三轴重型汽车行驶平顺性理论分析建模与仿真方法的新探索及应用

发布时间：2017-09-29 04:31

  本文关键词：三轴重型汽车行驶平顺性理论分析建模与仿真方法的新探索及应用

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【摘要】：随着世界经济的发展,商品流通快速增加,高速公路的迅速普及,重型汽车正在成为公路运输的主要工具。同时随着汽车技术的进步,人民生活水平不断提高以及车速的不断提高,用户对重型汽车的乘坐舒适性也提出了更高的要求。汽车行驶平顺性己经成为重型汽车的主要性能指标之一。重型汽车车体长、轴距大、承载质量大,车体的弯曲振动表现十分明显,成为影响重型汽车行驶平顺性的一个重要因素,因此在建立重型汽车模型时有必要考虑车体的弹性。本文围绕三轴重型汽车行驶平顺性理论分析建模和仿真展开研究,重点对三轴重型汽车行驶平顺性理论建模与仿真方法进行新探讨及应用研究,开展三轴重型汽车的平面刚弹合成模型和空间刚弹合成模型的研究,建立三轴重型汽车行驶平顺性仿真的传统方法和虚拟激励法,通过仿真比较两种方法,基于Isight和Matlab联合仿真思想进行影响因素分析和多目标优化设计的探讨,本文研究的重要内容为:(1)基于刚弹合成的两端自由等截面梁的理论分析从弹性梁弯曲振动的基本方程出发,推导出了两端自由等截面弹性梁的基本方程和固有特性的通解,证明了固有振型函数的正交性。对一般梁的刚体运动和弹性弯曲振动进行了运动合成和能量分析,推导出两端自由等截面梁运动合成后的质量阵、刚度阵、动能和势能。从理论上将弹性梁的弯曲振动分析推广到刚弹合成梁的弯曲振动分析。(2)三轴重型汽车平面刚弹合成模型的建立建立平面模型时,为了考虑重型汽车行驶时车体的弯曲振动,将车体看成两端自由等截面梁,建立了三轴重型汽车10自由度平面刚弹合成的力学模型和数学模型,推导出三轴重型汽车相应的车轮静载和振动响应量的公式。(3)基于刚弹合成的四边自由矩形薄板的理论分析从薄板横向振动的微分方程和变分方程出发,推导了薄板的自由振动方程。应用单项梁组合函数法对四边自由矩形薄板的固有频率和振型函数进行了求解,实现了解析求解,用有限元方法与求解结果进行了对比,证明了固有振型的正交性。对一般薄板的刚体运动和弹性弯曲振动进行了运动合成和能量分析,推导出了四边自由矩形薄板运动合成后的质量矩阵、动能、刚度矩阵和势能。从理论上将薄板的横向振动分析推广到刚弹运动合成后薄板的振动分析。(4)三轴重型汽车空间刚弹合成模型的建立建立空间模型时,为了考虑重型汽车行驶时车体的弯曲振动,将车体看成四边自由的矩形薄板,建立了三轴重型汽车17自由度空间刚弹合成的力学模型和数学模型,推导出三轴重型汽车相应的车轮静载和振动响应量。为建立考虑车体刚体和弹性的重型汽车空间模型提供了一种新的思路。(5)三轴重型汽车行驶平顺性仿真与分析建立了三轴重型汽车行驶平顺性仿真的传统方法和虚拟激励方法,采用平面刚弹合成模型、空间刚弹合成模型、平面刚体模型和空间刚体模型进行了两种方法的比较。对三轴重型汽车刚弹合成模型和刚体模型的仿真结果进行了对比,通过改变弹性参数可以实现刚弹合成模型向刚体模型的转化。针对三轴重型汽车平面刚弹合成模型,采用通过Isight与Matlab实现联合仿真,通过灵敏度分析找出了影响三轴重型汽车行驶平顺性的主要因素,进行了多目标的优化设计,改善了三轴重型汽车行驶平顺性。本文研究的创新点为:(1)在前人工作基础上,提出了刚弹合成的概念,给出了刚弹耦合的解释;从弹性梁弯曲振动理论出发,深入研究了两端自由等截面弹性梁的理论,基于刚体运动和弹性弯曲振动运动合成的思想,将弹性梁的弯曲振动理论推广到基于刚弹合成梁的振动理论,克服了前人研究理论描述过于简单的问题;将车体看成两端自由等截面梁,全面考虑了三轴重型汽车的主要组成,建立了三轴重型汽车10自由度平面刚弹合成模型,具有需要模型参数少和便于实际工程应用的优点。