基于veDYNA的运输车辆侧翻动力学仿真研究

高 琦，孟宪皆*，邱绪云

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东淄博 255049；2.山东交通学院 汽车工程学院，山东济南 250023)

基于veDYNA的运输车辆侧翻动力学仿真研究

高 琦1，孟宪皆1*，邱绪云2*

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东淄博 255049；2.山东交通学院 汽车工程学院，山东济南 250023)

选取三轴货车为研究对象，基于车辆动力学仿真软件veDyna环境建立运输车辆行驶动力学仿真平台，并对模型的有效性进行验证。通过设置角阶跃典型行驶道路工况，分析车辆行驶动力学参数和道路参数等因素对运输车辆发生侧翻的影响机理。仿真结果表明，车速、方向盘转角等动力学参数对运输车辆的侧倾稳定性影响较大，道路参数对运输车辆的侧倾稳定性影响较小。建立的运输车辆行驶动力学仿真平台，能够很好的模拟真实车辆的实际工况，为进一步研究运输车辆的防侧翻控制提供较好的理论基础。

运输车辆；侧翻；动力学；仿真

随着我国交通运输事业的迅猛发展，汽车年产量、保有量和交通流量不断扩大，行车安全尤为重要，一旦发生碰撞和侧翻等交通事故，对于其它车辆危害更大。在众多侧翻事故中，运输车辆由于车辆质心位置较高、车体较长，高速时更容易发生侧翻。

近年来，许多国内外学者对车辆侧翻进行了研究，并取得一定成果。文献[1]在建立车辆简化模型的基础上研究车辆稳态边界问题，从而给车辆稳定行驶提供了理论基础；文献[2]采用横向载荷转移率来判定侧翻的危险程度，进一步确定了侧翻时间计算模型；文献[3]在建立14自由度车辆模型的基础上评估车辆的行驶状态和侧翻阈值，并研究了主动防侧翻控制方法；文献[4]采用底盘集成控制方法提高重型车辆侧倾稳定性，并用仿真方法验证了控制算法。国内对侧翻的研究起步相对较晚，在侧翻动力学建模、预测及防侧翻控制等方面取得了较为突出的成果[5-13]。

运输车辆的侧翻受多种因素的影响，除了受车辆动力学参数的影响外，还受车辆本身的结构参数和道路参数的影响，且由于其总质量、车体较大的原因，用试验方法全面研究运输车辆的侧翻动力学机理有非常大的难度和危险。为此，本文采用计算机仿真方法，基于veDYNA软件建立运输车辆侧翻动力学仿真平台，分析运输车辆侧翻的各种影响因素，对于研究运输车辆侧翻的预测以及防侧翻控制具有十分重要的意义和价值。

1 动力学仿真平台的建立

1.1 veDYNA软件

veDYNA(Vehicle dynamic analysis)是一款整车动力学实时仿真软件，在宝马、奥迪和福特等汽车的研发中得到了广泛应用。veDYNA以MATLAB为平台，为使用者提供实时的完全参数化的多体动力学模型，它运行于MATLAB/Simulink环境下，将多体系统动力学与MATLAB控制计算的优势结合在一起，从根本上解决大型多体动力学软件(如ADAMS等)在控制系统设计中需要与MATLAB进行耦合仿真的问题，在实时仿真与控制方面具有很大的优势[14-15]。

1.2运输车辆veDYNA模型的建立

在veDYNA软件中选用三轴货车(见图1)搭建仿真平台，主要包括多体动力学车体模型、各种操纵控制模型、三维路面模型和虚拟驾驶员模型等。其中，车体模型包括三轴货车的各部分结构尺寸、载荷、转动惯量以及悬架阻尼、刚度等参数，如图2所示。定义的各种操纵控制模型包括纵向控制、横向控制和制动控制等。

