)定。通過這一方法實(shí)現(xiàn)了在車型概念設(shè)計(jì)階段，利用商用車動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析結(jié)果來規(guī)劃定義車架的基本彎扭特性，從而避免在車輛零部件在后期作較大的改動(dòng)，更好地滿足車輛平順性的需求。

2 車架的有限元建模方法

    進(jìn)行車輛的操縱穩(wěn)定性和平順性等汽車主要性能的計(jì)算分析，一般可采用商業(yè)化的多體動(dòng)力學(xué)軟件MSC.ADAMS/CAR來建立車輛詳細(xì)的整車動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)具體工況進(jìn)行性能分析，計(jì)算得到車輛主要性能指標(biāo)。

    商用車的車架是連接車輛所有總成的部件，且其一彎、一扭模態(tài)頻率較低，將車架處理為柔體將能更好地反映整車實(shí)際的性能。對(duì)于車架的柔性化處理，一般在車架的三維幾何模型的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件通過網(wǎng)格劃分，來得到車架的有限元模型。圖1為車架的完整三維幾何模型，這時(shí)車架已完成詳細(xì)的設(shè)計(jì)。圖2是在車架三維幾何模型基礎(chǔ)上通過有限元軟件后得到的車架有限元模型，一般經(jīng)過幾何清理，網(wǎng)格劃分等工作后得到。

圖1 車架的三維幾何模型

圖2 基于三維幾何的車架有限元模型

    ADAMS軟件并不能直接使用車架的有限元模型，該軟件所能接受的柔性體模型的文件格式是模態(tài)中性文件MNF，車架劃分有限單元后，利用有限元軟件進(jìn)行自由模態(tài)分析，計(jì)算得到模態(tài)中性文件MNF類型的文件，導(dǎo)入ADAMS軟件后替換車架原有的剛體。

圖3 車架的一扭模態(tài)振型

    整車動(dòng)力學(xué)模型建立后，以剛體質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)，應(yīng)用拉格朗日待定乘子法，得到整車的多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如下：

公式1 整車多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程

    式中：T－系統(tǒng)能量；φ(q,t)=0為完整約束方程；θ(q,q,t)=0為非完整約束方程；q為廣義坐標(biāo)列陣；Q為廣義力列陣；μ為對(duì)應(yīng)非完整約束的拉氏乘子列陣。

3 車架的簡(jiǎn)易建模

    在車輛開發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段，車架還沒有進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)，因此在這一階段不可能按照已有的方法，在車架的三維幾何模型基礎(chǔ)上，通過有限元軟件生成模態(tài)中性文件。本文設(shè)想通過試驗(yàn)?zāi)�態(tài)文件建立車架的柔體模型，此模型應(yīng)具體現(xiàn)車架基本的彎扭特性，從而通過整車性能分析評(píng)價(jià)車架的彎扭特性，將整車性能分解到車架總成的模態(tài)特征。

    經(jīng)過研究試驗(yàn)?zāi)�態(tài)文件的具體結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)在概念設(shè)計(jì)階段車架的長度、寬度等一些基本數(shù)據(jù)，通過研究試驗(yàn)?zāi)�態(tài)文件，來得到簡(jiǎn)單能反映車架彎扭特性的模態(tài)中性文件，從而可以在車輛的概念設(shè)計(jì)階段來分析車架彎扭特性的影響，進(jìn)而對(duì)車架的彎扭特性有早期的規(guī)劃和控制。為簡(jiǎn)化車架的建模，在車架簡(jiǎn)易建模中，僅考慮車架的長度和寬度幾何特征，將車架等價(jià)于簡(jiǎn)單的線框結(jié)構(gòu)，但包括車架的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等的物理特征。

