多体动力学模型及车身模型转动惯量的计算方法、装置与流程

本发明涉及汽车仿真技术领域，特别涉及一种车辆的多体动力学模型及车身模型转动惯量的计算方法、装置。

背景技术：

在进行车辆的多体动力学模型搭建时，车身转动惯量影响着多体动力学模型在转向工况下的精确性。

而由于多体动力学模型和物理样机(样车)之间在质量分布、零部件上存在差异，因而难以通过实验方式获得精确的车身转动惯量，从而大大降低了多体整车模型的精确性。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种车身模型转动惯量的计算方法，该方法能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，并提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

本发明的第二个目的在于提出一种车身模型转动惯量的计算装置。

本发明的第三个目的在于提出一种车辆的多体动力学模型。

为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种车身模型转动惯量的计算方法，包括以下步骤：获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为所述车辆的各轮轮荷；获取所述车辆的基本参数；根据所述车辆的各轮轮荷计算所述车辆的多体整车模型的质心位置，并根据所述车辆的基本参数计算所述车辆的整车转动惯量；以及根据所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述整车转动惯量计算所述车辆的车身模型转动惯量。

根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算方法，首先获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为车辆的各轮轮荷，并获取车辆的基本参数，然后，根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置，并根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量，最后，根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量计算车辆的车身模型转动惯量。该方法能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，并提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

根据本发明的一个实施例，所述车辆的基本参数包括所述车辆的长度、宽度、高度、轴距、轮距、质量以及所述车辆对应的物理样机的质心位置中的多种。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算所述车辆的整车转动惯量：

其中，Ixx为所述整车转动惯量在x轴上的分量，Iyy为所述整车转动惯量在y轴上的分量，Izz为所述整车转动惯量在z轴上的分量，RH为所述车辆的高度，Hg为所述车辆对应的物理样机的质心高度，TW为所述车辆的轮距，WB为所述车辆的轴距、m为所述车辆的质量，L为所述车辆的长度，Kx、Ky和Kz均为预设系数。

根据本发明的一个实施例，上述的车身模型转动惯量的计算方法，还包括：根据所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述车辆对应的物理样机的质心位置对所述车身模型转动惯量进行校验及优化。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述车辆对应的物理样机的质心位置对所述车身模型转动惯量进行校验及优化，包括：在同一坐标系下，计算所述车辆的多体整车模型的质心位置与所述车辆对应的物理样机的质心位置之间的差值；判断所述差值的绝对值是否大于预设阈值；如果所述差值的绝对值大于所述预设阈值，则通过对所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述车辆的多体整车模型的配重进行调整，以对所述车身模型转动惯量进行优化。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出的一种车身模型转动惯量的计算装置，包括：第一获取模块，用于获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为所述车辆的各轮轮荷；第二获取模块，用于获取所述车辆的基本参数；第一计算模块，所述第一计算模块与所述第一获取模块相连，用于根据所述车辆的各轮轮荷计算所述车辆的多体整车模型的质心位置；第二计算模块，所述第二计算模块与所述第二获取模块相连，用于根据所述车辆的基本参数计算所述车辆的整车转动惯量；以及第三计算模块，所述第三计算模块分别与所述第一计算模块和所述第二计算模块相连，用于根据所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述整车转动惯量计算所述车辆的车身模型转动惯量。

根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算装置，通过第一获取模块获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为车辆的各轮轮荷，并通过第二获取模块获取车辆的基本参数，然后，第一计算模块根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置，第二计算模块根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量，第三计算模块根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量计算车辆的车身模型转动惯量。该装置能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，并提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

根据本发明的一个实施例，所述车辆的基本参数包括：所述车辆的长度、宽度、高度、轴距、轮距、质量以及所述车辆对应的物理样机的质心位置中的多种。

根据本发明的一个实施例，所述第二计算模块通过以下公式计算所述车辆的整车转动惯量：

其中，Ixx为所述整车转动惯量在x轴上的分量，Iyy为所述整车转动惯量在y轴上的分量，Izz为所述整车转动惯量在z轴上的分量，RH为所述车辆的高度，Hg为所述车辆对应的物理样机的质心高度，TW为所述车辆的轮距，WB为所述车辆的轴距、m为所述车辆的质量，L为所述车辆的长度，Kx、Ky和Kz均为预设系数。

根据本发明的一个实施例，上述的车身模型转动惯量的计算装置，还包括：校验模块，用于根据所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述车辆对应的物理样机的质心位置对所述车身模型转动惯量进行校验及优化。