(2)针对国内外仅建立了平面刚弹合成模型的问题,基于平面弹性梁与空间薄板具有对应振动关系的理论基础,从薄板弯曲振动理论出发,建立了基于微分方程和变分方程的薄板自由振动固有频率的表示;应用单项梁组合函数法,给出了四边自由矩形薄板的梁函数,推导了四边自由矩形薄板的固有频率;基于刚体运动和弹性横向振动运动合成的思想,将薄板的弹性横向振动理论推广到基于刚弹性合成的薄板振动理论;将车体看成四边自由矩形薄板,建立了三轴重型汽车17自由度空间刚弹合成模型,为建立多轴重型汽车空间刚弹合成模型提供一种新的建模思路。(3)建立了三轴重型行驶平顺性仿真的传统方法和虚拟激励法,既适用于刚弹合成模型,也适用于刚体模型;与传统方法相比,虚拟激励法不需要推导振动响应量的频率响应特性,公式推导和计算更简单;分别采用平面和空间的刚弹合成模型、平面和空间的刚体模型进行仿真,结果表明两种仿真方法具有等效性;改变刚弹合成模型的弹性参数,可以实现刚弹合成模型向刚体模型的转化。(4)针对三轴重型汽车平面刚弹合成模型,通过Isight与Matlab实现联合仿真,应用最优拉丁超立方设计方法进行了灵敏度分析,找出了影响三轴重型汽车行驶平顺性的主要因素。应用存档微遗传算法进行了多目标的优化设计,为改善重型汽车行驶平顺性提供了理论依据和技术手段。
【关键词】：平顺性 重型汽车 建模与仿真 刚弹合成 弹性梁 薄板 虚拟激励法
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461.4
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 绪论17-31
• 1.1 重型汽车行驶平顺性研究概述17-18
• 1.1.1 重型汽车行驶平顺性的重要性17
• 1.1.2 重型汽车行驶平顺性的研究手段17-18
• 1.2 重型汽车行驶平顺性建模与仿真方法综述18-27
• 1.2.1 重型汽车行驶平顺性建模方法18-19
• 1.2.2 重型汽车行驶平顺性仿真方法19-20
• 1.2.3 重型汽车行驶平顺性建模与仿真方法20-21
• 1.2.4 基于理论分析的建模与仿真方法应用现状21-24
• 1.2.5 基于虚拟样机软件的建模与仿真方法应用现状24-26
• 1.2.6 基于组件图形化软件的建模与仿真方法应用现状26-27
• 1.3 课题的提出与本文研究的主要内容27-31
• 1.3.1 刚弹合成和刚弹耦合27-28
• 1.3.2 课题提出28-29
• 1.3.3 本文研究的主要内容29-31
• 第2章 一类特殊函数及其导数的积分分析31-49
• 2.1 不同角三角函数和双曲函数的积分31-37
• 2.1.1 不同角三角函数和双曲函数的基本积分31-33
• 2.1.2 不同角三角函数和双曲函数的复杂积分33-37
• 2.2 同角三角函数和双曲函数的积分37-41
• 2.2.1 同角三角函数和双曲函数的基本积分37-38
• 2.2.2 同角三角函数和双曲函数的复杂积分38-41
• 2.3 一类特殊函数及其导数的积分41-48
• 2.3.1 一类特殊函数的积分41-43
• 2.3.2 一类特殊函数导数的积分43-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第3章 基于刚弹合成的两端自由等截面梁的理论分析49-60
