用于宽频振动仿真的轮胎等效非线性动力学建模方法

技术领域

本发明涉及轮胎动力学建模技术领域，具体为一种用于宽频振动仿真的轮胎等效非线性动力学建模方法。

背景技术

车轮是车辆重要的部件，它的结构参数和力学特性决定着汽车的行驶性能，其中轮胎模型对车辆多体动力学仿真技术的发展与仿真结果有很大影响。由于轮胎力学性能具有高度非线性特点，使得轮胎动力学建模变得困难。

目前，轮胎动力学建模多采用PAC89、PAC94、PAC2002、Fiala、UA、SWIFT与FTire模型，但是路面激励主要集中在0-30Hz范围内，有效频率符合该要求的仅为SWIFT与FTire轮胎，其他轮胎有效频率都在8Hz以下，不能用于车辆振动仿真分析。SWIFT模型采用等效路形的方法来处理轮胎与地面的接触问题，但是等效路形与实际输入路面还存在差异，导致仿真结果误差偏大。FTire模型是一个非线性轮胎模型，能识别很多不同格式的路面文件，计算精度较高；该模型占用计算资源较大，一般要求1秒钟1000步长；F-tire模型所需参数很多，获取这些参数需要做轮胎的模态试验，以及不同压力和滑移速度下胎面橡胶的摩擦特性试验，其费用较高；因此，FTire模型不适合在工程上推广。

为了解决现有轮胎动力学建模与车辆振动仿真误差大的问题，提高车辆振动仿真精度，以及轮胎建模仿真方法的实用性与可操作性，提出一种用于宽频振动仿真的轮胎等效非线性动力学建模方法与流程。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于宽频振动仿真的轮胎等效非线性动力学建模方法，用以提高车辆振动仿真精度，以及轮胎建模仿真方法的实用性和可操作性。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

步骤1：建立车轮等效非线性动力学模型，并进行车轮径向刚度和轴向刚度仿真计算；

步骤2：进行车轮径向刚度和轴向刚度真实试验，并利用径向刚度和轴向刚度真实试验的结果数据对所述车轮等效非线性动力学模型进行静态校准；

步骤3：基于所述校准后的车轮等效非线性动力学模型，建立车辆1/2动力学模型，并进行悬架偏频与阻尼仿真计算；

步骤4：进行悬架偏频与阻尼真实试验，并利用悬架偏频与阻尼真实试验的结果数据对车辆1/2动力学模型进行动态校准。

在上述技术方案中，首先建立车轮等效非线性动力模型，并利用模型对车轮径向刚度和轴向刚度仿真计算，进一步通过车轮径向刚度与轴向刚度真实试验，进而对车轮等效非线性动力学模型进行静态校准分析，当分析结果不满足条件时，优化车轮等效非线性动力模型，直至建立的车轮等效非线性动力模型满足静态校准分析。进而基于满足条件的车轮等效非线性动力学模型建立车辆1/2动力学模型，在此模型上进行悬架偏频与阻尼仿真，进一步进行悬架偏频与阻尼试验，并根据试验结果进行车辆1/2动力学模型动态校准分析，当分析结果不满足条件时，优化车辆1/2动力学模型，直至建立的车辆1/2动力学模型满足分析条件要求。

具体地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11：建立外轮辋、内轮辋与轮毂多刚体动力学模型，并设置材料与质量属性；

步骤12：建立外轮辋与内轮辋之间的轴向弹簧组模型，并设置轴向弹簧刚度与阻尼；建立内外轮辋与轮毂之间的径向弹簧组模型，并设置径向弹簧刚度与阻尼；

步骤13：建立虚拟试验台模型，并创建外轮辋与试验台间和内轮辋与试验台间的接触关系；

步骤14：约束轮毂X方向(水平面上与轮毂轴向垂直的方向)与Y方向(水平面上与轮毂轴向平行的方向)平动自由度，Rx向(绕x轴的方向，其中x轴与X向平行)、Ry向(绕y轴的方向，其中y轴与Y向平行)与Rz向(绕Z轴方向，Z轴与竖直方向平行)转动自由度，并给轮毂施加Z方向(竖直方向)负载；

