汽車設(shè)計(jì)中的動(dòng)力學(xué)仿真研究

鄭宏達(dá)

摘 要 本文系統(tǒng)闡釋了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開展動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)運(yùn)用的具體情況及其發(fā)展前景。其中涵蓋充氣式輪胎結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，駕車者—汽車回路結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)（內(nèi)含懸移架、轉(zhuǎn)路、制導(dǎo)體系的完整控制）及汽車運(yùn)行中的空氣作用動(dòng)力學(xué)等多項(xiàng)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 電腦模擬 技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

電腦數(shù)字模擬是利用電腦程序化技術(shù)，依托數(shù)字模型對(duì)具體的汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程：完整利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)物理學(xué)理論，構(gòu)建出待研究體系的數(shù)字化結(jié)構(gòu)模型；選取和具體的物理結(jié)構(gòu)體系的實(shí)驗(yàn)相類似的基礎(chǔ)型探討手法，在電腦程序中展開仿真形態(tài)的實(shí)驗(yàn)過程。當(dāng)今時(shí)期伴隨著訊息傳播技術(shù)、電腦程序技術(shù)、系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)理論、光纖通訊技術(shù)、影像視頻技術(shù)的深度開發(fā)和廣泛應(yīng)用，電腦模擬技術(shù)的進(jìn)步和完善也與日俱增，且逐步普及到社會(huì)發(fā)展中的各個(gè)行業(yè)之中，凸顯出其獨(dú)特的高效、快捷性能。

1充氣型輪胎結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論

橡膠輪胎是屬于汽車結(jié)構(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵性組件，它的性能狀況不但密切關(guān)聯(lián)著汽車本身的操作平穩(wěn)性、安全性，同時(shí)也給汽車本身控制體系的設(shè)計(jì)確定出關(guān)鍵性的依據(jù)。輪胎結(jié)構(gòu)力學(xué)特征涵蓋靜態(tài)化特征及動(dòng)態(tài)化特征。動(dòng)態(tài)化特征由其運(yùn)動(dòng)形態(tài)去觀察，應(yīng)區(qū)別為穩(wěn)態(tài)化特征及非穩(wěn)態(tài)化特征；由輪胎力學(xué)存在狀況去觀察，應(yīng)將其區(qū)分成側(cè)偏化特征、側(cè)傾化特征、縱滑型特征、垂直型振動(dòng)特征、包容性特征等多項(xiàng)內(nèi)容。充氣型輪胎結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)經(jīng)歷長(zhǎng)期的研究過程，其已變成了汽車結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)體系中的特種學(xué)科，依照經(jīng)典型力學(xué)理論及其實(shí)驗(yàn)方法，已構(gòu)建出了一個(gè)全套化的模型來對(duì)其展開仿真式研究。

電腦模擬技術(shù)的問世給輪胎結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究構(gòu)建了新的方式方法。比如利用有限元方法編制輪胎結(jié)構(gòu)模型，首先把輪胎立體輪廓的各層截面劃分成無數(shù)個(gè)局部性的單元，且輸進(jìn)所用的結(jié)構(gòu)材料特征和胎壓技術(shù)指標(biāo)，再運(yùn)用非線型有限元程序軟件構(gòu)建輪胎的有限元結(jié)構(gòu)模型。須對(duì)模型實(shí)施準(zhǔn)靜態(tài)式的徑向剛度指標(biāo)分析、穩(wěn)靜態(tài)側(cè)部剛度指標(biāo)分析、一米式自由下落仿真實(shí)驗(yàn)，以及側(cè)向偏剛度仿真。此類汽車結(jié)構(gòu)模型能應(yīng)用到汽車動(dòng)力學(xué)性能分析及整車現(xiàn)場(chǎng)“模擬試驗(yàn)場(chǎng)”（VlG）仿真，選取很少的輪胎功能結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)，可獲取到輪胎負(fù)載及負(fù)載轉(zhuǎn)移的基本特征。

