[发明专利]车辆‑道路耦合振动系统联合仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及车辆工程领域，尤其涉及一种车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法。

背景技术

传统的车辆动力学和路面动力学都不研究车辆与路面之间的耦合关系。在车辆动力学中，通常以路面不平度为输入来研究车辆的振动问题，即车辆行驶的平顺性，而路面动力学则是在路面模型上加载车辆静载荷或者动载荷，研究路面的动力响应，验算路面的结构强度。实际上，当车辆以一定速度在公路上行驶时，车辆与路面是一个相互作用的过程，路面的不平使得行驶的车辆产生随机振动；同时，车辆载荷作用在路面上，使路面结构发生一定的变形，路面的振动又反过来影响行驶的车辆，从而形成了车辆-道路耦合的问题。

近年来，车辆-道路耦合系统动力学问题越来越受到研究人员的关注。到目前为止，车辆-道路耦合系统动力学的研究方法有两种：一种是通过建立车辆-道路耦合振动系统的偏微分方程，常采用直接数值积分的方法来模拟车辆-道路耦合系统的动力响应，需要研究者自己动手编写动力学方程的求解程序，不易保证计算精度；另一种是在Ansys中分别建立离散质量车辆模型和有限元路面模型，通过接触单元实现车辆-道路耦合关系，可进行线性或非线性瞬态求解，这种方法虽然利用了工程软件的计算能力，但不适合采用复杂的车辆动力学模型，而且接触单元无法准确模拟车辆-道路耦合关系。

因此，有必要提供一种全新的车辆-道路耦合振动系统的仿真方法，以此来实现更为复杂道路和车辆条件下的车路耦合系统仿真分析。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法，其采用高效的工程软件Matlab和Ansys实现车辆-道路耦合系统的联合建模，以Matlab为控制软件，通过对Ansys进行二次开发，实现Matlab和Ansys的联合仿真，完成复杂道路和车辆条件下车辆-道路耦合振动系统的动力学分析。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

提供了一种车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法，其包括如下步骤：

S1、按照动力学方程(1)-(2)建立车辆动力学模型；所述动力学方程(1)-(2)分别如下：

其中，m_s为簧载质量；k_s为悬架刚度，c_s为悬架阻尼，x_s为车身位移，m_u为非簧载质量，k_t为轮胎刚度，c_t为轮胎阻尼，x_u为轮胎位移，x_r为路面不平度输入与路面沉降反馈的和值；

S2、按照结构力学有限元方程(3)建立路面动力学模型；所述结构力学有限元方程(3)如下：

其中，所述[M]，[C]，[K]分别为所述路面动力学模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{u}为节点的位移向量，{F(t)}为载荷向量；

S3、在所述路面动力学模型上加载所述车辆动力学模型，生成轮胎-路面接触模型，并完成车辆-道路耦合振动系统的动力学分析。

优选的，步骤S1中，所述动力学方程(1)-(2)的状态向量为：输出向量为：

其中，为车身加速度，为轮胎加速度，为相对动载荷，x_u-x_s为相对位移。

且将所述动力学方程(1)-(2)转化为状态方程(4)-(5)，所述状态方程(4)-(5)分别如下：

Y＝CX+DU(5)

其中，

优选的，步骤S1中，所述路面不平度采用公式(6)进行计算，所述公式(6)如下：

Z＝z₀sin(ωt)(6)；

其中，Z为路面不平度，z₀为不平度幅值，ω为振动圆频率，ω＝2πv/L，v为车速，L为路面平整度波长，t为运行时间，t为运动时间。

优选的，步骤S2中，采用公式(7)来计算所述阻尼矩阵[C]；所述公式(7)如下：

[C]＝a₁[M]+a₂[K](7)；

其中，a₁，a₂为阻尼系数，采用经验公式(8)-(9)确定，所述公式(8)-(9)如下：