《振動噪音科普專欄》甚麼是「車輛行駛模型」？有甚麼用途嗎？

這個單元要來探討的主題是：甚麼是「車輛行駛模型」(Vehicle Riding Model)，又取得了「車輛行駛模型」有甚麼用途呢？

 

首先，就以「關鍵詞」(key words)來破題，包括：(1) 「車輛行駛模型」(Vehicle Riding Model)。(2) 用途(Applications)。

 

回顧一下先前討論的「車輛行駛模型」，例如：先前單元：#318，【如何建構「離散系統」的「數學模型」？- 車輛行駛模型(Vehicle Riding Model)】，參閱圖示中間下方示意圖，是【¼車體行駛動態分析模型】(Quarter Car Model)，這樣的「車輛行駛模型」怎麼來的呢？

 

觀察參閱圖示左下方示意圖，是「車輛動力學」對汽車慣用的DOF定義與變數符號，就是：𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍，分別是3個方向位移/平移「自由度」(displacement DOF)，以及3個方向旋轉「自由度」(rotational DOF)：

 

𝒙 的 縱向位移(longitudinal displacement)

𝒚 的 側向位移(lateral displacement)

𝒛 的 垂直位移(vertical displacement)

𝝓 的 翻滾角度(roll angle)

𝜽 的 前傾角度(pitch angle)

𝝍 的 旋轉角度(yaw angle)

 

瞭解車體的DOF定義，假設想要對圖示的汽車「實際結構」(real structure)進行振動分析，那麼需要建構「數學模型」(mathematical model)，稱為「數學建模」(mathematical modeling)。也就是將「實際結構」(real structure)做適當的假設，以能夠得到對應於「實際結構」的等效「數學模型」(mathematical model)。

 

參閱圖示中間下方示意圖，由Quarter Car Model，概念上，是假設車輛的前後、左右對稱，所以，只取一個輪軸，因此，稱為【¼車體模型】。由下而上，分別是：輪胎(𝒌𝒕, 𝒄𝒕)、輪軸和輪胎質量(𝒎𝟏)，懸吊系統(𝒌𝒔, 𝒄𝒔)、底盤質量(𝒎𝟐)，以及座位(𝒌𝒅, 𝒄𝒅)、乘客質量(𝒎𝟏)。

 

除了這樣的【¼車體模型】Quarter Car Model，還有其他的模型嗎？

 

參閱圖示右上方，是【半車體模型】Half Car Model，概念上，是假設車輛的左右對稱，所以，只取一個半個車身，只考慮前、後兩個輪軸。由前輪和後輪，由下而上，分別都有輪胎、輪軸和輪胎質量、懸吊系統、底盤質量、以及靠近前輪的座位、乘客質量。

 

參閱圖示右下方，是【全車體模型】Full Car Model，可以看出來此模型，更接近整體車輛的狀態，包括：左右的前輪輪胎、獨立輪軸、懸吊，也有左右的後輪輪胎、整體的輪軸、懸吊，最上面的平板，代表著底盤結構。在此模型，就沒有納入乘客與座位的效應。

 

早期，在電腦應用的分析能力有限的情況下，能夠應用：【¼車體模型】Quarter Car Model、【半車體模型】Half Car Model、和【全車體模型】Full Car Model，這3種「車輛行駛模型」，已經是不容易的。

 

現今，拜電腦運算能力、CAE/FEA，也就是電腦輔助工程分析/有限元素分析等技術的精進，仿真模擬(simulation)分析已經可以發展更精緻的模型，參閱圖示中間上方的圖片，摘錄自Digital Engineering，可以看到接近整體車輛結構的零組件，都已經納入了分析模型。

 

當取得了如圖示「離散系統」(discrete system)的3種「車輛行駛模型」，或是「連續系統」(continuous system)的CAE/FEA模型，有甚麼用途呢？

 

不管是哪一種「車輛行駛模型」，主要的應用是在進行「動態響應分析」(dynamic response analysis)，在先前有連續4個單元，分別介紹了「動態響應分析」的4個類型，彙整各單元主題，如下：

