车辆系统动力学手册 第1卷:基础理论和方法

2.2运动学………………………………………14

2.2.1车辆运动学坐标系……………………14

2.2.2惯性坐标系的刚体

运动学……………16

2.2.3移动坐标系的刚体

运动学……………21

2.2.4刚体系统运动学…………………………22

2.3动力学…………………………………………24

2.3.1惯性性质……………………………………24

2.3.2Newton-Euler方程…………………… 25

2.3.3d′Alember和Joudran原理………… 26

2.3.4能量考虑和Lagrange方程……………28

2.4运动方程………………………………………30

2.5多体系统体系……………………………… 32

2.5.1非递归体系…………………………………33

2.5.2递归体系……………………………………36

参考文献……………………………………………39

第3章仿真算法和软件工具……………………41

3.1引言………………………………………………41

3.2基本仿真算法…………………………………42

3.2.1静态分析…………………………………… 42

3.2.2线性化……………………………………… 43

3.2.3时间积分…………………………………… 44

3.3通用模型方程的结构……………………… 46

3.3.1柔性多体系统………………………………46

3.3.2内部状态变量………………………………46

3.3.3时间事件…………………………………… 47

3.3.4运动学闭环…………………………………47

3.3.5先进的DAE模型………………………… 49

3.3.6小结………………………………………… 50

3.4车辆系统动力学的DAE时间

积分…………………………………………………51

3.4.1基于ODE方法的DAE

时间积分………………………………………… 52

3.4.2指标减缩和投影…………………………53

3.4.3GEAR-Gupta-Leimkuhler

体系…………………………………………………56

3.4.4先进的DAE模型…………………………57

3.4.5小结…………………………………………58

3.5多物理问题的仿真算法和工具……… 58

3.5.1多体系统仿真工具的扩展……………58

3.5.2通用的仿真工具和

建模语言…………………………………………60

3.5.3模拟器耦合………………………………60

3.5.4小结…………………………………………63

致谢……………………………………………… 63

参考文献………………………………………… 63

第4章采用有限元的非线性

固体力学………………………………………… 66

4.1引言…………………………………………… 66

4.2线性问题………………………………………66

4.3非线性问题……………………………………68

4.3.1解策略………………………………………69

4.3.2解法…………………………………………71

4.4连续体力学………………………………… 71

4.4.1平衡的强和弱形式………………………72

4.4.2变形梯度……………………………………73

4.4.3变形张量……………………………………74

4.4.4应变率………………………………………75

4.4.5应变度量……………………………………78

4.4.6应力度量……………………………………80

4.5虚功方程的非线性表示………………… 81

4.5.1TL方法……………………………………… 82

4.5.2UL方法………………………………………83

4.6本构关系………………………………………85

4.6.1线性弹性行为…………………………… 86

4.6.2非线性弹性行为…………………………87

4.6.3非弹性行为……………………………… 88

4.6.4大应变弹塑性…………………………… 95

4.7有限元解法…………………………………100

4.7.1平衡方程的有限元

线性化…………………………………………… 102

4.7.2固体单元的矩阵方程………………… 103

4.8特殊问题…………………………………… 105

4.8.1非线性断裂力学…………………………105

4.8.2接触力学……………………………………107

4.9结论……………………………………………109

参考文献………………………………………… 110

第5章非线性车辆动力学…………………… 112

5.1引言…………………………………………… 112

5.2车辆动力学问题的描述………………… 114

5.3具有常参数的非线性自治动态

系统的几何………………………………………115

5.3.1一些定义………………………………… 115

5.3.2稳定性概念………………………………116

5.3.3平衡解…………………………………… 119

5.4参数依赖系统和分岔……………………126

5.5中心流形减少定理……………………… 129

5.6随机动力学和噪声的影响………………129

5.7非光滑系统………………………………… 133

5.8车辆动态系统的数值分析………………137

5.8.1光滑问题的数值解………………………137

5.8.2不连续性的数值解………………………140

5.8.3数值计算车辆动态问题稳定

分支的一种方法…………………………………145

5.9车辆系统动力学指南………………………147

致谢………………………………………………… 148

参考文献……………………………………………148

第6章控制与识别…………………………………151

6.1状态模型…………………………………………151

6.1.1引言…………………………………………… 151

6.1.2线性动态系统的状态表示……………… 151

6.1.3状态空间系统变换…………………………154

6.1.4传递函数矩阵…………………………………155

6.1.5LTI系统稳定性……………………………… 156

6.1.6可控性和可观测性…………………………156

6.2状态反馈控制设计……………………………158

6.2.1基于极点配置的状态反馈………………158

6.2.2采用观测器的状态估计………………… 163

6.3*优控制…………………………………………167

6.3.1Riccati方程……………………………………167

6.3.2T→∞的Riccati方程…………………………168

6.3.3Q-R选择…………………………………………169

6.4识别-试验建模………………………………… 173

6.4.1引言………………………………………………173

6.4.2基础(现实、系统和模型)………………… 174

6.4.3模型验证…………………………………………175

6.4.4离散时间信号和系统基础……………………175

