某型车路面冲击载荷作用下瞬态动力分析*

卢培纪，王福明

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

某型车路面冲击载荷作用下瞬态动力分析*

卢培纪，王福明

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

在动态环境下，为了预测人-车系统的振动响应特性及车辆乘坐舒适性，根据瞬态动力学原理和路-车-人系统间的相互作用，构建了9自由度汽车乘坐动力学模型。基于路面不平情况下的瞬态冲击载荷而引起的人-车系统不同位置的加速度响应，在ANSYS软件中进行仿真分析。仿真分析结果表明：该9自由度车型在特定的参数匹配下，在路面不平引起的瞬态冲击载荷作用时，传递到人体的加速度能快速的衰减到设计范围内，满足整车乘坐舒适性的设计要求。

瞬态分析；ANSYS；路-车-人系统

1 引 言

整车乘坐舒适性是评价车辆性能的重要指标。良好的乘坐舒适性不仅可提高乘车人员对车辆的满意度，而且可延长整车使用寿命，降低油耗提高运输效率。随着汽车工业的快速发展，如何改善车辆行驶平顺性和提高乘坐舒适性已经成为现代汽车设计者十分关注的问题[1]。车辆悬架系统中的座椅、轮胎的特性参数都是影响整车乘坐舒适性的主要原因[2]。分析整车在不同载荷下的瞬态动力学是体现车辆舒适性的一种重要方法。为分析路-车-人系统的相互作用，高红华等通过13自由度车-椅-人系统的动力学模型，进行汽车平顺性的建模及仿真研究。

为评价动态状态下整车乘坐舒适性，必须了解动态环境下路-车-人系统中各部分的振动响应特性，特别是人体的振动响应特性。为此笔者在分析路-车-人系统间的相互作用和路面激励约束的基础上，根据动力学原理，建立9自由度整车乘坐动力学模型，并在ANSYS 13.0中构建系统的仿真模型并进行仿真分析，进而评价动态环境下车辆乘坐舒适性。

2 九自由度路-车-人系统动力学模型

2.1 整车力学模型及几何尺寸参数

动态环境下路-车-人系统是一个复杂多变的自由振动系统。为简化计算，假设：①约束轮胎五个方向的自由度只保留z方向自由；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。根据假设建立整车力学模型如图1所示，模型几何尺寸参数如表1所列。

图1 九自由度路-车-人系统力学模型

表1 模型尺寸参数

2.2 车辆瞬态冲击载荷

假设载荷为作用在前后轮胎上面的冲击载荷，其形式如下。

作用于前轮的冲击载荷：

作用于后轮的冲击载荷：

式中：v为车速，取v=10 m/s。

3 路-车-人系统ANSYS仿真模型

3.1 有限元模型单元类型及参数选择

笔者采用ANSYS 13.0建立整车系统模型，主要采用MPC184单元模拟刚性车架，MASS21单元模拟模型中的质量，COMBIN14单元模拟轮胎、悬架及座椅。模型具体参数选择如表2所列。

表2 系统模型实常数

3.2 整车系统的有限元模型

根据整车设计参数及单元选型，在ANSYS 13.0中建立路-车-人系统的有限元仿真模型如图2所示。

图2 九自由度系统有限元仿真模型

4 路-车-人系统仿真分析结果

根据建立的系统有限元模型，分别对模型中的车架、座椅、人体在瞬态冲击情况下Z轴方向的位移和加速度仿真分析结果，其结果如图3～8所示。

图3 车架Z方向位移与时间关系 图4 车架Z方向加速度与时间关系

图5 座椅Z方向位移与时间关系 图6 座椅Z方向加速度与时间关系

图7 驾驶员Z方向位移与时间关系 图8 驾驶员Z方向加速度与时间关系

从系统仿真分析结果可知，该车型在遇到路面瞬态冲击时，传递到人体Z轴方向的位移和加速度都有很大衰减。其中，在该瞬态冲击时，车架的最大位移为4.6×10-3m，人体最大位移为2.4×10-3m，降低了47.8%；车架的最大加速度为17 m/s2，人体最大加速度为0.38 m/s2，降低了95.2%，根据加速度、人体主观感受、乘坐舒适性标准[3]，达到整车乘坐舒适性的设计要求。

5 结 语

(1) 建立的9自由度路-车-人系统瞬态动力学模型及利用ANSYS仿真工具构建的该系统的有限元模型，能够实现在瞬态冲击载荷作用下系统中不同位置的位移和加速度仿真分析。

(2) 车架、座椅、人体在Z轴方向上的位移和加速度仿真分析结果表明，该车型在瞬态冲击载荷下，传递到人体的位移和加速度响应都有很大的降低，达到了车辆设计舒适性的要求。

[1] 张 鄂,刘中华,计志红,等. 人-车系统的人体乘坐舒适性仿真及实验研究[J]. 工程设计学报,2010,17(2):107-113.

[2] 宋一凡,陈榕峰. 基于路面不平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] ISO 2631-1, Mechanical Vibration and Shock (Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration)Part 1: General Requirements[S].1997.

Vehicles Transient Dynamic Analysis under the Impact Loading

LU Pei-ji，WANG Fu-ming

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

In a dynamic environment, in order to predict people - car system vibration response characteristics and vehicle ride comfort, according to the transient dynamics and the inter relation about the system road-car-person，a nine DOF dynamic model of car ride is constructed. Based on acceleration response of the human-vehicle system in different locations caused by load transients impact in case of uneven pavement, simulation and analysis are done by software ANSYS. Simulation results show that nine DOF dynamic model are passed to the body′s acceleration attenuation to the design range under the appropriate parameters，which meets the design requirements of the vehicle comfort.

transient analysis；ANSYS；road - car - person system

2013-12-04

卢培纪(1984-)，男，河南商丘人，在读硕士，主要从事车辆振动噪声控制方面的研究工作。

TH112

A

1007-4414(2014)01-0019-02