汽车平顺性建模与分析毕业设计(编辑修改稿)

汽车平顺性建模与分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

特殊图形，如玫瑰花图、极坐标图、二维、三维等值线图、三维表面图、假彩色图、 二维、三维流线图、三维彩色流锥图、流沙图、流带图、流管图、卷曲图与切片图等，此外还可以生成快照图和进行动画制作。 （ 5）可扩展性能可扩展性能是该软件的一大优点，用户可以自己编写 M 文件，组成自己的工具箱，以解决本领域内常见的计算问题。 本文主要研究内容 本文以理论力学、统计数学等学科为理论基础，应用 MATLAB 仿真软件，针对某商用车，建 9 自由度整车动力学模型并进行平顺性仿真。 对于加快新产品开发进程，降低开发费用，提高产品性能和可靠性具有实际的应用价值。 本文具体工作是： 第 1 章，阐述课题的背景及其目的以 及轿车、汽车的平顺性研究的意义，针对汽车平顺性仿真的关键问题：路面激励建模、振动模型建模和仿真方法进行了综述和分析，提出本文研究的内容。 第 2 章 路面模型与评价指标研究。 汽车振动的主要激励源来源于路面，路面模型研究是汽车平顺性研究的关键之一。 本文重点研究了汽车的时域路面激励模型。 确定了采用谐波叠加原理模拟路面时域模型，针对平稳随机路面进行研究，用不同形式的三角级数进行模拟，以离散谱逼近目标随机路面模型。 根据 B 级标准路面谱，模拟再现了路面的功率谱密度，验证了模拟路面与标准路面基本吻合。 参 考国标 GB703186《车辆振动输入 —— 路面平度表示方法》，采用 MATLAB 程序编写路面程序，建立了标准 B 级随机路面，参考 GB5092— 86《汽车平顺性脉冲输入试验方法》建立了脉冲输入路面。 重点介绍国际标准 ISO26311(1997)《人体承受全身振动的评价指南》及 GB/T49701996《汽车平顺性随机输入试验方法》，在此基础上确定本文的评价方法，得到的驾驶员座椅处加权加速度均方根值和加权振级，然后根据该值与人的主观感觉的对应关系进行乘坐舒适度评价。 第 3 章，根据 1/2 汽车模型建立 9 自由度动力学模型，模型中包括了驾驶室、发动机、人体座椅，能够方便对平顺性进行评价。 然后利用牛顿第二定律建立 9自由动力学模型的微分方程，为方便以后计算求出刚度矩阵、阻尼矩阵、输入刚度矩阵并将微分方程用矩阵的形式表示。 第 4 章，在建立矩阵形式的微分方程的基础上运用改进的欧拉算法，在 MATLAB软件里实现对垂直加速度进行积分，然后在 内求加速度均方值功率谱密度，然后根据平顺性评价方法依次求出各种速度下、各种路面等级下的加权加速度均方根值以及加权振级，然后在特定车速及某种路面等级下分析各种汽车参数对平顺性的好坏的影响。 第 5 章，全文总结。 2 路面激励 在进行平顺性分析时必须对引起汽车振动的振源进行分析。 引起汽车振动的振源主要有路面不平度激励、发动机激励、轮胎激励等，其中路面不平度激励是影响汽车平顺性的最主要激励，因此研究汽车平顺性必须研究路面。 路面输入激励一般分为两类：随机输入激励和脉冲输入激励。 随机输入激励是指路面长度方向上的连续激励，如粗糙不平的路面等，它是现代公路的主要形式；脉冲输入激励是指在较短时间内的离散事件，并且有较强的强度，如平坦道路上明显的凸包或凹坑等。 随机路面拟合的方法 路面不平度的时域仿真有如下方法；将任意一条路面轨迹看作一系列离散的正弦波叠加而成的三角级数法；将路面高程的随机波动抽象为满足一定条件的白噪声，经一定假定进行适当变换而拟合出路面随机不平度的线性滤波白噪声；根据实际路面试凑参数而确定形状函数的过滤泊松过程模型；基于频域功率谱密度采样的傅里叶变换方法。 以上四种方法均属于功率谱密度分析模型，但前三种方法是针对路面不平度的数值模拟，所得路面不平度对应的功率谱密度与给定的功率谱密度相比都存在一定的误差，而第四种方法与给定的功率谱密度一致。 在实际中，利用仪器可测得路面 不平度的有限数据的特点，建立了路面不平度的统计模型： AR 和 ARMA 模型。 随着分形理论和小波理论的发展，提出了分形分析模型和小波分析模型，但两者还都处于研究的初始阶段，对于这两种理论在路面不平度特性的描述以及使用方法还有待进一步研究。 应用路面不平度的时域模型进行汽车平顺性仿真较多是线性滤波白噪声法、三角级数法和傅里叶变换方法。 尽管每一种方法都给出了理论推导，并且都有广泛的应用，但由于路面不平度的时域模型均是在统计特征一致的情况下构造的，每种模型只能是路面不平度这一随机过程的一个样本。 