步骤15：设置虚拟实验平台不同垂向位移，进行车轮径向刚度仿真和车轮轴向刚度仿真。

实际生活中，现有轮胎的内外轮辋与轮毂均是由钢材制作而成，其材料与质量(重量)均对轮胎的动态属性有影响，因此在建立多刚体动力学模型时，需要将内外轮辋和轮毂的材料和质量参数代入模型中；由于连接轮辋与轮辋、轮辋与轮毂的材料为具有弹性的金属材料，因此可以将他们等效为弹簧组，基于此建立轴向和径向弹簧组模型，并根据材料属性设置弹簧刚度和阻尼；在计算机上建立一个虚拟试验台模型，并设置外轮辋和内轮辋与试验台的接触关系；根据车辆行驶过程中轮胎真实的运动情况，设置模型的约束条件，同时根据车辆自重等实际数据给轮毂施加Z方向负载；设置虚拟实验平台的位移数据，模拟轮胎与地面的相对运动情况，进行车轮径向和轴向刚度仿真。

具体地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21：进行轮胎径向刚度和轴向刚度真实试验；

步骤22：将轮胎径向刚度真实试验结果设置为优化目标，将径向弹簧组的刚度设置为优化变量，通过优化仿真确定径向弹簧组的刚度值Kz；将轮胎轴向刚度真实试验结果设置为优化目标，将轴向弹簧组的刚度设置为优化变量，通过优化仿真确定轴向弹簧组的刚度值Ky；

步骤23：根据Kz与Ky修改车轮等效非线性动力学模型，修改后的等效非线性动力学模型仿真计算结果与真实试验的结果吻合度大于等于预设值。

在上述方案中，可采用现有方法进行轮胎径向刚度与轴向刚度真实试验，并将轮胎径向刚度和轴向刚度试验结果数据设置成车轮等效非线性动力学模型优化目标，进一步通过优化仿真确定径向弹簧组的刚度值Kz和轴向弹簧组的刚度值Ky，将Kz和Ky代入车轮等效非线性动力学模型中，以达到模型的准确度要求；通过以上步骤，提升了车轮等效非线性动力学模型的准确性。

具体地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31：基于校准后的车轮等效非线性动力学模型建立车辆1/2动力学模型，设置模型中的约束关系；

步骤32：给虚拟试验台施加瞬间脉冲位移激励，采集悬架加速度时域数据；

步骤33：对悬架加速度时域数据进行FFT分析(傅里叶变换分析)，得到悬架加速度频域数据，计算悬架偏频；根据所述悬架加速度时域数据计算悬架阻尼。

上述方案中，基于静态校准后的车轮等效非线性动力学模型，构建车辆1/2动力学模型，并在虚拟试验台上施加瞬间脉冲位移激励，得到悬架加速度时域数据，进一步计算出悬架偏频和悬架阻尼。

具体地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤41：进行悬架偏频与阻尼真实试验；

步骤42：将阻尼真实试结果验数据设置为优化目标，将径向弹簧组的阻尼与轴向弹簧组的阻尼设置为优化变量；

步骤43：通过优化仿真确定径向弹簧组的阻尼值Cz与轴向弹簧组的阻尼值Cy；

步骤44：根据Cz与Cy修改车辆1/2动力学模型，修改后的车辆1/2动力学模型的仿真计算结果与真实试验的结果吻合度大于等于预设值。

上述方案中，采用现有技术进行悬架偏频和阻尼测定实验，得到悬架频偏和阻尼数据，并将得到的试验数据设置为车辆1/2动力学模型的目标函数，对径向弹簧组和轴向弹簧组的阻尼至进行优化，得到优化的阻尼值Cz(径向弹簧)和Cy(轴向弹簧)，将Cz和Cy代入车辆1/2动力学模型中，提升了模型的准确性。

