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1、第 18卷增刊 2 系统仿真 学报? Vol. 18 Suppl.22006年8月 Journal of System Simulation Aug., 2006 汽车减振器阻尼特性的仿真分析 任卫群 1, 赵峰 1, 张杰 1,2(1.华中科技大学 CAD 中心, 湖北武汉 430074; 2.万向集团技术中心 , 浙江 杭州 311215)摘 要：采用系统仿真方法及 MATLAB 软件，建立汽车减振器的详细模型，并进 行仿真研究。模型能反映减振器的详细物理结构，如考虑油液特性影响、阀片刚 度影响、摩擦力影响等。模型经试验校验 /阻尼特性计算精度达 90，模型精度 能满足实际工程问题的需要。
2、经二次开发形成一套能进行参数化自动建模和仿真 分析的软件系统，最终在汽车减振器设计过程中形成一套阻尼特性研究的系统完 整的方法。关键词：系统仿真；汽车减振器；阻尼特性 中图分类号： TP 391.77 文献标志 码：A 文章编号： 1004-731X (2006) S2-0957-04Simulation on Damping Behavior of Vehicle Shock AbsorberREN Wei-qun1, ZHAO Feng1, ZHANG Jie1,2(1. CAD Center, Huazhong University of Science and Technology,
3、Wuhan 430074,China;2. Wanxiang Group Technical Center, Hangzhou 311215, Chin)aAbstract: The system simulation method and the MATLAB software were used to build a detailed model of a vehicle shock absorber. The detailed structure includes in the model, such as the hydraulic properties, the valve stif
4、fness and the friction force. The absorber model was validated using test data and the precision is above 90%, which can fulfill the engineering requirement. An automated modeling and simulation software package based on MATLAB was developed, which could support a systematic research of vehicle shoc
5、k absorbers in its design.Key words: system simulation; vehicle shock absorbers; damping behavior 汽车双向筒式液压减振器的仿真模型分为两类，一类是反映减振器外部特性的黑 箱模型 1-2，包括恢复力映射方法、神经网络方法等，黑箱模型不能细致地反映 减振器具体结构 (如阀片具体参数 )调整对性能的直接影响，不能完全满足减振器 模型作为性能预测工具的需要。另一类是基于内部结构机理建模的详细物理模型 3-4，包含压力模型和阀片压力流速特性，其中压力模型用一阶非线性微分方 程表达流体可压缩性模型、确定不同的
6、内部腔体压力，阀片的压力流速特性可 采用测力计试验辨识阀片参数后解析地确定、或由试验直接测定得到压力流速数据、或采用计算流体动力学 (CFD)方法计算不同阀体元器件压力流速特性。 国内有北京理工大学、清华大学等对减振器的阻尼特性进行了研究 5-6 。 因此，针对汽车双向筒式液压减振器的仿真研究，需要开发一套系统完整的减振 器仿真模型，能详细反映减振器内部结构及参数，反映减振器内部结构(如阀 片)调整对减振器阻尼特性乃至整车性能的影响。论文针对万向集团实际生产的 减振器，采用系统仿真方法并基于 MATLAB 软件，建立其阻尼特性仿真分析的 模型；模型能反映减振器详细的内部结构及参数，如考虑流体密
