基于ADAMS牽引車車架動態外載荷仿真研究

張敬輝 宋年秀 劉祥斌 孫海云 樊攀

【摘要】根據傅里葉變換和逆變換的相關理論，利用matlab編制了模擬路面不平度激勵的程序，計算出了時域路面不平度激勵;利用ADAMS建立了牽引車的虛擬樣機模型，以得到的時域路面不平度激勵為基礎，反求出了牽引車車架的動態外載荷的時間歷程。為獲取車架的疲勞壽命和進一步研究車架動態特性提供了依據和參考。

【關鍵詞】牽引車車架;路面不平度;動態外載荷

Abstract：According to the theory of Fourier transform and inverse transform，using matlab prepared a simulated road roughness incentive program，calculated the time-domain road roughness incentive;Established the tractor virtual prototype model by using ADAMS，reversed out the dynamic loads history of the tractor frame based on the road roughness motivation.Provided basis and reference for obtaining frame fatigue life and further research on the frame dynamic response.

Key words：Tractor Frame;Road Roughness;Dynamic Load

1.引言

車架作為非承載式車身結構的基礎部件，不僅作為其他零部件的裝配機體，還要承受汽車在運行中的各種載荷。經過大量研究表明，車架的損壞90%是汽車運行過程中，汽車自身和載重振動引起的，隨機載荷的循環作用是車架疲勞破壞的根本原因。所以，要分析車架的動態特性，首先必須得到車架隨時間變化的動態外載荷。

2.路面不平度激勵

2.1 路面不平度函數

路面不平度指路面凹凸不平的程度，用來表征路面平整性的好壞，通常會將路面相對基準平面的高度q，沿道路走向長度I的變化q（I）稱為路面不平度函數。如圖1所示。用水準儀或路面計可以得到路面不平度函數。

圖1 路面不平度函數

2.2 路面不平度功率譜密度

根據GB/T7031-2005《機械振動-道路路面譜測量數據報告》，路面功率譜密度用下式作為擬合表達式：

（1）

式中：——空間頻率（m-1），波長的倒數;——參考空間頻率，=0.1m-1;——參考空間頻率下的路面功率譜密度，也稱路面不平度系數;W——頻率指數，國家標準推薦取W=2。

2.3 路面不平度的模擬

離散傅里葉變換是建立有限長的時域序列與有限長的頻域序列變換關系的方法，式（2）、（3）為傅里葉正變換和逆變換表達式。

（2）

（3）

根據牽引車行駛的工況，其路面等級為D級，假定車速為40km/h，為了能夠覆蓋整個固有頻率段，取，采樣間隔為1/110s，采樣點數為3300。得到的路面時域位移激勵信號如圖2所示。

圖2 40km/h車速下D級路面的時域位移激勵信號

3.車架動載荷的動力學仿真

為了得到車架的動態外載荷，需要對車架結構進行分析、簡化，然后利用多體動力學仿真軟件ADAMS建立相應的虛擬樣機模型，最后結合前面得出的分析結果仿真車架的動態外載荷。

3.1 建立牽引車虛擬樣機模型

虛擬樣機模型是利用動力學仿真軟件ADAMS建立的，如圖3所示。力學參數主要是指零部件的剛度阻尼等參數，外界參數主要是路面不平度激勵。根據傅里葉變換與逆變換已經得到了時域路面不平度激勵。所以，主要確定車架的力學參數即可。

圖3 車架相關參數

鋼板彈簧的剛度系數為：前鋼板彈簧的垂直剛度系數kf=268N/mm，后鋼板彈簧的垂直剛度系數kr=1780N/mm。輪胎采用的是12.00R20型號輪胎，具體參數如1所示。

表1 12.00R20輪胎力學參數

參數名稱 單位 參數值

徑向剛度 Mm 817.9

徑向阻尼系數 2.35

輪胎轉動慣量 Kgmm2（Ixx，Iyy） 3.64e6

Kgmm2（Izz） 2.16e6

質量 Kg 91.4

根據以上參數，利用ADAMS建立牽引車虛擬樣機模型，在ADAMS/View中導入車架，作為一個單獨的PART，將懸架和輪胎進行簡化，用彈簧單元模擬懸架和輪胎，通過標示點和約束，建立車架與懸架、輪胎的連接關系。將車架受到的載荷簡化為前中后相應位置的質量塊。創建道路模型時，在每個車輪下創建測試平臺，測試平臺通過彈簧與車輪接觸，車輪與懸架通過彈簧連接，因為路面不平度激勵只是在垂直方向上，所以模型相對于地面在垂直方向運動。牽引車虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 虛擬樣機模型

3.2 仿真車架動態外載荷

在上一節中建立了車輛的虛擬樣機模型，將得到的路面時域位移激勵信號施加到測試平臺上，進行30s動態仿真，得出車架上裝質量M1、M2、M3對車架的作用力的時間歷程。得到的外載荷結果如圖5所示。

圖5 車架前中后部動載荷時間歷程

得到了車架動態外載荷時間歷程后，需要對載荷數據進行保存，可以作為疲勞分析的輸入，通常保存為工業常用格式—.dac格式，能夠實現與疲勞分析軟件之間的數據傳輸。

4.結束語

本文根據傅里葉變換和傅里葉逆變換的相關理論，利用matlab編制相應的模擬路面不平度激勵的程序，得出了牽引車行駛過程中的時域路面不平度激勵，然后在多體動力學分析軟件ADAMS中建立了牽引車的虛擬樣機模型，結合得到的時域路面激勵，仿真出了車架動態外載的時間歷程。為進一步研究牽引車的動態特性提供了依據，為研究牽引車車架的疲勞壽命奠定了基礎。

該方法具有普遍意義，同樣適應于其他車輛的動態外載荷的仿真計算。利用matlab和ADAMS聯合仿真具有實際意義，已經在實際中得到了很好的驗證，該方法在車輛開發前期進行虛擬樣車的性能分析以及指導車輛參數設計具有重要意義。

參考文獻

[1]余志生.汽車理論（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2]林家浩，張亞輝.隨機振動的虛擬激勵[M].北京：北京科學出版社，2004.

[3]汪學剛，張明友.現代信號理論（第二版）[M].北京：機械電子出版社，2005：15-18.

[4]中國國家標準化管理委員會，GBT7031-2005《機械振動 道路路面譜測量數據報告》[R].2005.

[5]王永德，王軍.隨機信號分析基礎[M].北京：電子工業出版社，2003.

[6]劉獻棟，等.基于逆變換的路面不平度仿真研究[J].中國公路學報，2005（1）.

[7]Xiaoming，Tan，Yueliaug，Chen，Ping，Jin.Prediction approach for corrosion fatigue 1ife of aircraft structure based on probabilistie fracture mechanics[M].Key Engineering ilaterials，2006：943-946.

作者簡介：張敬輝（1989—），男，碩士，現就讀于青島理工大學汽車與交通學院，研究方向：汽車制動性。