使用多体动力学建模分析汽车悬挂系统

2018年 2月 20日

当汽车在行驶中撞上坑洼时,悬挂系统会在几秒钟内受到严重损坏。悬挂系统必须能够适应无数的路况,同时支撑汽车的车轮、座椅和车身。要研究车辆悬挂系统的性能,我们可以使用多体分析和机械系统的简化集总模型。

为创新型车辆悬挂系统奠定基础

如果撞上坑洼有好的一面呢?车辆悬挂技术的创新可以使这成为可能。一些潜在的发展包括:将动能转化为电能为车辆提供动力的方法,可以减少坑洼的软件驱动式冲击,以及通过语音指令调整机械悬挂的设置

如果没有一个坚实的基础,是不可能增强悬挂系统的。毕竟,任何车辆的悬挂系统都需要适应载荷变化,吸收道路上的倾斜和颠簸等等。否则,会出现常见的悬挂问题,如车轮定位不良、弹簧磨损和减震器损坏。

带有悬架系统的车辆底盘的图片
带有悬挂系统的底盘示例。图片来自 Christopher Ziemnowicz — 自己的作品。根据CC BY-SA 2.5 许可,通过 Wikimedia Commons

通过在 COMSOL Multiphysics 软件中建立简化的集总模型,我们可以分析和优化车辆悬挂系统设计。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟集总机械系统

自 COMSOL Multiphysics 5.3a 版开始,软件内置的集总机械系统 接口可以用来以非图形格式对离散机械系统进行建模。这个系统可以用质量、阻尼器和弹簧来表示。我们可以选择将这些系统连接到 2D 或 3D 多体动力学 接口。对集总机械系统建模时,可以同时使用多体动力学模块中的 集总机械系统多体动力学 接口。

在本教程中,车辆悬挂系统的集总模型有三个主要组件:

  1. 车轮
  2. 座位
  3. 身体

集总车辆悬架系统模型的注释图
具有三个主要组件的车辆悬挂系统的集总模型。

每个轮子都有一个自由度(DOF),在上图中用绿色圆圈表示。每个座位用蓝色圆圈表示,也有一个自由度。在重心处,车体有三个自由度来解释系统的旋转:

  1. 侧倾
  2. 纵倾
  3. 俯仰

我们可以使用多体动力学 接口中的 刚性域 节点和指定位移/旋转 子节点来限制实体的自由度数量。

要对车轮和座椅进行建模,可以使用集总机械系统 接口的 质量,弹簧阻尼器 节点。整车模型包括四个车轮和四个座椅,两个部件都被定义为一个子系统。

下面的示意图中显示了质量(m)、弹簧(k)和阻尼器(c)。车轮的集总模型考虑了其质量和刚度,以及车辆悬挂的刚度和阻尼。座椅的集中模型考虑了其刚度和阻尼,以及乘客的质量。

集总模型的车轮和座椅示意图
车轮和座椅的集中模型。

使用集总机械系统 接口的外部源 节点模拟车身,这有助于在轮体和车身座点处将悬架系统与车身连接起来。

查看瞬态分析结果

通过瞬态分析,我们可以计算给定路形时车辆运动和座椅振动水平。在这种情况下,道路的凸起高度为 4cm,宽度为 7.5cm。假设车辆以 40km/h 的恒定速度行驶。通过假设道路上的一系列凸起对路面不平度进行建模,但仅假设车辆的左轮在凸起上行驶。

下面,我们来看看车辆滚动、节距和隆起随时间变化的曲线。这些结果可能有助于设计振动,直观地减少撞击坑洼后的侧倾、纵倾和升降。

如下图所示,当车辆的左侧在给定路形的凸起上移动时,对于给定的道路激励,滚动旋转大于节距旋转。我们还可以在下面右侧的速度图中看到侧倾、纵倾和升降运动的相应速度。两个不同的频率——低频和高频——对应于系统部件的固有频率。

车辆运动的一维图
车辆速度的一维图

重心处的车辆侧倾、纵倾和升降运动(左)以及相应的车辆速度(右)。

例如,如果我们想利用撞击坑洼产生的动能,需要确定车辆如何移动以及移动的速度。在这种情况下,我们可以分析所有四个座椅位置的位移和加速度随时间的变化。座椅位移结果显示,车辆左侧的位移要大得多,因为这一侧会越过道路上的凸起,而右侧不会。

座椅位移的一维图
座椅加速度的一维图

座椅位移(左)和座椅加速度(右)的时间曲线。

最后,为了确定悬挂的软硬程度,并对其进行相应的修改,我们想知道弹簧中力的情况。结果表明,车轮的弹簧和阻尼器所受的力远大于座椅。这是因为力被车轮和车身的惯性吸收,所以只有一小部分力从车轮传递到座椅。此外,与车轮上的力相比,座椅上的力振动频率要低得多,从而使乘坐时更加平稳。

左前轮弹簧和阻尼器中的力的一维图。
左前座椅弹簧和阻尼器中力的一维图

左前轮(左)和左前排座椅(右)的弹簧和减震器中的力。

后续步骤

这个简化的模型为分析车辆悬挂系统提供了坚实的基础,我们可以将其与实验数据进行比较来验证仿真结果。通过验证,我们可以增强悬挂系统的设计,获得真实性能。

点击上面的按钮,尝试自己动手模拟车辆悬挂系统集总模型教程。


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