根据本发明的一个实施例，所述校验模块根据所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述车辆对应的物理样机的质心位置对所述车身模型转动惯量进行校验及优化时，其中，在同一坐标系下，所述校验模块计算所述车辆的多体整车模型的质心位置与所述车辆对应的物理样机的质心位置之间的差值；所述校验模块判断所述差值的绝对值是否大于预设阈值；如果所述差值的绝对值大于所述预设阈值，所述校验模块则通过对所述车辆的多体整车模型的质心位置和所述车辆的多体整车模型的配重进行调整，以对所述车身模型转动惯量进行优化。

此外，本发明的实施例还提出了一种车辆的多体动力学模型，其包括上述的车身模型转动惯量的计算装置。

本发明实施例的车辆的多体动力学模型，通过上述的车身模型转动惯量的计算装置，能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，并提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算装置的方框图；以及

图3是根据本发明一个实施例的车身模型转动惯量的计算装置的方框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的车辆的多体动力学模型及车身模型转动惯量的计算方法、装置。

图1是根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算方法的流程图。如图1所示，该车身模型转动惯量的计算方法包括以下步骤：

S1，获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为车辆的各轮轮荷。

其中，车辆的轮胎受力情况是指车辆在水平静止状态下各轮胎的受力情况。具体地，当车辆静止在水平地面上时，通过六分力仪或测功机等测量各轮胎的受力情况，所测量的数据即为车辆的各轮轮荷。

S2，获取车辆的基本参数。

根据本发明的一个实施例，车辆的基本参数可包括车辆的长度、宽度、高度、轴距、轮距、质量以及车辆对应的物理样机的质心位置中的多种。其中，车辆的质量可以通过车辆的各轮轮荷计算获得。

S3，根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置，并根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量。

具体地，在根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置时，可以先根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体车身模型质心位置，然后根据多体车身模型质心位置计算出多体整车模型的质心位置。

具体而言，在计算车辆的多体整车模型的质心位置时，根据力矩平衡原理可得到以下公式：

其中，F_fl为左前轮轮荷，F_fr为右前轮轮荷，F_rl为左后轮轮荷，F_rr为右后轮轮荷，WB为车辆的轴距，a、b和c分别为车辆的质心到整车坐标系x轴、y轴和z轴的距离，Mb为车身模型的质量，Ml为整车总质量减去车身模型的质量，x1和x2为对应物体到整车坐标系x轴的距离，y1和y2为对应物体到整车坐标系y轴的距离，z1和z2为对应物体到整车坐标系z轴的距离。

然后，通过对上述公式(1)进行计算，可以获得a、b、c、x2、y2和z2的值。由于车辆的质心高度可以采用估计值(一般来源于数据库、设计值等)，因此，假设多体动力学模型中车辆的左前轮的坐标为(m，n，p)，那么，车辆的多体整车模型的质心位置为：(m+a，n+b，c)，多体车身模型的质心位置为：(m+x2，n+y2，p+z2)。

在实际应用时，可通过多体动力学软件adams(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，机械系统动力学自动分析)计算车辆的多体整车模型的质心位置。具体步骤可包括：1)建立整车多体动力学模型；2)赋予整车多体动力学模型中所有底盘、动力总成零部件正确的质量和转动惯量；3)将剩余其他的质量赋予多体车身模型；4)调整多体车身模型的质心位置，使各车轮的轮荷和实际轮荷一致；5)采用adams的aggregate mass功能求出车辆的多体整车模型的质心位置。

另外，在根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量时，可根据车辆的基本参数，采用估计公式或经验公式计算车辆的整车转动惯量。

具体而言，在本发明的一个实施例中，可以通过下述公式(2)计算车辆的整车转动惯量：

其中，Ixx为整车转动惯量在x轴上的分量，Iyy为整车转动惯量在y轴上的分量，Izz为整车转动惯量在z轴上的分量，RH为车辆的高度，Hg为车辆对应的物理样机的质心高度，TW为车辆的轮距，WB为车辆的轴距、m为车辆的质量，L为车辆的长度，Kx、Ky和Kz均为预设系数。

S4，根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量计算车辆的车身模型转动惯量。

其中，车身模型是指整车多体动力学模型中的车身子模型，通过车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量，根据多体转动惯量分析计算，确定车辆的车身模型转动惯量。

具体地，可通过多体动力学模型和车身模型之间的转动惯量关系，根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量反求出车辆的车身模型转动惯量。例如，由于车辆的近乎对称性，可以假设车身模型、去掉车身模型后的整车模型的转动轴重合，则根据转动惯量的叠加原理可以得到车身模型转动惯量：

其中，Ixxmb、Iyymb和Izzmb分别为车身模型在x轴、y轴和z轴上的转动惯量，Ixxml、Iyyml和Izzml分别为去掉车身模型后的整车模型在x轴、y轴和z轴上的转动惯量。