同时，上述方法均把路面不平 度看成是各态历经的平稳随机过程。 路面激励的拟合 不管是标准道路谱，还是实测道路谱，其功率谱密度函数（ PSD）是路面不平度的一个统计量。 因此，对应于测量范围内某一种确定的路面不平度，其 PSD 是唯一的；但对于给定的 PSD，其模拟设计的路面不平度并不唯一，也就是说频域模型和时域模型并非一对一的映射，因此从频域模型所得的路面不平度的时域模型只能看成是满足给定路谱的全部可能的路面不平度中的一个样本函数。 为从已知的路面谱，获得路面激励时域模型 — 随机路面不平度，通用的方法是将路面不平度定性为平稳的随机过程。 大量的测量分析结果表明，路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性，可以用平稳随机过程理论来分析描述。 通常把道路垂直纵断面与道路表面的交线作为路面不平度的样本，通过样本的数学特征 — 方差或功率谱密度函数来描述路面。 均值为零时，方差可以反映路面不平度大小的总体情况；功率谱密度函数能够表示路面不平度能量在空间频域的分布，它说明了路 面不平度或者说路面波的结构。 从功率谱密度函数不仅能了解路面不平度的结构，还能反映出路面的总体特征。 上文中提到的谐波叠加法拟合不平路面的原理是：设路面高程为平稳的、遍历的均值为 0 的 Gaussian 过程，则可以用不同形式的三角级数进行模拟。 本文以正弦波进行模拟，随机正弦波叠加法采用以离散谱逼近目标随机过程的模型，是一种离散化数值模拟路面的方法。 随机信号可以通过离散 Fourier 分析变换分解为一系列具有不同频率和幅值的正弦波。 谱密度就等于由带宽划分的这些正弦波幅值的平方。 路面的不平对汽车产生的激励具有随机性，其统计特性通常主要采用路面功率谱密度来描述。 按照国标 GB703186《车辆振动输入――路面平度表示方法》，路面不平度位移功率谱密度拟合表达式采用下式： wqq nnnGnG  )/()()( 00 式中 0n 是参考空间频率； n 是空间频率，它表示波长的倒数，即每米长度中包括几个波长； )( 0nGq 为参考空间频率 0n 下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数， 单位为米的立方； w为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。 已知在空间频率 21 nnn  内的路面位移谱密度为 )(nGq ， 利用平稳随机过程的平均功率的频谱展开性质，路面不平度的方差 2 为 nnn qdnG )(212  将区间  21,nn 划分为 n 个小区间，取每个小区间的中心频率 )(imidn （ i=1， 2， 3...，n） 处的谱密度值 )( imidq nG  代替 )(nGd 在整个小区间内的值，则离散化后近视为 iim idni qz nnG   )(12 对应每个小区间，现在要找到具有频率 )(imidn （ i=1， 2， 3...， n） 且其标准差为)( imidqi nGn  正弦波函数，这样的正弦波函数可为 )2s in ()(2 iim i diim i dq xnnnG    将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来，就得到时域路面随机位移输入 )2s i n ()(2)( 1 iimi diimi dqni xnnnGxq    式中  为 （ 0， 2 ） 上的均匀分布的随机数； x 为时域路 面的 x方向 同样将空间频率功率谱密度化为时间功率谱密度后可以得到 ： )2s i n ()(2)( 1 iimi dimi dqni tfffGtq    于是便可以得到路面垂直位移随时间的变化关系。 在 GB7031 文件里规定，按功率谱密度把路面分成八个等级并规定每种路面等级下不平度系数 )( 0nGq 的取值范围和集合平均值，如表 21所示 ： 表 21 路面等级 )( 0nGq )10( 36m  10  mn 113 1 )10(. mnmmq 几何平均值 几何平均值 A 16 B 64 C 256 D 1024 E 4096 F 16384 G 65536 H 262144 路面激励的生成 根据某一等级路面不平度系数 )( 0nGq 的取值，可计算出一定空间频率范围内的路面不平度功率谱密度 )(nGq 数据曲线，将路面不平 度功率谱密度 )(nGq 离散化，作为已知输入带入式，根据谐波叠加原理，应用 MATLAB 软件编制路面谱生成程序， 可以生成这种等级下的时域路面文件。 