 

1.          單元：# 319，【¼車輛行駛模型(Quarter Car Model) – (1)模態分析(Modal Analysis)】。

2.          單元：# 320，【¼車輛行駛模型(Quarter Car Model) – (2)簡諧響應分析(Harmonic Response Analysis)】。

3.          單元：# 321，【¼車輛行駛模型(Quarter Car Model) – (3)暫態響應分析(Transient Response Analysis)】。

4.          單元：# 322，【¼車輛行駛模型(Quarter Car Model) – (4)頻譜響應分析(Spectrum Response Analysis)】。

 

簡要來說，「動態響應分析」可以求得結構系統的位移/速度/加速度/力。以【¼車體模型】Quarter Car Model為例，可以求得每一個自由度：𝒙𝟏(𝒕) 輪軸垂直位移、𝒙𝟐(𝒕) 底盤垂直位移、𝒙𝟑(𝒕) 駕駛座垂直位移，也可得到對應的速度/加速度。另外，也可以分析取得輪胎作用於地面的力、作用於輪軸的力、作用於底盤的力等。

 

求得結構系統的位移/速度/加速度/力，就是所謂的「正向分析」(forward analysis)，也是仿真模擬分析的第一步。其次，可以運用仿真分析模型，進行車體結構設計的應用，就是所謂的「逆向分析」(inverse analysis)，列舉如下：

 

l   如何選用座位(𝒌𝒅, 𝒄𝒅)，使得乘客最好的舒適性呢？

l   如何選用懸吊(𝒌𝒔, 𝒄𝒔)，使得底盤有最小的受力呢？

l   如何選用輪胎(𝒌𝒕, 𝒄𝒕)，使得輪軸、地面有最小的受力呢？

 

不論是選用哪一種「車輛行駛模型」，主要的應用，不外乎就是在探討結構的動態響應，使得能夠應用於車體結構的設計。

 

綜合一下這個單元的討論，主題是：甚麼是「車輛行駛模型」(Vehicle Riding Model)，又取得了「車輛行駛模型」有甚麼用途呢？統整如下：

 

1.          甚麼是「車輛行駛模型」(Vehicle Riding Model)：介紹了「離散系統」(discrete system)的3種「車輛行駛模型」：(1)【¼車體模型】Quarter Car Model、(2)【半車體模型】Half Car Model、和(3)【全車體模型】Full Car Model，以及(4) 精緻化的CAE/FEA模型。

2.          取得了「車輛行駛模型」有甚麼用途呢：介紹了「動態響應分析」(dynamic response analysis)的概念，可以求得結構系統的位移/速度/加速度/力，就是所謂的「正向分析」(forward analysis)。其次，可以運用仿真分析模型，進行車體結構設計的應用，就是所謂的「逆向分析」(inverse analysis)。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2023.06.23

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《振動噪音科普專欄》¼車輛行駛模型(Quarter Car Model) – (4)頻譜響應分析(Spectrum Response Analysis)

 

這個單元要來探討的主題是：【¼車輛行駛模型】 (Quarter Car Model) – (4) 「頻譜響應分析」(Spectrum Response Analysis)。這是這個系列的第四篇。

 

在先前單元：#318，【如何建構「離散系統」的「數學模型」？- 車輛行駛模型(Vehicle Riding Model)】，介紹了【¼車體模型】的「數學建模」(mathematical modeling)，以取得對應於「實際結構」的等效「數學模型」(mathematical model)。

 

首先回顧一下，先前單元：#314，【車輛動力學(Vehicle Dynamic)：如何定義車體的自由度(DOF)？】，參閱圖示左上方示意圖，是「車輛動力學」對汽車慣用的DOF定義與變數符號，就是：𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍，分別是3個方向位移/平移「自由度」(displacement DOF)，以及3個方向旋轉「自由度」(rotational DOF)：

 

𝒙 的 縱向位移(longitudinal displacement)

𝒚 的 側向位移(lateral displacement)