图1 三轴货车模型

图2 运输车辆结构参数设置

三轴货车整车质量为8 830 kg，整车质量绕质心纵向轴线、绕质心横向轴线、绕质心垂向轴线的转动惯量分别为8 892.09，90 346.50，90 607.30 kg·m2；三轴货车的簧载质量为8 000 kg，簧载质量绕质心纵向轴线、绕质心横向轴线、绕质心垂向轴线的转动惯量分别为5 000，13 500，14 300 kg·m2。三轴货车结构尺寸参数分别为：整车长6.3 m、整车宽2.4 m、整车高3.6 m、前轴至中轴4.5 m、中轴距后轴1.2 m、前轴及中后轴轮距2.3 m、整车质心高0.686 m、簧载质心高2.086 m。

仿真平台搭建后，进行多次仿真验证模型的有效性。

车辆发生侧翻的效果如图3所示。为进一步验证模型的有效性，通过设置单一弯道和多弯道工况等不同的道路条件，将车辆模型实际行驶的轨迹曲线同理论期望的行驶轨迹曲线进行对比，如图4所示。结果表明，所建立的运输车辆行驶动力学仿真平台能够模拟车辆的行驶动力学过程。

图3 运输车辆发生侧翻效果图

图4 模型验证

2 动力学仿真及分析

仿真时，通过纵向控制环节和制动环节对车速进行控制，以保证车辆匀速通过设定路径；通过侧向控制环节对方向盘转角进行控制，实现车辆的转向控制；上述控制环节最终通过驾驶员模型实现对运输车辆的操纵控制。驾驶员模型对车辆的操控是自动的，能实时根据车辆速度及道路条件改变对车辆的操纵输入。

本文采用车辆的横向载荷转移率KLTR和侧向加速度ac作为运输车辆发生侧翻的评价指标。KLTR是更加具有通用型的侧倾稳定性评价指标，KLTR的计算式[6]为

(1)

式中FLi为车辆左侧各车轮的垂向力；FRi为车辆右侧各车轮的垂向力；n为车轴的数量；i为车辆的第i根轴，i∈n。

车辆发生侧倾时，两侧车轮受到的垂直载荷发生变化，一侧增加，另一侧减少。由式(1)可以看出，KLTR能够反映车辆的侧倾程度。其取值范围为[0，1]，当KLTR=0时，车辆没有发生侧倾；当|KLTR|=1时，车轮一侧所受的的垂直载荷为0，车轮即将离地，车辆发生侧翻。

车辆侧翻阈值的计算，以往常采用静态分析的方法，往往大于实际车辆动态行驶时的阈值。在运输车辆实际行驶过程中，KLTR的阈值小于理论值1，侧向加速度应<0.4g(g=9.8 m/s2)。

影响运输车辆侧翻的主要因素包括车辆结构参数(轮距、轴距、质心高度等)、动力学参数(车速、ac等)及道路参数(附着系数、转弯半径等)，本文选取一部分典型影响因素进行仿真分析。

2.1不同方向盘转角输入时的仿真分析

设置路面附着系数为0.9，车速为80 km/h，并分别给车辆40°、60°、80°和90°的方向盘转角阶跃输入，仿真结果见图5、6。

图5 不同方向盘转角时的KLTR

图6 不同方向盘转角时的ac

由图5可以看出，当车速一定时，KLTR随方向盘转角的增大而增大。方向盘转角阶跃输入40°时，KLTR较快的稳定在0.3左右，车辆发生较小的侧倾；方向盘转角阶跃输入60°时，KLTR很快稳定在0.4左右，车辆有一定的侧倾；方向盘转角增大到80°，KLTR在方向盘角阶跃输入几秒后超过0.6，经过驾驶员模型的调节，KLTR减小并稳定在0.5左右，但车辆侧倾程度较大；当方向盘转角阶跃输入增大到90°，KLTR瞬间增大到1，车辆一侧车轮离地，车辆发生侧翻。

图6表明，在车速相同的情况下，ac随着方向盘转角的增大，有逐渐增大的趋势。当方向盘转角为40°和60°阶跃输入时，ac较快的达到稳态值；方向盘转角阶跃输入80°后一段时间，ac增大到4 m/s2，通过驾驶员模型的调节，ac有所减小，最后稳定在3.5 m/s2左右；继续增大方向盘转角的阶跃输入到90°，ac迅速增大到5.5 m/s2左右，车辆发生侧翻，仿真停止。

