LabVIEW 下货车平顺性仿真分析 穆立茂 黄海英 张靖

基金颁发部门:总装备部

基金项目申请人:黄海英

基金项目申请日期:2007年1月1日

LabVIEW下货车平顺性仿真分析

穆立茂 黄海英 张靖

（军械工程学院，石家庄，050003）

摘要：首先建立了货车整车动力学模型，针对该模型给出了计算频域内的四轮随机输入下加速度功率谱密度响应的算法和程序流程，并在LabVIEW中利用其提供的线性代数矩阵节点编写了计算程序。以CA-141货车为例，利用LabVIEW编写的程序计算车身质心垂向加速度功率谱密度，并与实测结果进行了比较。

关键词：LabVIEW；货车；平顺性仿真分析

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

Easement Simulation Analysis of Truck Under LabVIEW

Mu Limao Huang Haiying Zhang Jing

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003)

Abstract: First a dynamic model of the truck is constructed. According to the model the arithmetic and program proceeding of computing acceleration power spectral density responding to four rolls random input is offered, and using linear algebra matrix nodes in LabVIEW the computing program is written. Taking CA-141 truck as an example, the vertical acceleration power spectral density of the truck body’s gravity center is computed using the program written by LabVIEW. Keywords: LabVIEW; Trucks; Easement simulation analysis

1 引言

汽车平顺性是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定的舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。这里研究货车平顺性的目的是预测车载物资和装备的振动环境。汽车平顺性研究的方法通常分为实验方法与理论方法两大类。实验方法又包括室外道路试验，试验场试验和室内模拟试验；理论方法又包括传统研究法、多体系统动力学研究法和主动半主动控制方法，其中传统的理论研究方法就是力求建立能完全反映客观实际的动力学模型，然后通过数学公式、数字计算得到振动的基本规律，求出平顺性分析所需要的振动响应量，而在计算过程中往往需要求解复杂的线性方程组，LabVIEW提供的图形化编程语言非常适合于编写求解线性方程组的程序。下面就以货车平顺性仿真分析为例说明在LabVIEW环境下如何实现此方面的编程。

2 货车平顺性仿真分析的算法描述

2.1 整车动力学模型的建立

图1 整车动力学模型

汽车是一个复杂的多自由度非线性振动系统，在建模时进行了简化[1][2][3][4]，形成如图1所示货车七自由度整车动力学模型，七个自由度分别为：汽车质心的垂直位移ZC；车身绕X轴的转角θX，车身绕Y轴的转角θY，前非悬挂质量垂直位移Z1，前非悬挂质量绕X轴转

角θ1，后非悬挂质量垂直位移Z2，后非悬挂质量绕X轴转角θ2。

图1中：L1为车身质心距离前右、左轮线之距离，L2为车身质心距离后右、左轮线之距离，L3、L4分别为车身质心距离前、后轮线之距离，2L5、2L6分别为前、后右左轮距。另外，MC为车身（悬挂）质量，M1为前非悬挂质量，M2为后非悬挂质量，IX为车身对X轴转动惯量，IY为车身对Y轴转动惯量，I1为前非悬挂质量对X轴转动惯量，I2为后非悬挂质量对X轴转动惯量，Kf、Kr分别为前后悬挂的刚度，Ktf、Ktr分别为前后轮胎的刚度，Cf、Cr分别为前后悬挂的阻尼，Qi(i=1, 2, 3, 4)为路面不平度函数。

根据如图1所示整车动力学模型列出振动微分方程，写成矩阵形式为：

+[C]Z +[K]Z=[K]Q [M]Zt

式中：Q=(Q1Q2Q3Q4) 为输入向量；Z=(ZCTθXθYZ1θ1Z2θ2)T为输出向量；[M],[C],[K]分别为7×7质量，阻尼，刚度矩阵；[Kt]为7×4轮胎刚度矩阵。需要说明的是质量、阻尼、刚度矩阵[M],[C],[K]及轮胎刚度矩阵[Kt]中的各个元素均可由上述参数表示，也就是说通过列出振动微分方程得到的[M],[C],[K]和[Kt]各矩阵均可根据已知条件计算出来，然后根据这四个矩阵可计算出系统频响函数矩阵。

2.2 系统频响函数矩阵的计算

系统的频率响应函数矩阵可以通过用“全选主元高斯消去法”解线性方程组DH=E求

[1]得。

式中，D=( M1ω+jC1ω+K1,", M7ω+jC7ω+K7)， 22

E=(jCt1ω+Kt1,",jCt4ω+Kt4)

Mi,Ci,Ki(i=1,2,",7)为[M],[C],[K]的各列；Kti(i=1,2,",4)为[Kt]的各

列。

2.3 输入功率谱密度矩阵的计算

四轮输入功率谱密度矩阵为：

ekcoh(f)coh(f)e k 1 kkecohfecohf1()() G(f) [Gq]= kk coh(f)coh(f)e qe1 kkcohfecohfe()()1

