车轮动态载荷冲击过程建模研究--《吉林大学》2015年硕士论文
车轮动态载荷冲击过程建模研究
【摘要】：汽车车身和底盘结构优化设计中主要的边界输入是车轮动态载荷。汽车在不平路面上行驶时，轮胎受到地面的冲击作用，地面冲击作用力经过轮胎胎体的弹性滤波和几何滤波效应传递至轮轴。现有的用于不平路面仿真的轮胎包络模型，以等效路形作为轮胎模型的输入，需要根据仿真路径提前预处理，且多为单点接触；其它的轮胎模型多为基于结构建模，如FTire轮胎模型没有考虑胎面受到的冲击接触力。因此，建立更为准确的包络效应，且描述轮胎与地面之间的冲击接触过程，是车轮动态载荷冲击过程模拟的关键。
本文围绕车轮动态载荷冲击过程建模这一要点，在广泛调研轮胎与路面接触模型的基础上，将探索的重点集中于实现纵向包络效应的车轮模型的建立，主要包含以下三个方面：首先，探索将物理碰撞模型引入轮胎的冲击接触过程，通过建立胎面冲击模型，精确描述地面接触力；其次，为了更为准确地模拟轮胎的包络效应，通过将胎体离散，建立周向柔性环轮胎模型；最后，研究了多点接触探测算法，通过接触点检测模型，确定接触点的位置以及胎面接触力矢量方向。基于上述的背景和问题，本论文的主要研究内容如下：
1、物理碰撞接触模型研究。结合前期调研情况，本文探索将物理碰撞接触模型引入胎面力的求解，研究比较恢复系数法、解析式法及有限元法三种不同接触力求解方法。恢复系数法将冲击接触过程认为是瞬间完成，冲击接触力为无穷大，只能表达接触前后速度的变化；解析式法利用两物体之间的表面接触刚度计算冲击接触力；有限元法将两个接触物体接触表面划分为网格和节点，利用检测模型检测节点和网格接触情况，并对所有的接触力求和。有限元法是当前研究碰撞接触的成熟方法，但计算量大不能保证实时性的问题。基于此本文拟采用解析式法计算胎面冲击接触力。
2、冲击接触点检测算法研究。接触过程中涉及到另一个重要的研究问题是确定接触力作用点位置以及力的矢量方向，即冲击接触点的位置及方向检测。本文中使用射线探针的方法进行碰撞接触检测，在轮心处发射射线，通过计算射线与路面的交点确定接触点的位置及路面法向量。从而实现胎体多点接触，确定轮胎接触印迹。
3、建立多印迹块柔性胎体轮胎模型。本文重点考虑轮胎对路面的纵向包络效应，因而将胎体沿圆周方向离散成多个质量单元，并建立胎体质量单元的动力学模型。胎体质量单元之间采用径向弹簧阻尼描述胎体内部剪切效应；胎体质量单元与轮辋之间通过气压相互作用，利用气体压力的变化描述胎体的弹性滤波效应；每个接地胎体质量单元依据静动摩擦模型计算地面纵向摩擦力，当印迹块与地面有相对滑移速度时，依据摩擦模型计算地面对印迹块的纵向作用力，且路面摩擦系数考虑印迹滑移速度影响；当印迹块与地面没有相对速度时，依据印迹块受到的纵向主动力确定地面作用力，综合接地印迹块纵向受力及径向受力表达轮轴受到的动态载荷。最终建立胎体径向动力学，实时计算柔性胎体的变形，进而表达轮胎对路面的包络效应，通过探测接触路面法向量确定胎面接触力的方向，对轮胎滚过典型不平路面胎面受到的地面接触力仿真计算，并与单点接触模型进行了对比验证，实现了轮胎纵向包络效应。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：U461.51;U463.34【目录】：
摘要4-6ABSTRACT6-8目录8-11第1章 绪论11-23 1.1 课题提出背景11-12 1.2 课题研究现状12-18
1.2.1 胎面接触模型13-14
1.2.2 胎面接触力计算14-18 1.3 国内外车轮动态载荷近期研究情况18-20 1.4 本文的主要研究内容20-23第2章 碰撞接触力模型研究23-41 2.1 碰撞接触问题当前热点研究领域23-28
2.1.1 含间隙机构接触碰撞动力学研究23-24
2.1.2 齿轮啮合接触面冲击接触力24
2.1.3 汽车碰撞安全性问题24-28 2.2 法向碰撞接触模型28-37
2.2.1 恢复系数法28-29
2.2.2 Hertz 接触理论29-31
2.2.3 基于 Hertz 接触理论的发展31-35
2.2.4 有限元法处理接触力问题35-37 2.3 切向接触模型37-38 2.4 本课题选用的物理碰撞接触模型38-40 2.5 本章小结40-41第3章 冲击接触点检测模型研究41-63 3.1 轮胎冲击接触点检测介绍41 3.2 常见接触点检测方法41-46
