路面冲击载荷作用下的整车瞬态动力学分析

张丽丽，吕 偿

（广东白云学院机电工程学院，广东广州510450）

路面冲击载荷作用下的整车瞬态动力学分析

张丽丽，吕 偿

（广东白云学院机电工程学院，广东广州510450）

针对某车型，依据实车车身用UG建立了该车型整车的三维实体模型，利用Hypermesh进行了网格划分，建立其有限元模型，导入有限元分析软件ANSYS 13.0求解了该车辆在冲击载荷作用下的瞬态动力学特性，获得了乘员Z方向位移和加速度曲线，整车Z方向位移和加速度曲线并分析了车辆的振动加速度对乘员舒适性的影响，为该车型的NVH优化设计提供了理论参考，具有实际的经济研究价值。

加速度；冲击载荷；瞬态动力学

车辆在行驶过程中，由于路面不平整产生的冲击载荷对成员自身的冲击成为评价舒适性的重要指标之一。车辆在受到冲击载荷时，车辆会产生整体的瞬态效应[1]。研究车辆的瞬态动力学特性有助于提高车辆的整体舒适性。车辆悬架系统中座椅、轮胎的特征参数是影响车辆整体舒适性的主要因素[2]，用传统的经验公式来确定悬架座椅、轮胎等的特征参数常常不尽如人意，往往需要经过多次样车试验、修改才能获得较合理的参数匹配方案，且开发周期长、费用较高[3]。本文用UG建立整车的有限元模型，并用ANSYS 13.0分析其瞬态动力学特性，为提高车辆的乘坐舒适性奠定了良好的基础。

1 车辆的有限元模型

1.1 几何模型的建立

汽车是一个体积尺寸庞大的物体，结构复杂，组成构件的个数多，存在螺栓、螺母、翻边等一些细小的零部件，如果在原有结构上直接进行网格划分和计算分析，部分网格数量较多，可能会导致计算失败，为了保证计算顺利，可做以下简化处理[4]：（1）螺栓连接的地方看作一个整体，小圆弧忽略不计；（2）焊接处焊缝的材料与母体一致；（3）轮胎刚度只考虑垂直方向刚度；（4）前后悬挂油气弹簧的刚度非线性进行线性化等效处理。

1.2 有限元模型的建立

几何模型建立之后，选择相应合理的单元属性进行模拟，如刚性车架用MPC184单元模拟，模型中的质量用MASS21模拟，轮胎、悬架及座椅用COMBIN14模拟。车体本身还有自重，直接在有限元软件中定义材料属性和重力加速度[5]。车架的材料采用20#钢，该材料的密度为7 850 kg/m3，弹性模量为207 GPa，泊松比为0.3.

将UG中建立的模型导入有限元分析软件ANSYS 13.0，首先对模型进行布尔运算，以顺利进行网格划分。模型中的面采用SHELL93单元划分，体采用SOLID187单元划分。建模完成后得SHELL93单元数71 508个，SOLID187单元数241 057个，MASS21单元数19个，SPRING14单元数6个，总单元数312 590个，节点数96 318个。建好的整车有限元模型如图1所示。

图1 整车有限元模型

2 瞬态动力学分析

2.1 瞬态动力学平衡方程

瞬态动力学分析是用于确定随时间变化载荷作用下结构的动力学响应的一种方法。利用该方法可以确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力等。

瞬态动力学的基本平衡方程为

其中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；｝为节点加速度向量，｝为节点速度向量；｛u｝为节点位移向量。

在瞬态动力学分析中，计算方法采用运算速度快、输入参数少、特征值、特征向量求解精度高的BLOCK-LANZOS方法。

2.2 边界条件

汽车在行驶过程中，路面不平整对车身及驾驶员的冲击载荷是复杂多变的，为了研究的方便，做如下假设：

（1）约束轮胎五个方向的自由度只保留Z方向的自由度；

（2）约束刚性车架与悬架连接处的转动自由度；

（3）载荷为作用在前后轮胎上面的冲击载荷，其形式如下：

作用于前轮胎的冲击载荷：

作用于后轮胎的冲击载荷：

其中：v为车速，单位为m/s.