𝒛 的 垂直位移(vertical displacement)

𝝓 的 翻滾角度(roll angle)

𝜽 的 前傾角度(pitch angle)

𝝍 的 旋轉角度(yaw angle)

 

參閱圖片左下方，以一個很簡化的【¼車體行駛動態分析模型】為例做說明。初步的假設呢，一部汽車會有4個輪子，此模型假設汽車的左右、前後對稱，所以只取了一個輪子，因此稱為【¼車體模型】(quarter car model)。

 

針對「離散系統」(discrete system)的「數學建模」，有7個步驟，包括：

 

1. 定義系統之質塊元件：

2. 定義系統之連接元件：

3. 定義系統之自由度：

4. 定義系統之邊界條件：

5. 定義系統之輸入條件：

6. 定義系統之初始條件：

7. 定義有興趣之系統輸出參數：

 

可以得到圖片中間下方的【¼車體行駛動態分析模型】。

 

要分析這個【¼車體模型】(quarter car model)，會有4種分析：

 

(1)   系統之模態參數(modal parameters)：「自然頻率」(natural frequency )𝒇𝒓，「模態振型」(mode shape)𝝓𝒓，「模態阻尼比」(modal damping ratio)𝝃𝒓。必須進行「模態分析」(modal analysis)。

(2)   系統之頻率響應函數FRF (frequency response function)：在此會有興趣的是，位移傳輸比(displacement transmissibility)=𝑻𝒓=𝑿𝒓(𝒇)/𝒀(𝒇)，𝒓=𝟏,𝟐,𝟑。必須進行「簡諧響應分析」(harmonic response analysis)。

(3)   系統的位移/速度/加速度之時間域響應：探討行駛於不同路面狀態的響應 𝒙(𝒕) , 𝒗(𝒕), 𝒂(𝒕)。必須進行「暫態響應分析」(transient response analysis)。

(4)   系統的位移/速度/加速度之頻率域響應：探討行駛於隨機路面狀態的響應 𝑿(𝒇) , 𝑽(𝒇), 𝑨(𝒇)。必須進行「頻譜響應分析」(spectrum response analysis)。

 

本單元的重點，主要在討論「頻譜響應分析」(spectrum response analysis)。

 

要對這個系統，進行後續的分析，就需要推導系統的「運動方程式」(equation of motion, EOM)，參閱圖示中間上方，可以得到「基座激振多自由度系統」的通式如下：

 

[𝑀]{𝑥 ̈}+[𝐶]{𝑥 ̇}+[𝐾]{𝑥}=[𝐶’]{𝑦 ̇}+[𝐾’]{𝑦}

 

在此，要進行「頻譜響應分析」，參閱圖示右上方，基本理念說明如下：

 

1.      路面位移輸入 𝒚(𝒕)是隨機路面(random road profile)：當車速= 𝑉，行經如圖示的隨機路面，不容易進行「暫態響應分析」，所以，需要採用「頻譜響應分析」。

2.      首先，必須將隨機波𝒚(𝒕)，轉換為「功率頻譜密度函數」(power spectral density (PSD) function) 𝑮𝒚𝒚 (𝒇)。

3.      參考ISO對不同等級路面的定義，可以得到隨機路面的𝑮𝒚𝒚 (𝒇)，也就是隨機路面的PSD分布曲線。

4.      參考圖示，可觀察：在相同等級路面，當車速 𝑉越高時，則路面的𝑮𝒚𝒚 (𝒇)分布曲線就越大，表示有更大的路面波動。在相同車速 𝑉時，等級越差的路面，則路面的𝑮𝒚𝒚 (𝒇)分布曲線就越大，也是代表有更大的路面波動。因此，就完成了隨機路面位移輸入 𝒚(𝒕)之定義，是以路面𝑮𝒚𝒚 (𝒇) 的PSD分布曲線表示。