因此，根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算方法，通过车辆的各轮轮荷计算出车辆的多体整车模型的质心位置，并通过车辆的基本参数计算出整车转动惯量，然后根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量，通过多体计算能够快速求解出车身模型转动惯量，不仅缩短了建模时长，而且提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

进一步地，为了确保计算的车身模型转动惯量的准确性和合理性，在计算出车身模型转动惯量之后，还对计算的车身模型转动惯量进行校验及优化。

在本发明的一个实施例中，上述的车身模型转动惯量的计算方法，还包括：根据车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置对车身模型转动惯量进行校验及优化。

根据本发明的一个实施例，根据车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置对车身模型转动惯量进行校验及优化，包括：在同一坐标系下，计算车辆的多体整车模型的质心位置与车辆对应的物理样机的质心位置之间的差值；判断差值的绝对值是否大于预设阈值；如果差值的绝对值大于预设阈值，则通过对车辆的多体整车模型的质心位置和车辆的多体整车模型的配重进行调整，以对车身模型转动惯量进行优化。

也就是说，可以根据质心的相关性来对车身模型转动惯量进行校验，即在相同坐标系下，对比车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置，根据两者的质心位置误差对车身模型转动惯量进行校验。当质心位置误差处于合理范围时，认定车身模型转动惯量求解合理。其中，相同坐标系是指车辆和车辆的多体动力学模型采用同一参照物，合理范围是指在x轴、y轴、z轴上的质心位置误差分别在20mm、10mm、20mm内，具体可根据实际情况进行标定。如果质心位置误差不在合理范围，则可以通过对车辆的多体整车模型的质心位置和车辆的多体整车模型的配重进行调整，以对车身模型转动惯量进行优化。

具体地，当质心位置误差不在合理范围内时，通过逐步迭代计算，调整车辆的多体整车模型的质心位置，使得多体动力学模型中求解出的各轮轮荷与实际获取的各轮轮荷一致，当多体动力学模型中求解出的各轮轮荷与实际获取的各轮轮荷一致时，为理想状态；当多体动力学模型中求解出的各轮轮荷与实际获取的各轮轮荷不一致时，则继续对车辆的多体整车模型的配重进行调整，并重新计算，直到质心位置误差处于合理范围。此时，可以认为车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置基本一致，即建立的车辆的虚拟样机和物理样机状态保持一致，此时根据当前的车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量即可计算出最终的车身模型转动惯量，从而实现对车身模型转动惯量的优化。

需要说明的是，在本发明的实施例中，车身模型转动惯量的校验也可以通过如下方法实现：建立车身CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)模型；赋予车身CAE模型材料属性；计算车身CAE模型的质量和转动惯量；根据车身CAE模型的质量和多体动力学模型车身质量等比例拓展车身模型转动惯量。如果误差小于预设值如10％，则认定车身模型转动惯量求解合理。

综上所述，根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算方法，首先获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为车辆的各轮轮荷，并获取车辆的基本参数，然后，根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置，并根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量，最后，根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量计算车辆的车身模型转动惯量。该方法能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，而且还对计算的车身模型转动惯量进行校验及优化，提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的仿真精度和效果，有效解决了相关技术中车身转动惯量无法满足整车虚拟模拟仿真的问题。

图2是根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算装置的方框图。如图2所示，该车身模型转动惯量的计算装置包括：第一获取模块10、第二获取模块20、第一计算模块30、第二计算模块40和第三计算模块50。

具体地，第一获取模块10用于获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为车辆的各轮轮荷。

其中，车辆的轮胎受力情况是指车辆在水平静止状态下各轮胎的受力情况。具体地，当车辆静止在水平地面上时，通过第一获取模块10(如六分力仪或测功机等)测量各轮胎的受力情况，所测量的数据即为车辆的各轮轮荷。

第二获取模块20用于获取车辆的基本参数。

根据本发明的一个实施例，车辆的基本参数可包括车辆的长度、宽度、高度、轴距、轮距、质量以及车辆对应的物理样机的质心位置中的多种，其中，车辆的质量可以通过车辆的各轮轮荷计算获得。

第一计算模块30与第一获取模块10相连，用于根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置。第二计算模块40与第二获取模块20相连，用于根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量。

具体地，第一计算模块30在根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置时，可以先根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体车身模型质心位置，然后根据多体车身模型质心位置计算出多体整车模型的质心位置。例如，第一计算模块30可通过上述公式(1)计算出车辆的多体整车模型的质心位置。第二计算模块40在根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量时，可以根据车辆的基本参数，采用估计公式或经验公式计算车辆的整车转动惯量，根据本发明的一个实施例，可通过上述公式(2)计算车辆的整车转动惯量。