• 3.1 弹性梁弯曲振动的基本方程49-50
• 3.1.1 弹性梁的弯曲振动方程49
• 3.1.2 弹性梁的自由振动方程49-50
• 3.2 等截面弹性梁弯曲振动的固有特性50-51
• 3.2.1 等截面弹性梁弯曲振动的基本方程50-51
• 3.2.2 等截面弹性梁固有特性的通解51
• 3.3 两端自由等截面弹性梁的固有特性与正交性51-55
• 3.3.1 两端自由等截面弹性梁的固有特性51-53
• 3.3.2 两端自由等截面弹性梁固有特性的近似解53-54
• 3.3.3 两端自由等截面弹性梁固有振型的正交性54-55
• 3.4 基于刚弹合成的梁振动能量分析55-57
• 3.4.1 梁刚体与弹性弯曲振动的运动合成55-56
• 3.4.2 运动合成后的梁动能56
• 3.4.3 运动合成后的梁势能56-57
• 3.5 基于刚弹合成的两端自由等截面梁动能和势能的表示57-59
• 3.5.1 两端自由等截面梁质量矩阵的非对角元素57-58
• 3.5.2 两端自由等截面梁的质量矩阵和动能58
• 3.5.3 两端自由等截面梁的刚度矩阵和势能58-59
• 3.6 本章小结59-60
• 第4章 三轴重型汽车平面刚弹合成模型的建立60-76
• 4.1 三轴重型汽车平面刚弹合成力学模型60-62
• 4.1.1 基本假设60
• 4.1.2 力学模型60-61
• 4.1.3 车体点的坐标和位移61-62
• 4.2 三轴重型汽车平面刚弹合成力学模型的能量及其导数62-68
• 4.2.1 动能及其导数62
• 4.2.2 势能及其导数62-65
• 4.2.3 耗散能及其导数65-68
• 4.3 三轴重型汽车平面刚弹合成数学模型68-73
• 4.3.1 分量形式的微分方程68-71
• 4.3.2 矩阵形式的微分方程71-73
• 4.4 三轴重型汽车平面刚弹合成模型的振动响应量73-75
• 4.4.1 车轮静载73-74
• 4.4.2 振动响应量74-75
• 4.5 本章小结75-76
• 第5章 基于刚弹合成的四边自由矩形薄板的理论分析76-98
• 5.1 薄板振动的基本方程76-77
• 5.1.1 薄板振动的微分方程76-77
• 5.1.2 薄板振动的变分方程77
• 5.2 薄板自由振动的基本方程77-79
• 5.2.1 薄板自由振动的微分方程77-78
• 5.2.2 薄板自由振动的变分方程78-79
• 5.3 薄板自由振动的固有频率79-81
• 5.3.1 基于微分方程的薄板自由振动固有频率79-80
• 5.3.2 基于变分方程的薄板自由振动固有频率80-81
• 5.4 四边自由矩形薄板自由振动的固有特性与正交性81-87
• 5.4.1 矩形薄板的单项梁函数组合法81-82
• 5.4.2 四边自由矩形薄板的梁函数82
• 5.4.3 四边自由矩形薄板固有频率的求解82-84
• 5.4.4 四边自由矩形薄板固有特性解析求解的比较84-86
• 5.4.5 四边自由矩形薄板固有振型函数的正交性86-87
• 5.5 基于刚弹合成的薄板振动能量分析87-92
• 5.5.1 薄板刚体与弹性横向振动的运动合成87-88
• 5.5.2 运动合成后的薄板动能88-89
• 5.5.3 运动合成后的薄板势能89-92
• 5.6 基于刚弹合成的四边自由矩形薄板动能和势能的表示92-97
• 5.6.1 四边自由矩形薄板质量矩阵的非对角元素92-93
• 5.6.2 四边自由矩形薄板的质量矩阵和动能93-94
• 5.6.3 四边自由矩形薄板刚度矩阵的非对角元素94-95
• 5.6.4 四边自由矩形薄板刚度矩阵的对角元素95-96
