[发明专利]建立车辆与地面耦合的一体式动力学模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种建立车辆和地面耦合的一体式动力学模型的方法，属于建立车辆与地面耦合动力学模型的方法技术领域。

背景技术

车辆的研发过程中，需要充分考虑车辆与不同地面之间的耦合特性，从而使得车辆能够适应各种地面的特性，减少颠簸，打滑等情况。

车辆—地面耦合动力学模型是分析和研究车辆动力特性、舒适性等的重要基础。

目前所有商业多体动力学软件都不能真正地与连续体地面力学模型进行一体化耦合，只能简单地用一些力学中的经验公式或模型(比如BEKKER公式或模型)进行力和位移的计算，而且这些商业多体动力学软件都不适合大变形的地面情形。具体来说：

1)目前所有商业多体动力学软件都不能与连续体地面力学模型进行一体化耦合，它们通常需要两个独立的计算程序来解决车辆与地面的耦合问题，因此这些商业多体动力学软件只能在两个软件间交换状态变量和力信息，却不能统一处理必须满足多体动力学算法中有关位置、速度、加速度要求的代数约束方程，这样就不可能真正解决车辆与地面的动力学耦合问题。

2)而且这些商业多体动力学软件都不适合解决地面的大变形情形，如塑形变形问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：目前所有商业多体动力学软件都不能与连续体地面力学模型进行一体化耦合，它们通常需要两个独立的计算程序来解决车辆与地面的耦合问题，因此这些商业多体动力学软件只能在两个软件间交换状态变量和力信息，却不能统一处理必须满足多体动力学算法中有关位置、速度、加速度要求的代数约束方程，这样就不可能真正解决车辆与地面的动力学耦合问题。

本发明采取以下技术方案：

一种建立车辆与地面耦合的一体式动力学模型的方法，包括以下步骤：

a)建立绝对节点坐标系：

单元j上任意点位置矢量r^j表示成全局坐标系XYZ成r^j＝S^j(x^j,y^j,z^j)e^j(t)，在该方程中x^j,y^j,和z^j是单元的空间坐标，S^j是形状函数矩阵，e^j是时刻t时单元节点坐标矢量,节点坐标矢量e^jk在节点k的表达式是式一:

广义连续体力学方法计算格林-拉格朗日应变张量ε＝(J^TJ-I)/2,这里J是位置矢量斜率矩阵，它在节点k的表达式是式二:

左柯西-格林变形张量表示为这里下标e、p分别表示弹性、塑形；对于剑桥粘土地面模型，其弹性柯西-格林变形张量表示为，

b)建立地面有限单元或变形体动力方程:

对于地面有限单元或变形体，实际功原理可以表示为式三：

这里V是单元体积，ρ是质量密度，r任意点的位置向量,f_b是体力向量，式三中的第二项用广义内力表示为式四：

这里δe绝对节点坐标有限单元上节点坐标的变化值，Q_s是广义内力，这样式三能够进一步导出为运动方程，即式五：

其中，M是固定不变的系统质量矩阵，Q_s是广义内力矩阵，Q_e是单元外加节点力矩阵；

c)建立一体化车辆-地面耦合模型的运动方程：