车辆‑道路耦合振动系统联合仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及一种车辆‑道路耦合振动系统联合仿真方法，其包括如下步骤：S1、按照动力学方程建立车辆动力学模型；S2、按照结构力学有限元方程建立路面动力学模型；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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法
本专利技术涉及车辆工程领域，尤其涉及一种车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种车辆-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。本专利技术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，ms为簧载质量；ks为悬架刚度，cs为悬架阻尼，xs为车身位移，mu为非簧载质量，kt为轮胎刚度，ct为轮胎阻尼，xu为轮胎位移，xr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，xu-xs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：所述公式(8)-(9)中，ω1，ω2为路面结构的前两阶频率，由Ansys模态分析求得；ξ1，ξ2为前两阶振型的阻尼比。优选的，步骤S1中，xr通过公式(10)-(11)计算获得，所述公式(10)-(11)分别如下：步骤S3中，通过公式(10)-(12)完成在所述路面动力学模型上加载所述车辆动力学模型的过程，所述公式(12)如下：其中，Fz为所述车辆动力学模型加载在所述路面动力学模型上的载荷。优选的，步骤S3中包括如下步骤：S31、将所述路面动力学模型中的路面进行网格划分，形成若干行车区域，每一行车区域内均设有若干车辆轮胎与所述路面的接触面，所述接触面为矩形；每一所述接触面中均设有一记录节点；S32、确定车辆的初始路面竖向位移、初始速度以及初始路面不平度，按照所述公式(10)-(12)计算需加载到第一接触面上的车辆载荷，并计算车辆通过所述第一接触面的记录节点时的路面竖向位移以及速度，并更新路面不平度；S33、根据车辆通过所述第一接触面的记录节点时的路面竖向位移、速度以及更新的路面不平度，按照所述公式(10)-(12)计算需加载到第二接触面上的车辆载荷，并计算车辆通过所述第二接触面的记录节点时的路面竖向位移以及速度，并更新路面不平度；S34、循环进行所述S32-S33，模拟完成车辆在所有行车区域内的行进过程。优选的，所述车辆车轮与接触面的接触点位于车轮轮心正下方，车辆载荷均匀分布在所述接触面内；所述记录节点均位于接触面的中心线上。优选的，所述路面在路面宽度方向上为4-8m，在行车方向上为10-14m，在路面深度方向上为4-8m；所述接触面的在路面宽度方向上为0.2-0.24m，在行车方向上为0.3-0.32m。优选的，所述路面动力学模型为三维线弹性模型，其从上而下依次包括各向同性的面层、基层、底基层和土基层。本专利技术的技术方案具有如下技术效果：本专利技术将车辆-道路耦合系统分解为“车辆动力学模型”、“路面动力学模型”和“轮胎-路面接触模型”3个子系统，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，完成车辆-道路耦合振动系统的动力学分析，实现复杂道路和车辆条件下的车路耦合系统仿真分析，其正确性高，操作简单。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是现有技术中车辆-道路耦合系统的示意图；图2是本专利技术实施例一中车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法的步骤流程图；图3是本专利技术实施例一中生成轮胎-路面接触模型的步骤流程图；图4是本专利技术实施例一中的车辆载荷施加到路面的过程示意图；图5是本专利技术实施例一中的仿真流程图；图6是本专利技术实施例一中的车身加速度au时间历程曲线；图7是本专利技术实施例一中的竖向位移uz时程曲线；图8是本专利技术实施例一中的竖向应力σz时程曲线。具体实施方式本专利技术针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法。实施例一：图1示出了现有技术中车辆-道路耦合系统的示意图，图2则示出了本专利技术车辆-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，ms为簧载质量；ks为悬架刚度，cs为悬架阻尼，xs为车身位移，mu为非簧载质量，kt为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆‑道路耦合振动系统联合仿真方法，其特征在于，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：

【技术特征摘要】
1.一种车辆-道路耦合振动系统联合仿真方法，其特征在于，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，ms为簧载质量；ks为悬架刚度，cs为悬架阻尼，xs为车身位移，mu为非簧载质量，kt为轮胎刚度，ct为轮胎阻尼，xu为轮胎位移，xr为路面不平度输入与路面竖向位移的和值；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。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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，xu-xs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，3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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]...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨啟梁，李星宇，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42