7、度随压强的变 化，集成阀片刚度的有限元分析结果等；模型经过试验验证，其阻尼特性计算精 度达 90，能满足解决实际工程问题的需要；最后在 MATLAB 软件基础上开发 参数化自动建模软件系统，形成汽车双向筒式减振器阻尼特性研究的系统完整方 法，方便设计人员使用。引 言目前汽车悬架中广泛采用双向筒式液压减振器提供悬架阻尼，其动力学特性 对汽车操纵稳定性、平顺性等都有重大影响，因此减振器性能预测与设计方法改 善已成为重要研究课题。传统设计方法主要根据经验确定设计参数然后进行试验 修正，采用结构参数不同的样机装备于要匹配的汽车，由试车员进行实车试验评 价，这个过程须对减振器内部参数进行多次反复调整，并
8、经多次试制与试验，这 种完全依赖于样机实验的设计方法不但周期长、成本高，而且较难获得最优的减 振器特性。为克服上述方法缺点、减少减振器样机试制及实车试验费用、缩短开 发周期，利用系统仿真技术进行减振器性能预测和设计优化已成必然趋势，其基 本过程是基于减振器结构建立数学模型，经模拟分析得到阻尼特性，将此特性用 于汽车系统动力学和振动分析，评价汽车的操纵稳定性、平顺性等性能，在此基 础上对减振器特性和结构进行优化设计。因此，采用系统仿真方法进行减振器研 究的核心问题是建立准确反映减振器特性的模型，以便在设计阶段能准确预测减 振器的阻尼特性。收稿日期： 2006-04-29 修回日期： 2006-0
9、6-01基金项目：国家 “八六三”高技术研究发展计划 (2003AA001031); 国家自然科学基 金(60574053)作者简介：任卫群 (1971-), 男, 湖北人, 博士, 副教授, 研究方向为系统图 2 汽车双向筒式液压减振器的模型 图 1 汽车双向筒式液压减振器的实际结构1 减振器基本结构及工作过程 万向集团实际生产的一种汽车双向筒式液压减振器，其实际结构如图 1 所示。仿真、机械系统 CAE, 汽车动力学与控制 ; 赵锋(1980-), 男, 湖北人, 硕士生, 研究方 向为汽车动力学仿真 ; 张杰(1978-), 男, 湖北人, 博士生, 工程师, 研究方向为汽车动 力学仿真
10、。·957· 第 18卷增刊 2 Vol. 18 Suppl.2 2006年 8月 系 统 仿 真 学报 Aug., 2006 方程；忽略导向杆的泄漏面积。根据这样的基本假设，着眼于基本液力系统及主 要阀系的特性，进行适当抽象及简化，建立减振器的模型，如图2 所示。上述模型中以一些基本物理量表征减振器油液、基本液力腔及基本阀系的特性， 根据流体的基本物理规律进行压力、流量等的计算，最终得到减振器阻尼特性的 变化规律。仿真过程中，首先按时间流程计算每步长下的运动速度继而进行各液压腔压强 p 的预估 (包括 p1， p2，p3 预估)。 &，x&，Q&)
11、，进而&或 Q& ，Q然后计算各腔的流量 (Q1-2 上述基本结构中包含的减振器基本液力系统，主要有减振器油液、承载减振器油 液的基本液力腔以及连通三个液力腔的基本阀系。减振器油液，具有液体基本特 性参数。基本液力腔包括上腔 (第I腔)，下腔(第II腔)和补偿腔(第III 腔)。基本阀 系主要包括复原阀分总成和压缩阀分总成，复原阀分总成包括复原阀和流通阀， 其主要开口部位包括复原阀片开口 (A5_15) 、流通阀片开口 (A19) 、阀座上两列常 开的通孔 (A20 、A21)，以及复原阀和流通阀在液力作用下变形造成的 开口 Ares，Aflow ；压缩阀分总成包括压缩阀和补偿
12、阀，其 主要开口部位包括压缩阀 片开口 (A1_4)、补偿阀片开口 (A16)、阀座上两列常开的通孔 (A17、A18)，以及 压缩阀和 补偿阀在液力作用下变形造成的开口 Acomp,Aequ。 在减振器实际运动过程中，当减振器活塞向下运动时，油液从下腔 (第 II 腔)流向 上腔(第I腔)以及补偿腔(第III 腔)，这时由于流体压力的作用使得压缩阀 (A1_4) 打开、流通阀 (A19)打开；而当减振器活塞向上运动时，油液从上腔 (第 I 腔)以及 补偿腔(第III 腔)流向下腔(第II腔)，这时由于流体压力的作用使得复原阀 (A5_15) 打开、补偿阀 (A16) 打开。由于活塞向上和向下
13、运动时流体运动的通路不同，造 成所形成的阻尼力有所不同。3-22-12-3& ，Q& ，Q& ，分别为下腔用质量守恒方程校核。假设 Q2-32-11-0 至上腔、下腔至补偿室、上腔至补偿室的油液瞬时容积流量， &则反之) & ，Q，根据上腔和下腔的质量守恒，有： (Q1-23-2d( 1V1)&2-1- 1Q&1-2-1Q&1-0 = 2Qdtd( 2V2)&+Q&&& (1)= 1Q1-233-2- 2(Q2-1+Q2-3)dt&=0 ，Q&>0 上述式中，若 p1>p
