[发明专利]一种基于多体动力学的十四自由度车辆动力学模型建模方法

说明书

本发明公开了一种基于多体动力学的十四自由度车辆动力学模型建模方法，克服现有车辆仿真软件内部函数不开源的问题，包含以下步骤：将要研究的车辆看作一个多刚体系统，包括一个簧上质量刚体和四个簧下质量刚体，忽略车辆在转向过程中转向系的摩擦阻力及力矩，忽略空气阻力，考虑悬架系统的KC特性，忽略悬架系统摩擦作用，路况为干燥水平路面，忽略因为路面坑洼导致的车轮相对于车身的跳动，采用魔术公式求取轮胎力，只考虑车轮相对于自身的垂直跳动及旋转运动，基于以上假设建立本发明提出的车辆模型，包括车身沿x、y、z轴的平移运动及旋转运动，以及四个车轮的垂直跳动及旋转运动，共14自由度。

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，设计一种基于多体动力学的十四自由度车辆动力学模型建模方法，适用于常用车辆行驶工况，以供研究人员使用。

背景技术

近年来我国汽车工业发展迅速，汽车生产量逐年提高，人们不仅将汽车作为交通工具，更是提升生活品质的重要工具，因此汽车安全性、舒适性及操纵平稳性等性能至关重要。进入新世纪后，各大高校车辆相关专业以及车企持续投入精力以提高汽车性能。因为汽车造价高昂，无法时刻进行实车试验，因此通过相关软件进行仿真实验至关重要，既能缩短研发周期，又能节省科研经费。

目前主流车辆仿真软件可分为以结构为基础的Adams、DADS等，以及基于动力学原理的CarSim、CarMaker等。上述软件均需花费大量资金购买版权，而且其内部核心代码不开源，使用者无法按照期望进行车辆仿真，也无法获得其核心技术。长此以往国内汽车行业将永远落后于国外。

基于多方面考虑，提出本发明所述的车辆模型建模方法。汽车是复杂的多体系统，汽车的运行状态是车辆、驾驶员、形式环境相互作用的结果；一般来说，车辆模型的自由度越多，仿真结果越接近实车，但计算复杂度越高。因此复杂度过高，将不利于研究人员开发使用。本发明提出一种基于多体动力学的考虑横摆、侧倾、俯仰的车辆模型建模方法，建立14自由度车辆模型，一方面将复杂的汽车多体系统进行简化，以减弱不同子系统之间的耦合关系，另一方面自由度适中，既可以满足研究需求，又避免因计算复杂导致结果失真。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于多体动力学的考虑横摆、侧倾、俯仰的车辆模型建模方法，该方法通过14自由度车辆模型建立动力学约束，从而更方便地提供研究人员使用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于多体动力学的十四自由度车辆动力学模型建模方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将车辆视为一个多刚体系统，包括簧上质量刚体和四个簧下质量刚体；

S2、根据步骤一中得到的子系统，建立四组不同的坐标系，分别为大地坐标系、车辆坐标系、轮胎坐标系及传递坐标系；

S3、考虑悬架系统的KC特性，忽略悬架系统摩擦作用，忽略转向系的摩擦作用，建立悬架模型；

S4、路况为干燥水平路面，忽略因为路面坑洼导致的车轮相对于车身的跳动，只考虑车轮相对于自身的垂直跳动及旋转运动，采用魔术公式求取轮胎力，建立轮胎模型；

S5、根据车身及悬架系统的动力学方程，建立包括车身x、y、z方向位移及旋转运动以及车轮自身跳动及旋转运动车辆模型，共14自由度。

作为本发明更优的技术方案：步骤S3所述的悬架系统对此进行简化，对预压力、弹簧力等作用力分别计算，最终进行累加得到悬架垂直力；

作为本发明更优的技术方案：步骤S4所述的轮胎力采用魔术公式求取，与Adams、Carsim等车辆仿真软件所使用的轮胎模型一致，避免差异性，其数学表达式可表示为：