3.2.1 主从面算法42-44
3.2.2 单曲面算法44
3.2.3 级域算法44-45
3.2.4 位码算法45-46
3.2.5 层次包围盒法46 3.3 本课题的冲击接触点检测算法46-62
3.3.1 射线探针检测算法47-48
3.3.2 路面模型48-49
3.3.3 碰撞接触点检测算法测试49-62 3.4 本章小结62-63第4章 车轮动态载荷模型建立63-73 4.1 建模原理63-64 4.2 坐标系定义64-66
4.2.1 方向余弦矩阵65-66 4.3 动力学分析66-72
4.3.1 轮辋动力学分析67-68
4.3.2 胎体单元块动力学方程68-69
4.3.3 胎面垂向接触力计算69-71
4.3.4 胎面摩擦力计算71-72 4.4 本章小结72-73第5章 模型动静态工况仿真计算73-107 5.1 模型参数73 5.2 静态加载仿真计算73-89
5.2.1 水平路面轮胎加载仿真计算73-82
5.2.2 凸块路面轮胎加载仿真计算82-89 5.3 动态仿真计算89-106 5.4 本章小结106-107第6章 总结和展望107-109 6.1 全文总结107-108 6.2 展望108-109参考文献109-115作者简介115在读期间发表学术论文115-116致谢116
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柔性非充气轮胎
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主分类号：
B60C7/00,B,B60,B60C,B60C7
B60C7/00,B,B60,B60C,B60C7
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发明（设计）人：
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主申请人地址：
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1.一种非充气轮胎，其具有一个绕一个旋转轴线环形延伸的柔性承载结构，并具有在该承载结构径向外围的胎面，以及至少一个在该旋转轴线径向边上的固定区域，用于将该承载结构固定在一个轮盘上，该承载结构具有：一组基本上横向延伸的支撑元件，其第一部分至少朝向该胎面，其另一部分布置在该胎面以外，所述支撑元件在环向上并列，并绕环向分布，一个相互连接结构，其提供了这些支撑元件之间的环向相互连接，其特征在于，该轮胎具有一组柔性连接，每一柔性连接至少部分地布置在该相互连接结构和各支撑元件的第一部分之间。
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【摘要】：本文为了解决居民上下楼和出行购物时携带重物的问题,设计了一种以三轮机构为关键装置的具备爬楼与路行两种功能的电力驱动的代步小车。本文首先对小车的结构组成和爬楼原理进行了分析,然后对小车平地行走速度、小车爬楼驱动力矩用Matlab进行了理论分析和计算,证明了小车具备了足够的平地行走速度和爬楼驱动力矩。最后,通过Soliworks的仿真模块分析了受力的关键零件--三叉轮架的受力情况,证明了在正常负载情况下其结构和材料强度是足够安全的。上述的理论分析和计算表明本文设计的爬楼路行两用电动车能够达到电力助力的爬楼和较快的路行速度的能力,基本能够满足居住在无电梯楼房中的人们的既要平地快速行驶又要载物爬楼的需要。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：U48【正文快照】：
0引言我国城镇化进程加速了居民楼的快速建设,但是居于我国发展现状和其它各方面原因,大多数低于7层以下的普通居民楼都还没有安装电梯,居民上下楼搬运货物很不方便。市场上现有的几种载物爬楼的小车[1~2],只有爬楼但不具备平地快速行驶的功能,而且以人力为动力。为了解决这些
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