6.4.5概率和随机学基础………………………………176

6.5识别方法………………………………………………180

6.5.1输入信号和持续激励……………………………180

6.5.2非参数建模…………………………………………180

6.5.3参数模型……………………………………………181

6.5.4黑箱与灰箱模型………………………………… 188

6.5.5非线性建模…………………………………………188

6.5.6逐步识别过程………………………………………190

6.6非线性控制设计………………………………………192

6.6.1线性化…………………………………………………193

6.6.2反馈线性化……………………………………………194

6.6.3鲁棒控制………………………………………………198

6.7状态估计再审视………………………………………200

6.7.1Kalman滤波器………………………………………200

6.7.2滑模观测器……………………………………………205

参考文献………………………………………………………207

第7章执行器和传感器………………………………………209

7.1引言……………………………………………………………209

7.2车辆动力学和控制………………………………………209

7.2.1控制分类…………………………………………………209

7.2.2悬架控制…………………………………………………210

7.2.3转向控制…………………………………………………210

7.2.4驱动控制…………………………………………………211

7.2.5车辆动力学控制中的

传感器和执行器………………………………………………212

7.3执行器建模…………………………………………………213

7.3.1电动机分类………………………………………………213

7.3.2DC电动机………………………………………………213

7.3.3AC电动机………………………………………………214

7.3.4步进电动机………………………………………………215

7.3.5旋转到横向运动的转换……………………………215

7.3.6液压执行器………………………………………………216

7.4执行器的应用………………………………………………218

7.4.1振动控制…………………………………………………218

7.4.2转向控制…………………………………………………219

7.4.3前转向角主动控制系统……………………………220

7.5用于汽车控制的传感器……………………………223

7.5.1传感器………………………………………………223

7.5.2用于检测车辆自身的传感器……………………223

7.5.3用于检测车辆环境的传感器……………………225

致谢……………………………………………………………226

参考文献……………………………………………………226

第8章地面车辆系统优化………………………………228

8.1引言………………………………………………228

8.2基础………………………………………………229

8.2.1优化问题的描述…………………………………229

8.2.2求解方法……………………………………………231

8.2.3基于可靠性的设计优化………………………235

8.2.4Pareto优化集的分析…………………………236

8.2.5用于工程设计优化的商业软件…………… 236

8.3道路车辆和子系统的优化设计……………… 238

8.3.1车辆系统动态行为…………………………… 238

8.3.2动力传动设计……………………………………238

8.3.3内燃机设计………………………………………239

8.3.4安全和行驶平顺性……………………………239

8.3.5车辆系统设计和轻量化结构………………240

8.3.6车辆电子控制的集成…………………………241

8.4车辆动态行为的优化……………………………242

8.5结论………………………………………………245

参考文献………………………………………………245

第9章汽车部件的疲劳和结构耐久性……………251

9.1结构耐久性…………………………………………252

9.1.1影响参数………………………………………………254

9.1.2循环数据………………………………………………256

9.1.3部件设计/评价………………………………………260

9.1.4耐久载荷………………………………………………265

9.2载荷数据和应力数据获取…………………………271

9.2.1载荷数据获取………………………………………………271

9.2.2应力数据获取………………………………………………273

9.3用于评价和测试的载荷

导出与生成…………………………………………………………274

9.3.1疲劳寿命基础和影响……………………………………275

9.3.2测试外推………………………………………………………279

9.3.3载荷时间序列的缩短………………………………………280

9.3.4载荷数据合成………………………………………………281

9.3.5标准载荷序列CARLOS TC…………………………… 285

9.4通过实验室道路模拟的加速

寿命测试……………………………………………………………289

9.4.1道路试验和道路模拟……………………………………289

9.4.2被测试系统的定义………………………………………290

9.4.3载荷文件的开发……………………………………………291

9.4.4试验结果评价………………………………………………292

参考文献……………………………………………………………293

第10章车辆中机电装置的可靠性

评价…………………………………………………………………297

10.1引言……………………………………………………………297

10.2可靠性的一般方面………………………………………………297

10.2.1定量可靠性………………………………………………298

10.2.2定性方法——失效模式和

影响分析………………………………………………303

10.3早期开发阶段的可靠性评价……………………………304

10.3.1开发过程和V模型………………………………………305

10.3.2机电系统早期开发阶段的

可靠性方法…………………………………………………………305

10.4主动降噪系统的数值灵敏度

分析和可靠性研究………………………………………………309

10.4.1性能评价………………………………………………310

10.4.2灵敏度分析………………………………………………311

10.4.3影响可靠性的因素………………………………………………311

10.4.4寿命估计………………………………………………314

10.5结论………………………………………………314