进一步地，所述修改后的车轮非线性动力学模型的仿真计算结果与真实试验的结果吻合度预设值为90％-95％。

进一步地，所述修改后的车辆1/2动力学模型的仿真计算结果与真实试验的结果吻合度预设值为90％-95％。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施车轮径向刚度和轴向刚度试验，以试验结果为基础，将轮胎径向刚度试验数据设置为目标函数，将径向弹簧组的刚度设置为优化变量，通过优化仿真确定径向弹簧组的刚度值Kz；将轮胎轴向刚度试验数据设置为目标函数，将轴向弹簧组的刚度设置为优化变量，通过优化仿真确定轴向弹簧组的刚度值Ky，利用Kz和Ky值对车轮等效非线性动力学模型进行静态校准；实施悬架偏颇与阻尼试验，将悬架偏频与阻尼试验数据设置为目标函数，将径向弹簧组的阻尼与轴向弹簧组的阻尼设置为优化变量，通过优化仿真确定径向弹簧组的阻尼值Cz与轴向弹簧组的阻尼值Cy，利用Cz和Cy值对车辆1/2动力学模型进行动态校准。本发明提高了随机路面激励与脉冲激励等激励作用下车辆振动的仿真模型精度与计算效率，并且相比于FTire模型减少了仿真计算的成本。

附图说明

图1为根据本发明实施例的车轮动力学建模技术流程图；

图2为根据本发明实施例的车轮动力学模型结构示意图，其中图2(a)为车轮动力学模型立体结构示意图，图2(b)为车轮动力学模型侧视图，图2(c)为车轮动力学模型正视图；

图3为根据本发明实施例的车轮径向刚度的仿真数据与试验数据对比图；

图4为根据本发明实施例的车轮轴向刚度的仿真数据与试验数据对比图；

图5为根据本发明实施例的悬架偏频的仿真数据与试验数据对比图；

图6为根据本发明实施例的悬架阻尼的仿真数据与试验数据对比图；

图7为根据本发明实施例的随机路面激励与脉冲激励悬架振动的仿真数据。

图中：1、外轮辋；2、内轮辋；3、轮毂；4、轴向弹簧组；5、径向弹簧组；6、虚拟试验台。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种用于宽屏振动仿真的轮胎等效非线性动力学建模方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立车轮等效非线性动力学模型，并进行车轮径向刚度和轴向刚度仿真计算，具体包括以下步骤：

步骤11：如图2所示，建立外轮辋、内轮辋与轮毂多刚体动力学模型，并设置材料与质量属性；

步骤12：建立外轮辋与内轮辋之间的轴向弹簧组模型，并设置轴向弹簧刚度与阻尼；建立内外轮辋与轮毂之间的径向弹簧组模型，并设置径向弹簧刚度与阻尼；

步骤13：建立虚拟试验台模型，并创建外轮辋与试验台间和内轮辋与试验台间的接触关系；

步骤14：约束轮毂X方向与Y方向平动自由度，Rx向、Ry向与Rz向转动自由度，并给轮毂施加Z方向负载；

步骤15：设置虚拟实验平台不同垂向位移，进行车轮径向刚度仿真和车轮轴向刚度仿真。

步骤2：根据SAE J2718规定进行车轮径向刚度和轴向刚度真实试验，并利用径向刚度和轴向刚度真实试验的结果数据对所述车轮等效非线性动力学模型进行静态校准，具体包括以下步骤：

步骤21：进行轮胎径向刚度和轴向刚度真实试验；

步骤22：将轮胎径向刚度真实试验结果设置为优化目标，将径向弹簧组的刚度设置为优化变量，通过优化仿真确定径向弹簧组的刚度值Kz；将轮胎轴向刚度真实试验结果设置为优化目标，将轴向弹簧组的刚度设置为优化变量，通过优化仿真确定轴向弹簧组的刚度值Ky；

步骤23：根据Kz与Ky修改车轮等效非线性动力学模型，修改后的等效非线性动力学模型仿真计算结果与真实试验的结果吻合度大于等于预设值，则进入步骤3；若修改后的等效非线性动力学模型仿真计算结果与真实试验的结果吻合度小于预设值，则回到步骤1。