14、2，则 Q2-11-2&=0 ，Q&>0 若 p2>p1，则 Q1-22-1&=0，Q&>0 若 p2>p3，则 Q3-22-3&=0 ，Q&>0 若p3>p2，则 Q2-33-2 粘性液体通过节流孔的流量与压差的关系一般可用下式描述： &=CA(2?p1/n (2) Qd式中 Cd是流量系数， A 是通流面积， ?p 是节流孔前后压差，&是容积流量， n 是经验指数，一般取 是流体上游密度， Q为 1.75。根据以上公式和计算过程，通过压强 p 的修正和流量与压强计算的迭 代，达到精确确定各腔
15、压强的目的。最后根据上面计算得到的各腔压强 p1，p2，p3 的精确数值，计算得到总的阻尼 力：2 减振器阻尼特性的建模和仿真方法 根据这种双向筒式减振器的结构和应用条件，在减振器模型建立过程中有以下基 本假设 :流经多孔口的流动是湍流流动，流动是准稳态的；忽略孔口处的液体容 积；在液体集中的腔室容积内，压力瞬时均匀化，不考虑容积内的压力分布；忽 略缸壁的柔性；忽略节流中的热量生成，不使用能量F=Ap? p2-(Ap-Ar) ? p1-Ff ? sign(v) (3)其中 Ap 为活塞面积， Ar 为连杆面积， Ff 为摩擦力。根据以上公式得到运动速度 与阻尼力间的对应关系。完成所有步长下对应
16、关系的计算，最后得到阻尼特性曲 线。·958·第 18卷增刊 2 Vol. 18 Suppl.2 2006年 8月 任卫群, 等：汽车减振器阻尼特性的仿 真分析 Aug., 2006表 1 仿真分析结果与测试数据的比较 以上的减振器详细模型，为能更准确地反映实际结构的特性，针对一些特殊问题 进行了特殊处理。如考虑油液粘湿特性、油液可压缩性、油液中气泡产生及其对 油液特性的影响；减振器阀片变形特性对整个阻尼特性分析影响显著，因此阀片 变形特性采用有限元方法以得到更为准确的结果；在阻尼力计算中还考虑了摩擦 力的影响。以上有关油液特性、阀片变形特性、摩擦力影响等复杂因素的考虑，
17、使减振器阻尼特性的描述更为精确细致、能更准确地反映实际物理结构特性的规 律。试验测定(N) 仿真计算(N) 101.37相对误差 % 7.781.04(max) 94.051.04(min) -132.98 -121.68 8.50 2.6(max) 340.95 331.80 2.68 2.6(min) -172.21 -170.191.17 5.2(max) 565.73 542.10 4.20 5.2(min) -280.40 -295.10 5.30 7.8(max) 762.12780.59 2.42 7.8(min) -365.79 -403.60 10.30根据上述与测试结果对比
18、的校验，可见仿真模型的精度基本上可以控制在90以上，能够满足工程实际的需要，从而可确定减振器阻尼特性的仿真模型是可信 的。3 减振器阻尼特性仿真模型的校验 减振器阻尼特性的仿真模型需经过校验，一般采用在相同输入条件和运行环境下 对模型与实际系统输出之间一致性进行比较的方法，评价仿真模型的可信度或可 用性。具体研究中采取典型的测试条件，通过台架试验得到这些条件下减振器阻 尼力的数值；同时将这些试验条件作为仿真模型校验的边界条件，在同样边界条 件下运行仿真实验，将其结果与试验结果进行比较校验。 减振器阻尼特性的具体测试一般采用减振器特性试验台（如4 自动建模与仿真软件系统的开发 以上建模与仿真分析
19、过程比较复杂，在企业实际应用中需要具有专门训练的分析 计算工程师才能完成；而一般设计工程师在设计过程中就需要进行性能校核。针 对这种需求，基于 MATLAB 软件进行 GUI （图形用户界面）开发，形成了减振 器阻尼特性的自动建模与仿真分析系统。系统的流程如图5 所示。MTS849 试验台等）进行测试，台架结构如图 3 所示，试验台驱动单元能够采用 一定的频率加载，使得减振器在一定位移范围内往复振动，同时试验台可记录减 振器阻尼力与位移（或速度）的关系。同样采用与台架测试图 3 减振器阻尼特性 试验台架 相同的边界条件，可得到减振器阻尼力与位移（或速度）仿真实验的结果，与台 架试验结果进行比较
