動力學分析與模擬軟件在車輛工程中的應用

王駿林

摘要：隨著社會的不斷發(fā)展與科學技術的不斷進步，計算機技術在其實用性上得到了充分的體現(xiàn)，對于教學系統(tǒng)動力學來說，計算機技術對其產(chǎn)生了質(zhì)變的影響，尤其是車輛工程方面巨大的計算量利用計算機技術得以充分的解決。本文就車輛工程中的動力學分析與模擬軟件應用進行研究分析并對其進行闡述。

關鍵詞：動力學;模擬;車輛

現(xiàn)如今由于計算機技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)動力學的復雜性可以利用計算機強大的計算能力對其進行輔助計算以達到更高的效率，比如傳統(tǒng)機械動力學有時需要對成百個非線性微分方程組進行求解，利用計算機可以快速準確的解決。所以機械計算機輔助工程（MCAE）也因此運用而出，而動力學分析與模擬正是其中最重要的組成部分。它能夠動態(tài)的模擬機械系統(tǒng)，能夠有效的減少車輛等機械的設計時間，增加工作效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

在車輛工程動力學程序方面，一些例如軍用車倆個的專用的機動性模型的動態(tài)模分析程序與動力學分析程序的應用研究，在其研發(fā)過程中建立的數(shù)學模型與編寫的計算機程序中投入了大量的人力和財力，雖然在預測車輛性能等方面有一定的貢獻，但其成果不能在其他方面充分的利用，在此方面的投入浪費是不可避免的。此外，計算機技術與現(xiàn)代動力學的融合促進了機械動力學相關的大批量的分析軟件，但在此類軟件的操作方面，雖然極大的減少了工程師的計算與工作量，但仍然要求工程師在具備操作計算機的基本能力的前提下需要自身具備足夠的現(xiàn)代動力學基礎。這類軟件由于自身的通用性當前還滿足不了多車輛等各種具有特殊需求的領域，在進行了此方面的軟件應用后還要對其進行后繼的開發(fā)工作，這些都是在車輛工程中廣泛應用相關軟件的主要障礙。

一、車輛動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學模型分析

在進行車輛研究時，建立與其相對應的一般性車輛整車多體系統(tǒng)是非常必要的，與其他系統(tǒng)相比，多體系統(tǒng)具備多方面的優(yōu)勢，它的數(shù)學模型是建立在還要m個相互約束的n個剛體與可變形體的基礎之上的，這類系統(tǒng)模型對于特殊用途的車輛及其軍用火炮的設計有著巨大的適用性。

多體系統(tǒng)能夠為車輛不平度行駛的隨機過程已經(jīng)火炮瞄準過程起到較大的分析與確定作用，在有效的樣本值作為系統(tǒng)母集合輸入后，便可利用Gear（多值法）、Runge-Kuta（顯示定步長法）、Adams（多步法）、Merson（變步長法）以及線性系統(tǒng)離散差分法等各種數(shù)值解法面向系統(tǒng)的狀態(tài)方程，得出系統(tǒng)對象響應的均值、功率譜密度函數(shù)等各種復雜的數(shù)據(jù)，并有軟件對其進行整理輸出動畫形式的示意圖。這類對車輛進行的軟件模擬與動力學分析的方法被稱為VDAS（振動數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)）。

二、車輛工程的計算機行駛模擬

基于上述對車輛進行的軟件模擬與動力學分析對車輛進行數(shù)據(jù)的計算，得出乘車人員所受的速度與位移及加速度等各方面的樣本數(shù)據(jù)。我國依照國際ISO2631所規(guī)定的標準，制定了符合我國實際情況的GB4970-85標準，針對車輛的平順性，利用隨機輸入的方法進行的實驗與評價車輛的指標進行了規(guī)范與要求。

在實驗中因為要對其進行頻譜分析，要求在實驗中對時間的采樣間隔越小越好，這樣才能滿足頻譜分析的需要。在座椅系統(tǒng)的實驗中，和譜分析乘員所要承受的加速度力等各種樣本的相關序列數(shù)據(jù)時，會采用FFT（快速傅立葉變換算法）對其進行計算，而針對樣本序列，我們則可以使用多種加窗的處理方式來進行計算。

三、基于車輛工程的火炮射擊計算機模擬應用

由于軍用車輛自身所具備的特殊性，VDAS系統(tǒng)針對火炮射擊所造成的后坐力與穩(wěn)定，有著完善的計算機程序模塊與數(shù)字模型，在車輛與火炮的移動、加速度、自身速度及其火炮發(fā)射的后坐力所應受的阻力方面，能夠在自身的動態(tài)系統(tǒng)中對其進行計算得出數(shù)值并導入方程進行求解，從而得出相關序列的樣本數(shù)值。

在之前的研究中，主要以單個的車輛位移或火炮的發(fā)射系統(tǒng)的動態(tài)特征，而本文提到的研究是針對車體與火炮系統(tǒng)相互之間運動狀態(tài)互為偶合關系的整個車輛的動態(tài)特征。關于車輛上所載火炮的射擊精度問題，由于火炮在發(fā)射過程中各種位移關系與所受的各力量、加速度等在時間上的序列數(shù)據(jù)與車體運動數(shù)據(jù)是相關的，在處了火炮自身的穩(wěn)定之外，主要在行進過程中載有火炮的車輛自身的穩(wěn)定也及其重要，所以要對車輛懸掛裝置提高要求，分析與計算出車輛與火炮之間最為契合的控制系統(tǒng)。

四、結(jié)語

在車輛工程的發(fā)展方面，軟件模擬與利用計算機進行的動力學分析技術已經(jīng)得到了廣泛的應用，這項技術已經(jīng)趨于成熟，利用計算機的模擬系統(tǒng)替換用真實的車輛進行實驗來進行車輛動態(tài)特征的評測，不但能夠體現(xiàn)經(jīng)濟與場地上的優(yōu)勢，還在車輛整體設計與部件構(gòu)造方面有著巨大的應用價值，體現(xiàn)了科學技術是第一生產(chǎn)力的發(fā)展戰(zhàn)略。本文就動力學分析及其軟件模擬技術進行了簡要的分析與說明，為今后車輛工程中對計算機與軟件程序的利用與結(jié)合提供參考。

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