基于越野路面谱汽车行驶平顺性建模与仿真.doc

基于越野路面谱汽车行驶平顺性建模与仿真1 引言汽车的行驶平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境中具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是评价现代汽车的重要性能指标之一。

随着汽车工业的发展，如何改善汽车行驶平顺性，已经成为汽车设计者十分关注的问题。

汽车行驶时,路面的不平度会引起汽车的振动。

当这种振动达到一定程度时，将使乘客感到不舒适和疲劳、或使运载的货物损坏，汽车行驶平顺性正是根据乘座者的舒适度来评价汽车性能的，又可称为乘座舒适性。

汽车是一个复杂的多质量振动系统，其车身通过车架的弹性元件与车桥连接，而车桥又通过弹性轮胎与道路接触，其他如发动机、驾驶室等，也是以橡皮垫固定于车架。

在激振力作用下，如道路不平而引起的冲击和加速、减速时的惯性力，以及发动机与传动轴振动等，系统将发生复杂的振动，对乘员的生理反取决于行驶平顺性，而被迫降低行车速度，因而使汽车的平均技术速度减低，运输生产应和所运货物的完整性，均会产生不利的影响。

在坏路上，汽车的允许行驶速度受动力性的影响不大，主要率下降。

其次，振动产生的动载荷，加速了零件的磨损，乃至引起损坏，降低了汽车使用寿命。

此外，振动还引起能量的消耗，使燃料经济性变坏。

因此，减少汽车本身的振动，不仅关系到乘坐的舒适和所运货物的完整，而且关系到汽车的运输生产率、燃料经济性、使用寿命和工作可靠性等。

1.1研究的意义中国作为发展中国家，在过去的20多年里，国民经济持续、健康、快速发展，汽车工业也取得了跨越式的发展，我国的汽车生产能力也得很大的提高。

近几年来，我国私人汽车拥有量快速增长，道路的建设，汽车行驶里程越来越远，乘客乘坐时间越来越长，汽车的行驶平顺性更加受到生产厂家及用户的关注。

私人汽车拥有量快速增长,道路的建设，汽车行驶里程越来越远，乘客乘坐时间越来越长，汽车的行驶平顺性更加受到生产厂家及用户的关注。

舒适的振动环境，对于乘员，不仅在行驶过程中很重要，而且可以保证乘员到达目的地后，以良好的状态投入工作。

对于载货汽车来说，平顺性影响着货物保持完好的程度。

因而如何最大限度地降低汽车在行驶过程中产生的振动，甚至更进一步利用振动来为我所用是一项十分有价值和意义的工作，而有关振动在汽车领域的研究更是逐步发展为其一个重要分支——汽车的平顺性研究。

1.2研究方法安全、舒适、环保、节能是半个世纪以来汽车工业发展所面临的重要课题，是21世纪汽车发展的方向。

汽车的平顺性主要研究“输入”——“系统”——“输出”三者之间的关系，并进行符合实际的评价。

系统的“输入”主要由汽车以一定车速驶过随机路面不平度所引起，因此产生的振动也是随机的。

此“输入”经过轮胎、悬架、座垫等弹性原件、阻尼元件及悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统，传递到悬挂质量或人体，这两部分的加速度就是“输出”的振动物理量。

然后根据人体对振动的反应——乘坐者的舒适程度来评价汽车的平顺性。

总的讲，就是把路面不平度的统计规律作为汽车振动系统的输入，然后用一定的算法求出与事实一致的响应，并进行复合实际的评价。

有时汽车振动系统的“输出”还要考虑车轮与路面间的动载。

研究平顺性的目的就是要控制振动的传递，使乘坐者的不舒适的感觉控制在一定的界限以内。

汽车平顺性的研究内容非常广泛，主要包括：汽车振动模型的研究、路面谱的研究、汽车振动响应的求解、汽车行驶平顺性评价方法和评价内容的研究和汽车平顺性的试验研究等。

汽车作为一个复杂的多自由度振动系统，定量分析和评价平顺性的关键在于建立理想的力学模型和数学模型。

在计算机广泛参与研究之前，常将汽车简化为单自由度或几个自由度的简单模型，虽然这在当时为汽车平顺性的研究起到了非常积极的作用，但难以真实的反应汽车在不同行驶工况下行驶的实际情况，只能进行定性分析。

随着计算机技术和仿真技术的发展，平顺性的模型以从单自由度、简谐输入分析发展到多自由度、多输入随机振动分析水平，并逐渐由线性模型发展到非线性复合参数模型。

其中比较有代表性的是：D.J.Segals建立的十五自由度模型，美国密歇根大学的十七自由度模型等。

我国研究工作者较常使用的模型有七自由度模型、八自由度模型、十自由度模型以及十五自由度模型。

汽车的激励主要来自路面，因而研究平顺性就必需研究路面，作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其特性。

目前国内采用的是反应在1984年国际标准化组织在文件ISO/TC108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方案草案”和由长春汽车研究所起草制定的GB7031“车辆振动输入——路面不平度表示”两个标准，用幂函数形式的路面功率谱密度来描述路面特性。

这两个标准可以反应实际路面的一般状况，但尚需进一步完善。

而关于越野路面谱的路面不平度描述，国内尚未提出一个统一的标准，只有一些对特定路面研究的相关资料。

有了合适的路面特性描述和适合的汽车模型以后，就可以求解汽车的振动响应。

汽车平顺性的计算方法又分为线性和非线性解法两类，两类方法中有分别包括时域和频域解法，在工程应用中使用频域解法的居多，时域解法往往很难直接得到人们所需要的有价值的信息，通常把时域解通过傅立叶变换转换至频域。