图3为车轮径向刚度的仿真数据与试验数据结果对比图，仿真数据平均值为369.8.3N/mm，试验数据平均值为388.5N/mm，两者吻合度为95.2％；车轮轴向刚度的仿真数据与试验数据对比结果如图4所示，仿真数据平均值为465.7N/mm，试验数据平均值为496.3N/mm，两者吻合度为93.8％。

通过对比分析可得，静态校准后车轮等效非线性动力学模型刚度仿真数据与试验数据的吻合度均大于90％，说明建立的车轮等效非线性动力学模型静力学特性是准确的；若静态校准后车轮等效非线性动力学模型刚度仿真数据与试验数据的吻合度均小于90％，则说明建立的车轮等效非线性动力学模型静力学特征是不准确的，需要对模型进行修改后再重新校准。

步骤3：基于所述校准后的车轮等效非线性动力学模型，建立车辆1/2动力学模型，并进行悬架偏频与阻尼仿真计算，具体包括：

步骤31：基于校准后的车轮等效非线性动力学模型建立车辆1/2动力学模型，设置模型中的约束关系；

步骤32：给虚拟试验台施加瞬间脉冲位移激励，采集悬架加速度时域数据；

步骤33：对悬架加速度时域数据进行FFT分析，得到悬架加速度频域数据，计算悬架偏频；根据所述悬架加速度时域数据计算悬架阻尼。

步骤4：进行悬架偏频与阻尼真实试验，并利用悬架偏频与阻尼真实试验的结果数据对车辆1/2动力学模型进行动态校准，具体包括以下步骤：

步骤41：根据GB 4783汽车悬挂系统的固有频率和阻尼测定方法要求进行悬架偏频与阻尼真实试验；

步骤42：将阻尼真实试结果验数据设置为优化目标，将径向弹簧组的阻尼与轴向弹簧组的阻尼设置为优化变量；

步骤43：通过优化仿真确定径向弹簧组的阻尼值Cz与轴向弹簧组的阻尼值Cy；

步骤44：根据Cz与Cy修改车辆1/2动力学模型，修改后的车辆1/2动力学模型的仿真计算结果与真实试验的结果吻合度大于等于预设值，则结束；若修改后的车辆1/2动力学模型的仿真计算结果与真实试验的结果吻合度小于预设值，则回到步骤3。

车辆1/2动力学模型偏频的仿真数据与试验数据对比结果如图5所示，仿真数据平均值为2.14Hz，试验数据平均值为2.02N/mm，两者吻合度为94.4％；车辆1/2动力学模型阻尼的仿真数据与试验数据对比结果如图6所示，仿真数据平均值为0.27，试验数据平均值为0.25，两者吻合度为92.6％。

通过对比分析可得，动态校准后车辆1/2动力学模型偏频与阻尼仿真数据与试验数据的吻合度均大于90％，说明建立的车轮等效非线性动力学模型动力学特性是准确的；若动态校准后车辆1/2动力学模型偏频与阻尼比仿真数据与试验数据的吻合度均小于90％，说明建立的车轮等效非线性动力学模型动力学特性是不准确的，需要调整车辆1/2动力学模型并重新校准该模型。

本实施例中，基于校准后的车辆1/2动力学模型进行了随机路面激励与脉冲激励车辆振动仿真计算。具体包括以下步骤：在动态校准后的车辆1/2动力学模型的虚拟实验台上施加随机位移信号，进行动力学仿真；提取悬架加速度时域数据，并进行傅里叶变换分析；在动态校准后的车辆1/2动力学模型的虚拟实验台上施加脉冲位移信号，进行动力学仿真；提取悬架加速度时域数据，并进行傅里叶变换分析。

在随机位移激励与脉冲位移激励条件下，悬架加速度频域数据如图7所示，悬架固有频率为2.14Hz，车轮固有频率为14.68Hz。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。