4 車架彎扭特性的設(shè)定

    為了快速生成得到預(yù)想的車架簡(jiǎn)易模型，經(jīng)過摸索，采用MATLAB軟件來編寫了實(shí)現(xiàn)車架基本彎扭特性的程序，并設(shè)計(jì)對(duì)話界面可以認(rèn)為設(shè)定車架一扭、垂向一彎兩種模態(tài)振型的頻率值，并可通過設(shè)定一扭、一彎振型對(duì)稱軸的位置來控制車架的基本振型。

圖4 車架模態(tài)文件生成程序的對(duì)話界面

    由于僅僅考慮車架的基本特征，簡(jiǎn)單的線框結(jié)構(gòu)可以用來定義車架，其長度和寬度根據(jù)車輛總體尺寸確定，車架與其他總成的連接位置可以通過具體的坐標(biāo)位置進(jìn)行定義。生成后車架模態(tài)文件后導(dǎo)入車架模板文件，并通過INTERFACE PART來建立與其它總成的連接關(guān)系。圖5為簡(jiǎn)易車架模型的一彎振型，模態(tài)頻率設(shè)定為15Hz，其彎曲振型的對(duì)稱軸設(shè)在距車架后端1/3總長處；圖6為簡(jiǎn)易車架模型的一扭振型，模態(tài)頻率設(shè)定為12Hz，其扭轉(zhuǎn)振型的對(duì)稱軸設(shè)在車架寬度的1/2處，即車架的中間。

圖5 簡(jiǎn)易車架模型的一彎振型

圖6 簡(jiǎn)易車架模型的一扭振型

5 車架彎扭對(duì)整車性能的影響

    為驗(yàn)證車架柔性體簡(jiǎn)易建模的方法，應(yīng)用ADAMS/CAR軟件，在已有的商用車整車模型的基礎(chǔ)上，通過替換原有車輛動(dòng)力學(xué)模型中的剛體車架子系統(tǒng)，得到含有簡(jiǎn)易車架模型的整車動(dòng)力學(xué)模型，如圖7和圖8所示。按照GT/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)，通過建立不同等級(jí)的隨機(jī)輸入路面，進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)模型隨機(jī)輸入行駛的仿真計(jì)算。

圖7 車架為剛體的整車模型

圖8 包含簡(jiǎn)易柔性車架的整車模型

    通過已編好的簡(jiǎn)易車架生成程序，可方便定義不同的垂向一彎及一扭的模態(tài)頻率和振型，將不同車架替換到整車模型中進(jìn)行相同工況的計(jì)算分析，可以獲得不同特性車架對(duì)整車平順性的影響，圖9為采用不同車架時(shí)車輛加速度的時(shí)域信號(hào)的對(duì)比。針對(duì)車輛的平順性能，通過簡(jiǎn)易車架進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在車輛開發(fā)的早期對(duì)車架的彎扭特性進(jìn)行規(guī)劃和控制。

圖9 包含簡(jiǎn)易柔性車架的整車模型

6 結(jié)論

    汽車的平順性是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車前期開發(fā)設(shè)計(jì)階段建立了整車的動(dòng)力學(xué)模型，并通過多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行平順性相關(guān)計(jì)算分析，得到車輛各總成系統(tǒng)對(duì)整車平順性能的影響，從而縮短車輛開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

    本文針對(duì)商用車的車架特性，通過研究試驗(yàn)?zāi)�態(tài)文件，實(shí)現(xiàn)了反映車架一彎和一扭特性的車架簡(jiǎn)易模型建立，并通過整車模型在隨機(jī)輸入路面行駛分析計(jì)算，得到車架不同的一彎和一扭特性對(duì)車輛加速度響應(yīng)的影響，從而可在車輛概念設(shè)計(jì)階段對(duì)車架的彎扭特性進(jìn)行研究和規(guī)劃。

    本文對(duì)車架的研究集中在一彎和一扭的特性上，在進(jìn)一步工作中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車架一階以上模態(tài)振型的建模，從而更全面地反映車架的彎扭特性。

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本文標(biāo)題：商用車動(dòng)力學(xué)計(jì)算中車架建模研究

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