目前，对应于随机输入的线性解法已经较为成熟，其基本思想是用频率响应函数H(f)建立输入、输出之间的关系，再经过数学变换求出系统的响应。

被普遍采用的线性解法有：振型叠加法、状态空间法、模拟状态发法等。

关于平顺性的评价方法，ISO2631-1；1997（E）标准规定，当振动波形峰值系数<9时，用基本方的评价方法加权加速度均方根值来评价对人体舒适和健康的影响。

根据测量，各种车辆包括越野车，在正常行驶工况下对这一方法均适用。

由于优化采用的准则和目标函数选择的不同，国外提了多种平顺性评价方法，如乘坐舒适法、K系数法、吸收功率法和总体乘坐法。

目前，被各方面普遍采用的仍为国际标准化组织定制的ISO2631国际标准推荐的两种评价方法：其一是上的加权加速度均方根值评价方法，另一种是1/3倍频带分别评价法。

但是应当指出，ISO2631标准是以短时间简谱振动的试验研究成果为基础，所以目前对之应用与汽车的长时间随机振动环境以及一些冲击比较大的振动环境中仍有争议，还有必要继续进行研究以得到更适合评价汽车平顺性的指标。

试验研究历来是科学研究必不可少的手段，汽车平顺性的研究也是如此，最初它甚至是评价汽车平顺性的惟一方法，即使是现在汽车仿真技术有了极大的发展，试验任然是验证仿真结果的手段。

我国自20世纪70年代后期以来，随着概率论、随机振动理论、计算机技术在汽车领域的普及和应用，以及一些先进试验设备、仪器的引进，我国汽车平顺性的试验研究工作有了突飞猛进的发展，先后定制了“汽车行驶平顺性随机输入试验方法”，“汽车行驶平顺性脉冲输入试验方法”、“汽车悬架系统固有频率和相对阻尼系数的测定方法”和“汽车平顺性感觉评价试验系统”等标准，初步构成了一个比较完整的汽车行驶平顺性试验方法体系。

1.3 MATLAB软件简介汽车平顺性分析是汽车动力学的一个分支，随着汽车动力学研究的日益深化，汽车平顺性力学模型越来越复杂，其数学模型的求解身份烦冗，工作量十分巨大，最初从古老的模态分析技术开始，首先是实模分析，随着矩阵理论的发展，扩大到复模态分析。

后来，对汽车平顺性的分析，虽然有计算机的辅助，还是要人工建立车辆平顺性模型，然后用数值差分的方法解微分方程组，再用计算机高级语言编程，做这这些工作需要人们既要有高深的专业知识，又要有计算机及计算数学方面专业知识，同时还要有软件编程经验，而且编程调试是一项非常艰的工作。

到了最近，由于计算机仿真技术的发展，各种仿真软件大量出现。

一些专用的仿真语言如ARPO、ACSL，它使得编程更加简化，效率提高，随后出现了专用的动力学软件ADAMS，它可以根据物理模型产生运动方程，并自动求出运动方程，但用户比较难于介入中间过程，特别是要求与外部的控制系统联结时十分困难。

近年来，外国优秀的矩阵实验室MATLAB软件以其简洁实用而在工程分析中广为应用。

MATLAB诞生于20世纪70年代，是美国教授Cleve Moler在新墨西哥大学创建的，一开始是利用一些成熟的计算软件包以及一些可靠的子程序编写而成的交互式软件，Cleve Moler将之取名为MATLAB，意为矩阵实验室（Matrix Laboratory）,以后几年MATLAB作为免费软件在大学里使用，深受广大学生们的喜爱。

图1.1 MATLAB主界面MATLAB长于数值计算，能处理大量数据，其中包括一般的数量分析、矩阵运算、数字信号处理。

MATLAB不同于一般的高级语言在于它的基本变量是矢量型的，并且不需要定义数组的维数，这为解决多维问题带来极大的方便，它集应用程序和图形于一体，十分直观。

MATLAB另一个重要它的开放性，各种软件包不断的集成到系统中去。

目前已有几十个专业工具箱如控制系统设计、神经网络、模糊控制、系统辨别、优化、系统合成与分析、鲁棒控制、系统动力学模拟，这些都是个专业领域中十分优秀的软件，同时MATLAB程序进行修改，同时每个专业工具箱中都有算例，用户可以参照学习。

对平顺性模拟适用的工具箱就是系统动力学模拟工具箱，即Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

MATLAB之所以被广泛应用于汽车平顺性的分析，主要由于其有以下几个特点: （1）语言简单，内涵丰富MATLAB语言中最基本最重要的成分是函数，同一函数名F，不同数目的输入变量及不同数目的输出变量，代表着不同的含义。

这不仅使MATLAB的库函数功能更丰富，而且大大的减少了需要的磁盘空间，使MATLAB编写的M文件简单、短小而高效。

（2）高效方便的矩阵和数组运算MATLAB的数组运算用普通的算术运算符就可以进行，这大大方便了数组运算，另外，它定义了数组维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化领域的问题时显得大为简捷、高效、方便。

这是其他高级语言所不能比拟的。

（3）方便的绘图功能MATLAB的绘图是十分方便的，它有一系列的绘图函数和命令，例如线性坐标、对数坐标和极坐标，均只需调用不同的绘图函数和命令，在图上标出题图、XY轴标注、格（栅）绘制也只需要调用相应的命令，简单易行。