2.2不同车速时的仿真分析

设置路面附着系数为0.9，车辆方向盘转角为80°阶跃输入，通过加速使车速分别达到40，60，80 km/h并保持恒定，不同车速时KLTR、ac随时间的变化曲线如图7、8所示。

由图7～8可知，在方向盘转角固定不变的情况下，KLTR、ac均随着车速的增加而增大。车速为60 km/h时，KLTR稳定在0.45、ac稳定在2.7 m/s2左右，车辆发生了轻微程度的侧倾；车速为70 km/h时，KLTR稳定在0.5、ac稳定在3 m/s2左右，车辆发生了较为严重的侧倾；车速增大到80 km/h时，在方向盘阶跃输入几秒后ac先增大到0.68，KLTR先增大到3.8 m/s2左右，经过驾驶员模型调节有所减小，KLTR稳定在0.55，ac稳定在3.4 m/s2，车辆有发生侧翻的趋势。当车速超过90 km/h时，车辆发生侧翻。

图7 不同车速的KLTR

图8 不同车速的ac

2.3不同路面附着系数时的仿真分析

为分析道路参数对运输车辆侧翻的影响，分别设置路面峰值附着系数为0.9、0.7和0.5，令车辆以70 km/h的恒定车速、方向盘转角60°阶跃输入驶入测试区域。不同附着系数时的KLTR和ac随时间的变化曲线如图9、10所示。

图9 不同路面附着系数的KLTR

图10 不同路面附着系数的ac

由图9、10可以看出，在车速相同和方向盘角阶跃输入相同的情况下，运输车辆的侧倾程度随路面附着系数的减小有所减小，但变化较小，此时车辆发生了严重侧滑，尤其在附着系数为0.5时，车辆甚至发生甩尾现象。

3 结论

基于车辆动力学仿真软件veDYNA建立了运输车辆侧翻动力学仿真平台，通过设置角阶跃典型工况，分析了运输车辆行驶动力学参数和道路参数等因素对运输车辆发生侧翻的影响机理。

1)基于车辆动力学仿真软件veDYNA建立的运输车辆侧翻动力学仿真平台，能够很好的模拟真实车辆的实际工况，分析主要因素对运输车辆侧倾稳定性及侧翻的影响程度，对后续更加深层研究车辆侧翻具有重要意义。

2)车速、方向盘转角等动力学参数对运输车辆的侧倾稳定性影响较大。道路参数也会影响运输车辆的侧倾稳定性，但影响程度较小。

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RolloverDynamicsSimulationStudyofTransportVehicleBasedonveDYNASoftware

GAOQi1，MENGXian-jie1，QIUXu-yun2

(1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;2.SchoolofAutomobileEngineering,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250023,China)

In this paper, selecting a three-axis truck as the research object, a driving dynamics simulation platform of transport vehicle is established to confirm the effectiveness of the model based on the environment of vehicle dynamics simulation veDYNA software. By setting the typical operating conditions, the influence mechanism of transport vehicle is analyzed when the rollover occurs, including driving dynamics parameters of the vehicle, road parameters and so on. The established driving dynamics simulation platform of transport vehicle can verify the degree of influence of various factors on the vehicle roll stability and rollover, which provides a better theoretical foundation for further study of the transport vehicle anti-rollover control.

transport vehicle; rollover; dynamics; simulation

杨秀红)

2014-07-27

交通运输部基础研究项目(2013319817190)；山东省自然科学基金项目(ZR2010EL024)

高 琦(1990—),女, 山东青岛人,山东理工大学硕士研究生,主要研究方向为车辆系统动力学控制与仿真；*孟宪皆(1965—)，男，山东聊城人，山东理工大学副教授，工学博士，硕士研究生导师，主要研究方向为车辆动力学和NVH控制技术；*邱绪云(1977—)，男，山东临沂人，山东交通学院教授，工学博士，主要研究方向为车辆系统动力学及仿真.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.001

U467.1；U461.1

A

1672-0032(2014)03-0001-05