汽車設計中的動力學仿真研究

鄭宏達

摘 要 本文系統闡釋了汽車結構設計中開展動力學仿真技術運用的具體情況及其發展前景。其中涵蓋充氣式輪胎結構動力學，駕車者—汽車回路結構動力學（內含懸移架、轉路、制導體系的完整控制）及汽車運行中的空氣作用動力學等多項內容。

關鍵詞 汽車結構設計 汽車結構動力學 電腦模擬 技術分析

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A

0引言

電腦數字模擬是利用電腦程序化技術，依托數字模型對具體的汽車結構系統展開實驗型研究的基本方法，其能夠把分析的操作手段用在模擬型實驗過程：完整利用現有的基礎物理學理論，構建出待研究體系的數字化結構模型；選取和具體的物理結構體系的實驗相類似的基礎型探討手法，在電腦程序中展開仿真形態的實驗過程。當今時期伴隨著訊息傳播技術、電腦程序技術、系統化結構理論、光纖通訊技術、影像視頻技術的深度開發和廣泛應用，電腦模擬技術的進步和完善也與日俱增，且逐步普及到社會發展中的各個行業之中，凸顯出其獨特的高效、快捷性能。

1充氣型輪胎結構動力學理論

橡膠輪胎是屬于汽車結構中的一個關鍵性組件，它的性能狀況不但密切關聯著汽車本身的操作平穩性、安全性，同時也給汽車本身控制體系的設計確定出關鍵性的依據。輪胎結構力學特征涵蓋靜態化特征及動態化特征。動態化特征由其運動形態去觀察，應區別為穩態化特征及非穩態化特征；由輪胎力學存在狀況去觀察，應將其區分成側偏化特征、側傾化特征、縱滑型特征、垂直型振動特征、包容性特征等多項內容。充氣型輪胎結構動力學經歷長期的研究過程，其已變成了汽車結構動力學體系中的特種學科，依照經典型力學理論及其實驗方法，已構建出了一個全套化的模型來對其展開仿真式研究。

電腦模擬技術的問世給輪胎結構動力學研究構建了新的方式方法。比如利用有限元方法編制輪胎結構模型，首先把輪胎立體輪廓的各層截面劃分成無數個局部性的單元，且輸進所用的結構材料特征和胎壓技術指標，再運用非線型有限元程序軟件構建輪胎的有限元結構模型。須對模型實施準靜態式的徑向剛度指標分析、穩靜態側部剛度指標分析、一米式自由下落仿真實驗，以及側向偏剛度仿真。此類汽車結構模型能應用到汽車動力學性能分析及整車現場“模擬試驗場”（VlG）仿真，選取很少的輪胎功能結構技術指標，可獲取到輪胎負載及負載轉移的基本特征。

依托人工神經型網絡（ANN）技術理論，能編制出三層BP型網絡結構模式，以各類相異的側向偏角、外向傾角及垂直負載下的側應力或回正型力矩的實驗測定數值作為模擬訓練樣本并展開學習過程，由此構建輪胎具備側偏特征的結構模型。神經型網絡模型是由特屬輪胎的實驗測得數值來確定，所以其精準度很高，加之其模型構建過程比較簡化，無需關注模型本身的內部結構情況，僅需把它當作黑箱從外部輸進或進行輸出就能夠快捷地構建對應模型。除此之外還包括模態式分析方法、模糊型分析方法、灰色系統式分析方法等多類方法。

2駕車司機—汽車回路體系動力學

回路體系動力學，依照其系統狀態可化分成線性功能區、非線性功能區、臨界指標區及恢復功能區等四類區域。線性功能區是研究回路系統處于穩定狀態時其特征對主體安全性（也叫操作穩固性）的關聯作用，也就是汽車精準配合操作輸進及拒絕外界干擾的能力。非線性功能區是研究回路體系處于非穩定狀態時的結構變化特征，需要輪胎本身具備優質的附著性能，也就是說在非線性變化的極限功能狀況下不致于整體喪失管控效能。臨界功能區是研究回路體系處于極限狀態下的性能特征，需要其擁有把汽車結構狀態訊息快速通報給駕車司機的特異功能。

回路體系的性能狀態分析，應選取基于多類體系的動力學（MBS）技術理論的研究手段，利用電腦模擬程序軟件構建出涵蓋輪胎結構模型的總裝體系仿真結構模型；其與駕駛司機操作模型合并即可構建出駕車司機一汽車回路體系統結構模型。駕車司機專屬模型，重點包括隸屬于古老管控技術理論的最佳編制模型，認為駕車司機目測預瞄前部路況，從而讓行進曲率獲取最佳效果，能操作出最恰當的方向盤轉角。近階段開發出了利用其他手段構建駕駛員操作模型，比較典型的有最先進的人工型神經網絡式駕車司機操作模型。在回路體系模型狀況上，能展開方向盤角階躍式輸進、角型脈沖輸進、正弦波輸進、力型脈沖輸進等的穩定態、瞬時態協作特征的研究分析，及模擬式移線、雙向移線、蛇行、定半徑回周、雙扭線等跟隨一定路徑的響應特性研究。

3汽車空氣動力學

研究汽車行駛過程中所受到周圍氣流對其作用的各種力和力矩的特性，及這些特性對汽車性能的影響，主要研究圍繞汽車外部的空氣流態和進人汽車內部的空氣流態。汽車行駛中受到的氣動力有迎面阻力、升力、側向力及這些力形成的俯仰力矩、側傾力矩和橫擺力矩，其大小大致與空氣對汽車的相對速度的平方成正比，因此隨著車速日益提高，氣動作用力對性能的影響也愈加顯著。傳統的空氣動力學研究方法為試驗方法，包括室內的風洞實驗及室外實驗等，需耗費較高成本。

基于計算流體動力學（CFD）理論，在汽車外形三維CAD模型基礎上建立三維CFD模型，運用計算機仿真軟件可進行汽車空氣動力學的仿真研究。

4結語

國內目前對仿真技術的研究正迅速發展。中國計算機用戶協會仿真機分會于1997年10月在昆明召開了“面向二十一世紀系統仿真技術”交流會，1998年7月在北京召開了分會成立巧周年慶祝會，中國系統仿真學會也于1997年1月底在張家界召開了年會，交流國內仿真領域理論及應用的成果。

參考文獻

[1] 林柏忠，楊得軍，郭學立，管欣，郭孔輝.具有模塊化結構的汽車動力學仿真模型的初步研究[J].汽車工程，2003（04）.

[2] 張威，張景海，隗海林，賈洪飛.汽車動力學仿真模型的發展[J].汽車技術，2003（02）.

[3] 袁清珂，董增前，周一鳴.汽車動力學性能的計算機仿真[J].汽車工程.1995（03）.

[4] 巢凱年.一種汽車動力學仿真模型[J].中國機械工程，1993（06）.endprint