1、目的及意义

多体系统(Multibody System)简称MBS动力学，在经典力学基础上已经发展成为新的力学分支。机械系统的动力学仿真通常可以被用来研究系统各个刚体的位移、速度、加速度与其所受力或者力矩的关系。而多体动力学仿真则将机械系统建成由一系列的刚体和柔性体，通过铰接建立它们相互之间的约束关系而形成完整的动力学系统，其中铰接主要是约束各个刚体之间的相对运动关系。本项目的研究对象是车载式变压器空负载损耗测试装置的力学分析。通过正确运用多体系统动力学的相关知识和相关力学仿真，我们可以得到车辆在不同的运动工况下（静态、匀速（车速从10km/h到100km/h）、加速（车速从0km/h到100km/h）、减速（车速从100km/h到0km/h）、车辆上下坡（坡度从0度到45度）），货车车厢内各种装置（试验电源、三相励磁变压器、补偿电容器组、电流互感器、电压互感器等）的受力情况。从而我们可以分析得到各个装置的紧固部件的力学裕度，同时针对紧固力不足的部件研究相应的解决方案。本次研究为试验车的运行安全和作业安全提供了充足的理论保证。

2、 国内外研究现状

国内外有关车辆动力学和货物运输状况的研究，主要有侧重点的集中在车辆受力分布与车辆动力学性能、货物缓冲包装系统的理论研究及振动与冲击响应、路面条件与道路线形设计、交通运输安全管制等领域，并在各自的领域取得了重要成果。但是把智能速度控制、车辆动力学关键特征、货物包装系统以道路几何线形有机结合起来研究重型车辆运输状况并不广泛，相关成果不多。通过阅读相关参考文献，关于车辆动力学研究现状、包装系统的振动与冲击分析、道路几何参数对车载的运输安全影响以及智能算法在车路賴合动力学中的应用研究，有侧重点的主要体现在以下四个方面。车辆动力学是一个广义的描述车辆行驶特征的术语，研究的范畴主要包括车路耦合特性、发动机及传动系统的动力学性能、驾驶员操纵巧为对车辆速度和运行安全的影响以及载重货物对车辆运输安全分析等。鉴于论文研究目的并结合重型车辆的货物运输状况，将重点对车辆动力学建模和车路耦合的问题进行分析，并回顾国内外研究现状。车辆动力学建模及车路耦合分析是通过建立车辆构件之间的动力学方程和应用虚拟样机技术创建车辆结构实体，以道路几何线形参数和车辆转向控制为输入激励，探究车辆运行时的动力学响应特征。建立车辆动力学动力学方程的步骤为（１）建立数学模型；（２）推导控制方程；（３）求解控制方程；（４）结果分析等。最后，根据研究的目的和意义，找出有效的分析结果。以及揭示对车辆动力学系统特征应用研究的某些指导意义。通过分析国内外研究现状，有关车辆动力学特征模型的应用研究主要有车辆纵横稳定性动力学研究、车辆行驶速度和加速度的安全性研究。

（1）辆纵横稳定性研究

以物理建模和数值分析为基础，通过Matlab建立车辆的动力学运动微分方程，探究车辆动态参数变化。例如，文献《Evaluationof a sliding mode observer for vehicle sideslip angle》将车辆模型、轮胎道路耦合模块和速度控制模块相结合，通过横摆率、纵向／横向加速度、转向角和角速度的变化相应，分析了车辆侧向动力学响应、车辆侧滑角、轮胎力以及车轮转弯刚度的变化情况。文献《基于非线性系统结构稳定性理论的车辆转向动力学研究》为研究车辆转向系统的内在特性，以非线性系统动力学的可靠性理论为依据，提出了车辆转向动力学分岔理论。研究其对车辆横摆角速度、后轮转角和质心侧偏角的响应规律。通过试验验证表明非线性系统的可靠性理论用于车辆转向系统动力学研究是正确、合理的。文献《Monitoring system design for lateral vehicle motion》利用侧向轮胎力传感器，以递归最小二乘算法和扩展的卡尔曼滤波为基础，通过数值分析方法建立轮胎路面自由度的平面模型。以侧滑角和横摆角为评定指标，评估了车辆的侧向稳定性。文献《基于制动与悬架系统的车辆主动侧翻控制的研究》建立了十自由度的整车模型，通过车辆动力学中的控制模块和轮胎力之间耦合特征，分析了车辆主动侧翻控制中危险时域下的侧倾角抗侧翻性能。虽然基于物理模型的动力学分析方法对探究车辆纵横稳定性取得了很大的成果，然而在很多情况下，尤其是车辆运行极限状态或者对车辆事故的再现模拟中，数值分析很难揭示产生的诱因。为了解决此类问题，文献《Heavy duty vehicle rollover detection and active roll control》利用实时动态模型的侧翻预测时间作为在线侧翻检测基础，对重型货车的侧向行驶稳定性进行改进。文献通过轮胎和道路之间的侧向和纵向作用力，以及线性和非线性动态模拟仿真，探究车辆的侧翻预警机制。文献《车辆纵向动力学集成控制系统研究》应用线性矩阵不等式方法，以非稳态侧风干扰和弯道跟踪为试验场景，验证了提出的集成系统不但能较好地提髙车辆的运行操作稳定性，并且可以降低驾驶员的强度和增强车辆的路径跟踪能力。文献从整车集成系统的控制角度出发，设计了模块化的车载试验平台和开发了纵向动力学耦合控制器，结果显示出该模型控制器对底层子系统控制策略得到有效融合以及控制精度得到显著变化，显著的改善了车辆纵向运动的稳定性和安全性能。文献利用车辆行驶记录仪测试侧偏角的方法，提出了二分之一车辆侧向动力学模型的合成估值方法，评估了车辆侧滑角，并用一个实际的车辆行进安全状态下的验证。

（2）辆行驶速度安全性研究

在科技论文中，有关车辆行驶速度安全性研究的文章较多。文献《Nonlinear vehicle side-slip estimation with friction adaptation》创建了一个在平面内可Ｗ自由移动和转动，并且与轮胎路面相互作用的四自由度经验模型。应用非线性观察器评估了纵向加速度、侧向速度和车辆角速度的响应变化。文献《Vehicle dynamics model for predicting maximum truck acceleration》通过动力学关系，建立了一个简单的车辆驱动模型，以车辆牵引力、空气动力学、侧翻阀值和滚动阻力为参考指标，判定了车辆的最大行驶加速度。文献《车辆跟驰的分子动力学特性及其模型》利用数学演绎推理方法和分子动力学状态方程，探究了整车动态响应曲线。得出了驾驶员在不同激励和刺激条件下的运动学状态方程，弥补了整车动态模型的不足，进一步完善了理论。

汽车结构有限单元法是以力学理论为基础，力学、数学和计算机科学相结合的关于解决汽车结构设计的一门基础学科，是随着计算方法和计算机技术的发展而迅速发展起来的一种数值计算方法，通过这种数值计算方法能很好的解决汽车工程实际问题。有限单元分析简称有限元分析，是更广泛意义上的计算机辅助工程（computer aided engineering，CAE）的重要组成部分，计算机辅助工程的应用首先就是从有限元分析开始的。作为数值分析的代表，有限元分析已经成为继汽车结构力学分析和汽车结构试验研究之后的另一个重要手段，有限元分析不仅能够解决和验证传统汽车结构问题，而且在很大程度上开辟了汽车结构分析的新途经，成为汽车动力学仿真分析研究的新技术手段。