根据上面的理论公式，根据国标 GB703186《车辆振动输入 —— 路面平度表示方法》中规定的 B 级路面数据，拟合出 B级随机路面， B 级随机路面的空间谱如图21 所示。 图 21 把按照谐波叠加法理论拟合出的 B级随机路面的时间谱，再作谱分析拟合出B 级随机路面的频域谱（具体求法将在第四章提到），将此频域谱与按国标GB703186《 车辆振动输入 —— 路面平度表示方法》提供的 B 级路面理论上的频域谱进行对比，如图 22 所示所示。 从图中可得，拟合路面于标准路面基本吻合。 综上所述，按照上面“谐波叠加法来构建随即路面不平度的时域模型”理论建立的随机露面是准确的。 图 .22 车辆平顺性的评价方法 汽车平顺性的评价是一个极为复杂的过程，它包括人、车、路三个环节，其中人是最活跃的因素，当前对汽车平顺性进行评价主要分两类：主观评价和客观评价。 主观评价是人对汽车平顺性最直接的评价方法。 主观评价方法主要是根据有一定经验的试车人员对汽车振动 的直观感受进行统计分析并对车辆进行评价。 经过对主观评价的研究分析，设计人员根据经验可以简单地改变如汽车悬架参数来提高汽车的平顺性。 但是，由于车辆的动态特性和人体对振动响应的复杂性，主观评价只能是对汽车平顺特性的一个比较模糊的描述。 此外，由于人与人之间存在的差异，以及人体自身复杂的心理、生理特性，即使对同样的汽车振动的感觉也会不一致，这样，就会导致难以对汽车平顺性进行定量、准确的评价分析，因此需要专门评价人员进行。 而客观评价方法由于排除了人的个人差异，以具有量值的概念对汽车平顺性进行评价，从而可以比较精确合 理地评价、分析汽车的平顺性。 它主要考虑车辆的隔振性能，以机械振动的各个物理量（如振幅、频率、加速度等）作为评价指标，通过测试传递到人体的振动量的大小，来确定影响人体舒适性的程度，以此来评价汽车的平顺性，因此，这是一种较为合适的评价方法。 国际标准 ISO2631法用于评价振动得到多数人的认同，我国也参照该标准制定了相应的汽车振动评价方面的国家标准。 随机输入平顺性评价指标 如图 23 所示 ISO26311(1997)[35]标准规定在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支撑面处输入点 3 个方向的线振动，还考虑该 点三个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支撑面两个输入点各 3 个方向的线振动，共 3 个输入 12 个轴向振动。 此标准认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，不仅给出了各轴向 ~80的频率加权函数，又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了各轴向振动的轴加权系数。 图 23 ISO26311(1997)标准规定，当振动波形峰值系数 9（峰值系数是加权加速度时间历程 )(taw 的峰值与加权加速度均方根值 wa 的比值）时， 用基本的评价方法 —— 加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。 由于本次设计只是考虑垂直路面位移对平顺性的影响，所以只计算垂直方向上的加权加速度均方根值。 计算垂直加权加速度均方根值 aw 有两种计算方法 : 1）对纪录的加速度时间历程α (t)，通过相应频率加权函数 w(f)的滤波网络得到加权加速度时间历程 )(taw ，按下式计算加权加速度均方根值。 02/1  Ttww daTa 式中： T 为振动的分析时间，取 100s. 其中频率加权函数 )(fw 用下列的公式表示： 42/14/)(fffffffwk ；    802/2 )( ff ffw d；    808/8 )( ff ffw c；    801/1 )( ff ffw e； 2）对记录的加速度时间历程 a ( t)进行频谱分 析得到功率谱密度函数 Ga ( f)计算 aw。 先计算 1 /3倍频带加速度均方根谱值： 2/1)(  uiliff aifGa ； 式中 ia 是中心频率为c。