• 5.6.5 四边自由矩形薄板的刚度矩阵和势能96-97
• 5.7 本章小结97-98
• 第6章 三轴重型汽车空间刚弹合成模型的建立98-132
• 6.1 三轴重型汽车空间刚弹合成力学模型98-101
• 6.1.1 基本假设和力学模型98-100
• 6.1.2 车体点的坐标和位移100-101
• 6.2 三轴重型汽车空间刚弹合成力学模型的能量及其导数101-118
• 6.2.1 动能及其导数101
• 6.2.2 势能及其导数101-110
• 6.2.3 耗散能及其导数110-118
• 6.3 三轴重型汽车空间刚弹合成数学模型118-128
• 6.3.1 分量形式的微分方程118-126
• 6.3.2 矩阵形式的微分方程126-128
• 6.4 三轴重型汽车空间刚弹合成模型的振动响应量128-130
• 6.4.1 车轮静载128
• 6.4.2 振动响应量128-130
• 6.5 本章小结130-132
• 第7章 三轴重型汽车行驶平顺性仿真及分析132-168
• 7.1 三轴重型汽车行驶平顺性仿真的传统方法132-136
• 7.1.1 系统频率响应特性132-133
• 7.1.2 平面模型振动响应量的频率响应特性133-134
• 7.1.3 空间模型振动响应量的频率响应特性134-136
• 7.1.4 振动响应量的功率谱密度和均方根136
• 7.2 三轴重型汽车行驶平顺性仿真的虚拟激励法136-138
• 7.2.1 虚拟激励法的基本公式136-137
• 7.2.2 平面模型的虚拟路面激励向量与虚拟振动响应量137-138
• 7.2.3 空间模型的虚拟路面激励向量与虚拟振动响应量138
• 7.2.4 振动响应量的功率谱密度和均方根138
• 7.3 三轴重型汽车行驶平顺性两种仿真方法的比较138-150
• 7.3.1 两种仿真方法比较的方案138-139
• 7.3.2 平面刚弹合成模型两种仿真方法的比较139-141
• 7.3.3 空间刚弹合成模型两种仿真方法的比较141-145
• 7.3.4 平面刚体模型两种仿真方法的比较145-147
• 7.3.5 空间刚体模型两种仿真方法的比较147-150
• 7.4 三轴重型汽车行驶平顺性两种模型的比较与转化150-158
• 7.4.1 两种平面模型的比较150-153
• 7.4.2 两种空间模型的比较153-156
• 7.4.3 平面刚弹合成模型向平面刚体模型的转化156-157
• 7.4.4 空间刚弹合成模型向空间刚体模型的转化157-158
• 7.5 三轴重型汽车平顺性影响因素的分析158-163
• 7.5.1 灵敏度分析概述158-159
• 7.5.2 最优拉丁超立方设计方法159
• 7.5.3 三轴重型汽车行驶平顺性的灵敏度分析159-163
• 7.6 三轴重型汽车行驶平顺性的多目标优化163-167
• 7.6.1 多目标优化问题概述163-164
• 7.6.2 存档微遗传多目标优化算法164-165
• 7.6.3 三轴重型汽车行驶平顺性的多目标优化设计165-167
• 7.7 本章小结167-168
• 第8章 全文总结、创新点与研究展望168-172
• 8.1 全文总结168-169
• 8.2 全文的创新点169-170
• 8.3 研究展望170-172
• 参考文献172-183
• 攻读博士学位发表和投稿的学术论文与参加的科研工作183-184
• 致谢184

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本文编号：940021