式中：k=j2πflv，其中l为轴距，v为车速；coh(f)为左右两轮迹的相干函数，可用近似曲线拟合，近似拟合曲线的公式[2]为：

1 0.45ff≤2Hz coh2(f)= 0.1f2Hz>

wGq(f)=Gq(n)/v=n0Gq(n0)(vf2)，其中： v表示车速，m/s；n0表示参考空间

频率，取n0=0.1m-1；Gq(n0)为路面不平度系数，m2/m-1；w表示频率指数，取w=2。

2.4 输出功率谱密度矩阵的计算

根据随机振动理论，线性系统的输入和输出之间存在如下关系：

[GZ]=[H][Gq][H ]T

式中：[GZ]为输出的功率谱密度矩阵； [Gq]为输入的功率谱密度矩阵； [H]为系统的频率响应函数矩阵；[H]为系统频率响应函数矩阵的共轭转置。

3 货车平顺性仿真分析程序的设计

依据以上所述算法，利用LabVIEW中提供的矩阵节点设计货车平顺性仿真分析的计算程序，程序流程如图2所示。 T

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图2 货车平顺性仿真分析计算程序流程

首先要打开以文本格式存储的频率序列文件，并计算出频率序列数N，对于读取的每一个频率值，计算出一个系统输出功率谱密度矩阵GZ，读取该矩阵左上角第一个元素G11，这样循环N次后，就会得到一个对应频率序列的G11(i)序列，将此序列以文本文件格式存盘，即完成计算[5][6]。如图3所示为LabVIEW中的计算程序流程，图中省略了构建质量矩阵、刚度矩阵、和阻尼矩阵功能模块，还省略了计算系统频响函数矩阵及计算四轮输入功率谱密度矩阵等功能模块，这里只给出计算系统输出功率谱密度矩阵的程序流程，如图4所示，利用Solve Linear Equations节点求解线性方程组DH=E，得到频响函数矩阵H，在计算输出功率谱密度矩阵时用到了Transpose Matrix和A×B两个节点[2]。

[M]

[K]

[C]

[Kt]

[Gq] 2πf 图3 LabVIEW中货车平顺性仿真分析计算程序流程

图4 计算系统输出功率谱密度矩阵的程序流程 [G11(i)]

4 实例分析

在货车中选择解放CA-141载重汽车作为分析对象。解放CA-141载重汽车的主要参数

[3]为：2L1= 2L2= 0.9m，L3= 3m，L4= 1.1m，2L5=2L6=1.8m，Kf= 1.7×105 N/m，Kr= 4.8×105 N/m，Ktf= 9.5×105N/m，Ktr= 1.9×106N/m，Cf= 7×103N·s/m，Cr= 1.4×104N·s/m，MC=

5885 kg（装载量为货车载重量的60%），IX= 3195 kg·m2，IY= 32432 kg·m2，M1= 480 kg，M2= 945 kg，I1= 295 kg·m2，I2= 470 kg·m2。如货车在B级路面上，分别以车速50 km/h，60 km/h，70 km/h行驶，用LabVIEW编程的计算程序进行计算，得到车身质心加速度功率谱密度的变化情况，结果如图5、6和7所示，图中第一峰值所对应频率为2.35Hz。

为了验证所建模型及计算方法的正确性，对CA-141货车进行道路试验，试验在沥青路面上进行，车速分别为50 km/h，60 km/h，70 km/h。测试记录了车身质心处垂向加速度时间历程信号，经过数据处理得到加速度功率谱密度曲线，如图5、6和7所示，第一峰值所对应频率为2.5Hz，第一峰值与仿真结果基本一致。因此以上所建模型和计算方法基本能反

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映货车车身的振动规律。

仿真结果

实测结果

图5 车速50 km/h时仿真结果与实测结果

仿真结果

实测结果

图6 车速60 km/h时仿真结果与实测结果

仿真结果

实测结果

图7 车速70 km/h时仿真结果与实测结果

5总结

首先针对货车七自由度整车动力学模型，给出了计算频域内的四轮随机输入下加速度功率谱密度响应的算法、程序流程以及LabVIEW中关键计算程序流程。然后以CA-141货车为例，利用LabVIEW编写的程序计算车身质心垂向加速度功率谱密度，通过与实测结果进行比较证明该计算算法和程序的正确性，从而可在此模型的基础上进行货车平顺性预测与分析。

本文作者创新点：针对货车平顺性仿真分析中需要求解复杂线性方程组的情况，提出了采用LabVIEW提供的线性代数节点求解线性方程组的思路，并给出了实用的程序流程。

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参考文献

[1]雷雨成 著．汽车系统动力学及仿真[M]．北京：人民交通出版社，1980：242-255．

[2]张洪欣 编著．汽车系统动力学[M]．上海：同济大学出版社，1996：95-113．

[3]张威，张景海，隗海林，贾洪飞．汽车动力学仿真模型的发展[J]．汽车技术，2003，2：1-4．

[4]丁玉庆，马幼鸣．货车振动系统频率响应的模拟[J]．振动与冲击，2000，19(1)：61-63，67．

[5]杨乐平，李海涛，杨磊 编著．LabVIEW程序设计与应用（第2版）．北京：电子工业出版社，2005．

[6]穆立茂，黄海英，张靖. LabVIEW下数据文件读写的数据处理程序设计[J]. 微计算机信息，2008，6-1：84-85，138．

作者简介：穆立茂（1973－），男（汉族），河北辛集人，军械工程学院基础部讲师，硕士，主要从事机械振动测试技术和先进制造技术研究。Biography: Mu Limao (1973-) , Male (han ethnic), Hebei Province, Ordnance Engineering College, Lecturer, Master, Major in mechanical vibration test technology and advanced manufacturing technology.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9kl1.html