依托人工神經(jīng)型網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)理論，能編制出三層BP型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，以各類相異的側(cè)向偏角、外向傾角及垂直負(fù)載下的側(cè)應(yīng)力或回正型力矩的實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)值作為模擬訓(xùn)練樣本并展開學(xué)習(xí)過程，由此構(gòu)建輪胎具備側(cè)偏特征的結(jié)構(gòu)模型。神經(jīng)型網(wǎng)絡(luò)模型是由特屬輪胎的實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)值來確定，所以其精準(zhǔn)度很高，加之其模型構(gòu)建過程比較簡(jiǎn)化，無需關(guān)注模型本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，僅需把它當(dāng)作黑箱從外部輸進(jìn)或進(jìn)行輸出就能夠快捷地構(gòu)建對(duì)應(yīng)模型。除此之外還包括模態(tài)式分析方法、模糊型分析方法、灰色系統(tǒng)式分析方法等多類方法。

2駕車司機(jī)—汽車回路體系動(dòng)力學(xué)

回路體系動(dòng)力學(xué)，依照其系統(tǒng)狀態(tài)可化分成線性功能區(qū)、非線性功能區(qū)、臨界指標(biāo)區(qū)及恢復(fù)功能區(qū)等四類區(qū)域。線性功能區(qū)是研究回路系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其特征對(duì)主體安全性（也叫操作穩(wěn)固性）的關(guān)聯(lián)作用，也就是汽車精準(zhǔn)配合操作輸進(jìn)及拒絕外界干擾的能力。非線性功能區(qū)是研究回路體系處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)變化特征，需要輪胎本身具備優(yōu)質(zhì)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(qū)是研究回路體系處于極限狀態(tài)下的性能特征，需要其擁有把汽車結(jié)構(gòu)狀態(tài)訊息快速通報(bào)給駕車司機(jī)的特異功能。

回路體系的性能狀態(tài)分析，應(yīng)選取基于多類體系的動(dòng)力學(xué)（MBS）技術(shù)理論的研究手段，利用電腦模擬程序軟件構(gòu)建出涵蓋輪胎結(jié)構(gòu)模型的總裝體系仿真結(jié)構(gòu)模型；其與駕駛司機(jī)操作模型合并即可構(gòu)建出駕車司機(jī)一汽車回路體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。駕車司機(jī)專屬模型，重點(diǎn)包括隸屬于古老管控技術(shù)理論的最佳編制模型，認(rèn)為駕車司機(jī)目測(cè)預(yù)瞄前部路況，從而讓行進(jìn)曲率獲取最佳效果，能操作出最恰當(dāng)?shù)姆较虮P轉(zhuǎn)角。近階段開發(fā)出了利用其他手段構(gòu)建駕駛員操作模型，比較典型的有最先進(jìn)的人工型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式駕車司機(jī)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(jìn)、角型脈沖輸進(jìn)、正弦波輸進(jìn)、力型脈沖輸進(jìn)等的穩(wěn)定態(tài)、瞬時(shí)態(tài)協(xié)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(yīng)特性研究。

3汽車空氣動(dòng)力學(xué)

研究汽車行駛過程中所受到周圍氣流對(duì)其作用的各種力和力矩的特性，及這些特性對(duì)汽車性能的影響，主要研究圍繞汽車外部的空氣流態(tài)和進(jìn)人汽車內(nèi)部的空氣流態(tài)。汽車行駛中受到的氣動(dòng)力有迎面阻力、升力、側(cè)向力及這些力形成的俯仰力矩、側(cè)傾力矩和橫擺力矩，其大小大致與空氣對(duì)汽車的相對(duì)速度的平方成正比，因此隨著車速日益提高，氣動(dòng)作用力對(duì)性能的影響也愈加顯著。傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)研究方法為試驗(yàn)方法，包括室內(nèi)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及室外實(shí)驗(yàn)等，需耗費(fèi)較高成本。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）理論，在汽車外形三維CAD模型基礎(chǔ)上建立三維CFD模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件可進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)的仿真研究。

4結(jié)語

國(guó)內(nèi)目前對(duì)仿真技術(shù)的研究正迅速發(fā)展。中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)仿真機(jī)分會(huì)于1997年10月在昆明召開了“面向二十一世紀(jì)系統(tǒng)仿真技術(shù)”交流會(huì)，1998年7月在北京召開了分會(huì)成立巧周年慶祝會(huì)，中國(guó)系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)也于1997年1月底在張家界召開了年會(huì)，交流國(guó)內(nèi)仿真領(lǐng)域理論及應(yīng)用的成果。

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