3 仿真结果分析

根据建立的有限元模型，用STEP函数为该车型后轮施加驱动，使该车以35 m/s的速度行驶，仿真时间为4 s，步长为0.05 s，选用BDF算法进行求解，分别对冲击载荷作用下整车Z方向位移与时间关系、加速度与时间关系和乘员Z方向位移与时间关系、加速度与时间关系进行了仿真分析，仿真结果如图2~图5所示。

图2 乘员Z向位移

图3 乘员Z向加速度

图4 整车Z向位移

图5 整车Z向加速度

从仿真结果可以看出，该车型在遇到路面冲击载荷时，传递到乘员Z方向的位移和加速度都有很大衰减。说明该车在通过凸凹不平的路面时，乘员在Z方向的振动比较厉害。

由图2可知：（1）曲线上有3个较大的峰值，分别为2.2×10-3m、1×10-3m、-2.6×10-3m，对应的时间历程分别为0.2 s、0.5 s、1 s；（2）乘员Z向最大位移为-2.6×10-3m，出现在1 s时刻；（3）在2.4 s以后，乘员Z方向的位移接近零，汽车平顺性良好。

由图3可知：（1）曲线上有4个较大的峰值，分别为0.24 m/s2、-0.32 m/s2、0.3 m/s2、0.34 m/s2，对应的时间历程分别为0.1 s、0.3 s、0.35 s、0.75 s；（2）乘员最大加速度为0.34 m/s2，出现在0.75 s时刻；（3）在1.6 s以后，乘员Z方向的加速度接近零，说明1.6 s以后，乘员Z方向振动趋向平稳。

由图4和5可知：整车在约0.5 s时刻Z方向位移和加速度最大，之后接近于零，说明汽车在启动时Z向振动最剧烈。

4 结束语

（1）针对某车型进行了结构分析，用UG建立了该车整车的三维实体模型，然后进行网格划分，建立其有限元模型。

（2）根据建立的有限元模型，用有限元分析软件ANSYS 13.0分别对冲击载荷作用下整车和乘员Z方向的位移与加速度进行了仿真分析，获得了整车Z方向位移和加速度曲线、乘员Z方向位移和加速度曲线。仿真结果表明，乘员Z方向的位移和加速度都有明显衰减，为车辆的改进及优化设计提供了良好的理论依据。

[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]宋一凡，陈榕峰.基于路面不平整度的车辆振动响应分析方法[J].交通运输工程学报，2007，7（4）：39-42．

[3]李志春，王惠琼，李佩林.汽车平顺性建模及仿真研究[J].农机化研究，2006（6）：176-178.

[4]黄立，唐华平，唐春喜，等.电动轮自卸车整车模态分析[J].矿山机械，2005，33（8）：28-29，5.

[5]袁夏丽，唐华平，谭永青，等.重型矿用自卸车车架的模态分析和结构优化[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014，37（12）：1424-1429.

The Transient Dynamic Analysis of a Vehicle Under Impact Load

ZHANG Li-li，LV Chang

（School of Mechanical and Electrical Engineering，
Guangdong Baiyun University，Guangzhou Guangdong 510450，China）

A Three-dimensional entity model for a car was set up by UG based on the vehicle body.The FE model was built through meshing the model.The transient dynamic characteristics under impact load were got by ANSYS 13.0.The curve of acceleration and displacement of people and the vehicle was got，which provided a theoretical reference for the optimization design of the car and has the actual economic research value.

acceleration；impact load；transient dynamic

U461

A

1672-545X（2016）11-0026-02

2016-08-04

广东白云学院科研项目（项目编号：BYKY201332）

张丽丽（1982-），女，山东临沂人，硕士，讲师，主要从事机械CAD/CAE方面的研究工作。