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面向汽车耐久性分析的底盘橡胶衬套建模研究

王娜

  汽车数字化耐久性分析的过程中,通常采用多体动力学仿真方法获得系统总成或零部件的边界约束载荷,为耐久性分析提供输入条件,因此必须对系统总成硬点或者零部件的力-位形变化进行准确的模拟。目前已有的多体动力学仿真模型大多都是在低频域对整车或者零部件的性能进行仿真,对于车辆在中、高频域下呈现出的动态特性不能进行很好的模拟。究其原因在于橡胶衬套模型不够准确,故本文以汽车底盘橡胶衬套为对象展开研究。 悬架用橡胶衬套是汽车底盘的重要组成部分,它起着连接车身各部件以及传递底盘对车身振动的作用。在使用过程中,很多因素会对橡胶衬套的动态力学特性产生影响,例如激励的频率、振幅、以及预加载荷。橡胶衬套在这些因素的作用下表现出复杂的力学特性,如变刚度,变阻尼的非线性特征。常用的多体动力学仿真软件,例如ADAMS, Recurdyn, DADS等,通常采用Kelvin-Voigt模型模拟橡胶衬套,该模型仅能模拟线性刚度特征,不能描述橡胶衬套复杂的动态特性。因此通过研究橡胶衬套建模方式建立一种较为精确的橡胶衬套模型,对实现高频域下的动态载荷模拟,提高耐久性模型的仿真精度非常重要。本文进行了以下工作: 首先对橡胶衬套的静态、动态特性进行了学习与研究。通过调研已有的理论模型的建模方式,特别是基于非线性粘弹性理论的橡胶衬套模型,发现这类模型摩擦部分的建模一般采用迟滞非线性模型。通过分析对比库仑摩擦模型,双线性模型,Bouc-Wen模型等典型迟滞非线性模型的建模机理,最终确定采用Bouc-Wen模型来描述橡胶衬套的摩擦迟滞特性,表现振幅对衬套动态特性的影响。通过将Bouc-Wen模型与Kelvin-Voigt模型,标准线性固体模型相结合,建立改进Bouc-Wen橡胶衬套理论模型,从橡胶衬套的结构出发构建橡胶衬套动力学模型。 其次采用优化方法对衬套模型参数进行识别。由于衬套理论模型参数较多且复杂,为了获得较为准确的参数初始值,将其分解为Bouc-Wen模型,Kelvin-Voigt模型和标准线性固体模型三个较为简单的模型,分别建立仿真模型,进行数值分析,确定各个参数对模型输出的力-位移曲线特性的贡献;对衬套模型整体各参数进行局部灵敏度分析,确定各参数的灵敏度主次顺序,为模型参数初始化提供初值条件。参数优化的目标函数为衬套力实验数据与仿真数据之间的均方根差,优化数学理论为非线性最小二乘法。采用英斯特朗的VHF7D单轴试验台对橡胶衬套进行静态、动态加载,获得试验数据,结合试验数据及参数分析结果对模型参数进行优化。 为验证本文所述模型的正确性,利用MATLAB/Simulink模块搭建了几种不同的衬套理论模型,通过数值仿真分析和比较,证明该模型的正确性。并对衬套模型进行了中高频激励以及大位移加载仿真分析。改进Bouc-Wen衬套模型不仅能够描述频率,振幅对衬套动态特性的影响;对衬套径向、轴向的不同动态特性也能进行描述;尤其对于大振幅激励下力-位移曲线的非线性也能进行较为准确的模拟,从而实现了对橡胶衬套非线性阻尼与非线性刚度的建模,可以满足耐久性模型的仿真精度需要。 最后,利用ADAMS提供的GFOSUB用户子程序,实现了衬套模型在ADAMS中的应用,并将本文衬套模型的仿真结果与ADAMS自带的衬套模型仿真结果进行了比较分析,从而对衬套模型的合理性进行了阐述。……   
[关键词]:汽车耐久性模型;橡胶衬套;非线性迟滞特性;Bouc-Wen模型
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:吉林大学2011年