5.      由於路面是隨機波，預期系統自由度的位移時間域響應：𝒙𝒓(𝒕)，𝒓=𝟏,𝟐,𝟑。也會是隨機信號。因此，需要透過「頻譜響應分析」以求得系統自由度的PSD「功率頻譜密度函數」[𝑮𝒙𝒙 (𝒇)]矩陣。

6.      透過「頻譜響應分析」，可得到：[𝑮𝒙𝒙 (𝒇)]=[𝑯(𝒇)]^(∗^𝑻 ) [𝑮𝒚𝒚 (𝒇)][𝑯(𝒇)]。其中，[𝑯(𝒇)]就是「頻率響應函數」FRF (frequency response function)，所以，要進行「頻譜響應分析」之前，必須先完成「簡諧響應分析」(harmonic response analysis)，以求得[𝑯(𝒇)] FRF矩陣。

 

「頻譜響應分析」，主要在求得系統的位移/速度/加速度之頻率域響應，主要在求得系統自由度的PSD分布曲線，[𝑮𝒙𝒙 (𝒇)] PSD矩陣，可以得到每個自由的PSD「功率頻譜密度函數」曲線，包括：如右下方圖示的位移和加速度的PSD分布曲線，重點說明如下：

 

1.      模擬車輛行駛於隨機波的路面，可求得自由度𝒙𝟏、𝒙2和𝒙3的位移PSD分布曲線。在低頻率區間，𝒙2和𝒙3高於𝒙𝟏，而在高頻率區間，𝒙𝟏高於𝒙2和𝒙3。

2.      取得了每個自由度的位移PSD分布曲線，概念上，曲線所圍的面積就是總振動能量，透過積分運算、再開根號，就可以求得每個自由度的位移RMS (root mean square)值，包括：𝒙𝟏,𝒓𝒎𝒔、𝒙2,𝒓𝒎𝒔、𝒙3,𝒓𝒎𝒔，也就是平方平均根值。透過這樣的分析，雖然沒有取得隨機響應波形，但是知道了位移的RMS值，也相當於瞭解了車體各部位的振動的狀態。

3.      同時，也可以求得自由度𝒙𝟏、𝒙2和𝒙3的加速度PSD分布曲線，有類似於位移的特徵。同樣的，也可以透過積分、開根號，可以求得加速度RMS值。

4.      知道每個自由度的振動量大小，對車體結構部位可以進行安全性評估。對於座位的響應，可以進行乘客的舒適度(ride comfort)分析，這就需要引用ISO 2631人體振動暴露量之評估方式，再另闢單元討論。

 

綜合一下這個單元的討論，這個系列是針對【¼車體行駛動態分析模型】，也就是【¼車體模型】(quarter car model)。分別介紹了4種分析：(1)「模態響應分析」(modal analysis)、(2)「簡諧響應分析」(harmonic response analysis)、(3)「暫態響應分析」(transient response analysis)、(4)「頻譜響應分析」(spectrum response analysis)。

 

這個單元著重於「暫態響應分析」(transient response analysis)的理念說明，可以求得系統的位移/速度/加速度之頻率域響應。分析步驟，包括：

 

1.      推導系統的「運動方程式」(equation of motion, EOM)：得到「基座激振多自由度系統」的通式，[𝑀]{𝑥 ̈}+[𝐶]{𝑥 ̇}+[𝐾]{𝑥}=[𝐶’]{𝑦 ̇}+[𝐾’]{𝑦}。

2.      進行「頻譜響應分析」(spectrum response analysis)：需要明確的定義路面位移輸入 𝒚(𝒕)，在此分析的是，模擬車輛行駛於隨機路面狀態的響應，參考ISO對不同等級路面狀態，可以定義出隨機路面的𝑮𝒚𝒚 (𝒇)「功率頻譜密度函數」(power spectral density (PSD) function)。透過「頻譜響應分析」，可以得到車體系統的輪軸 𝒙𝟏 、底盤 𝒙2和座位 𝒙3的位移和加速度的PSD分布曲線，進而求得系統自由度的RMS值，就可以應用於後續的車輛安全性或舒適度評估。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2023.05.16

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