第三计算模块50分别与第一计算模块30和第二计算模块40相连，用于根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量计算车辆的车身模型转动惯量。

其中，车身模型是指整车多体动力学模型中的车身子模型，第三计算模块50通过车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量，根据多体转动惯量分析计算，确定车辆的车身模型转动惯量。

具体地，第三计算模块50可通过多体动力学模型和车身模型之间的转动惯量关系，根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量反求出车辆的车身模型转动惯量，例如，可通过上述公式(3)计算出车身模型转动惯量。

因此，根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算装置，通过车辆的各轮轮荷计算出车辆的多体整车模型的质心位置，并通过车辆的基本参数计算出整车转动惯量，然后根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量，通过多体计算能够快速求解出车身模型转动惯量，不仅缩短了建模时长，而且提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

进一步地，为了确保计算的车身模型转动惯量的准确性和合理性，在计算出车身模型转动惯量之后，还对计算的车身模型转动惯量进行校验及优化。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，上述的车身模型转动惯量的计算装置还包括：校验模块60，用于根据车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置对车身模型转动惯量进行校验及优化。

根据本发明的一个实施例，校验模块60根据车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置对车身模型转动惯量进行校验及优化时，其中，在同一坐标系下，校验模块60计算车辆的多体整车模型的质心位置与车辆对应的物理样机的质心位置之间的差值；校验模块60判断差值的绝对值是否大于预设阈值；如果差值的绝对值大于预设阈值，校验模块60则通过对车辆的多体整车模型的质心位置和车辆的多体整车模型的配重进行调整，以对车身模型转动惯量进行优化。

也就是说，校验模块60可以根据质心的相关性来对车身模型转动惯量进行校验，即在相同坐标系下，对比车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置，根据两者的质心位置误差对车身模型转动惯量进行校验，当质心位置误差处于合理范围时，认定车身模型转动惯量求解合理。其中，相同坐标系是指车辆和车辆的多体动力学模型采用同一参照物，合理范围是指在x轴、y轴、z轴上的质心位置误差分别在20mm、10mm、20mm内，具体可根据实际情况进行标定。如果质心位置误差不在合理范围，校验模块60则可以通过对车辆的多体整车模型的质心位置和车辆的多体整车模型的配重进行调整，以对车身模型转动惯量进行优化。

具体地，当质心位置误差不在合理范围内时，校验模块60通过逐步迭代计算，调整车辆的多体整车模型的质心位置，使得多体动力学模型中求解出的各轮轮荷与实际获取的各轮轮荷一致，当多体动力学模型中求解出的各轮轮荷与实际获取的各轮轮荷一致时，为理想状态；当多体动力学模型中求解出的各轮轮荷与实际获取的各轮轮荷不一致时，校验模块60则继续对车辆的多体整车模型的配重进行调整，并重新计算，直到质心位置误差处于合理范围。此时，可以认为车辆的多体整车模型的质心位置和车辆对应的物理样机的质心位置基本一致，即建立的车辆的虚拟样机和物理样机状态保持一致，此时根据当前的车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量即可计算出最终的车身模型转动惯量，从而实现对车身模型转动惯量的优化。

需要说明的是，在本发明的实施例中，车身模型转动惯量的校验也可以通过如下方法实现：建立车身CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)模型；赋予车身CAE模型材料属性；计算车身CAE模型的质量和转动惯量；根据车身CAE模型的质量和多体动力学模型车身质量等比例拓展车身模型转动惯量。如果误差小于预设值如10％，则认定车身模型转动惯量求解合理。

根据本发明实施例的车身模型转动惯量的计算装置，通过第一获取模块获取静态工况下车辆的轮胎受力情况以作为车辆的各轮轮荷，并通过第二获取模块获取车辆的基本参数，然后，第一计算模块根据车辆的各轮轮荷计算车辆的多体整车模型的质心位置，第二计算模块根据车辆的基本参数计算车辆的整车转动惯量，第三计算模块根据车辆的多体整车模型的质心位置和整车转动惯量计算车辆的车身模型转动惯量。该装置能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，而且还对计算的车身模型转动惯量进行校验及优化，提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的仿真精度和效果，有效解决了相关技术中车身转动惯量无法满足整车虚拟模拟仿真的问题。

此外，本发明的实施例还提出了一种车辆的多体动力学模型，其包括上述的车身模型转动惯量的计算装置。

本发明实施例的车辆的多体动力学模型，通过上述的车身模型转动惯量的计算装置，能够快速计算出车辆的车身模型转动惯量，缩短了建模时长，并提高了车身模型的准确性，进而提高了多体整车模型的精确性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。