20、。，曲线为仿真结果。仿真结果与试验测试的比较如图 4 所示，图中点为试验数据 仿真结果能与实验数据良好地吻合（局部相对误差在 10以内 ）。图 5 自动分析系统的流程在 MATLAB 中运行自动分析软件，就可以打开自动分析软件的参数化自动建模 界面，如图 6 所示。在上面参数输入界面中，根据提示逐项输入所需的输入参数（所有参数都有缺省 值，如需修改则在原有参数上修改输入即可）。之后设置仿真试验的条件，以及 设置仿真试验的参数，就可以运行自动仿真分析，得到减振器阻尼特性仿真分析 的结果。利用以上的自动建模与仿真分析系统，设计工程师可以不必自行编制软件来进行 分析，而只要输入设计参数，就可得到减振
21、器阻尼特性的分析结果，修改参数后 可以很快进行新的分析、得到结果，这样就为理性、高效的设计提供了可靠的工 具。·959·图 4 仿真结果与试验测试的比较 以上模型是在 5.2Hz 时测试的。在其他频率加载时进行测试，对阻尼力的最大和 最小值(即位移为 0、速度最大时的阻尼力数值)进行记录，然后将仿真分析的 结果与所记录的测试数据进行比较，结果如表 1 所示。由表 1 可见，仿真分析的相对误差基本能控制在 10。 以内(精度 90以上) 第18卷增刊 2 Vol. 18 Suppl.2 2006年8月系 统仿 真学 报 Aug., 2006(3) 采用 MATLAB 软件建立
22、了一套汽车双向筒式减振器自动建模与仿真分析的软 件系统，形成了一套研系统完整的分析方法，可极大方便设计工程师使用。 参考文献 :1Duym, S., Schoukens, J., Guillaume, P. A local restoring force surface methodC/Proceedings of the 13th International Modal Analysis Conference. Nashville, Tennessee, 1995: 1392-1399. 2Fash, J. Modeling of shock absorber behaviour using
23、 artificial neural networks C/SAE paper 940248, 1994. 3Duym, S. Simulation tools, modeling and identification, for an automotive shock absorber in the context of vehicle dynamics J. Vehicle System Dynamics (S0042- 3114), 2000, 33: 261-285. 4Herr, F., Mallin, T., Roth, S. A shock absorber model using
24、 CFD analysis and Easy5C/SAE Steering and Suspension Technology Symposium. 1999: 267-281. 5 6俞德孚. 车辆悬架减振器的理论和实践 M. 北京: 兵器工业出版社 , 2003.李世民 . 筒式液阻减振器液固耦合动力学特性仿真技术研究 D. 清华大学博士 学位论文 , 2004.图 6 自动建模界面的参数输入5 结论(1) 建立了汽车双向筒式减振器的详细模型，模型除考虑减振器详细物理结构 外，还能考虑油液特性、阀片变形特性等，能够更好地反映实际减振器结构的特 性。(2) 减振器模型经过试验验证，其阻尼特性
25、计算精度达 90，能够满足解决实际 工程问题的需要。 (上接第 944 页)取的权记数据变化不大，与图 6(c)相同。当 T=16 时，对隐藏的权记数据的提取 有较大的影响，但此时图像已经产生明显的失真，该图像不具有实用价值。当压 缩比达到 12.4 时，仍然能够提取完整的权记标识数据。非 IP 拥有方对权记数据的检测。从图 5(b) 上凭人的肉眼分无法辨出两幅图像之间 存在的差别。在隐藏权记数据后，后提取权记数据的结果，权记数据图像质量明显下降，但还能够识别出权记的存 在。当噪声密度加大，超过 0.1 时，权记标识已经被噪声淹没，此时无法提取出 正确的权记图像。另外两种噪声也存在相同的情况。
26、该方法能够抵抗中等强度的 噪声攻击，具有一定的应用价值。因为，当噪声大时图像的质量也下降非常快， 也丧失了使用价值。PSNR = 129.876,SNR=98.47，说明非 IP 拥有方从表面上根本无法感知是否有隐藏 的权记数据存在。再分析两幅图像的直方图和差分图像，结果如图 7 所示。图 7a 是对图 5(b)上两幅图像的差分结果(经过放大处理，差值为正时为白点，为负时 设为黑点)，两幅图像间相差的最大值为 diff = 2±，该差分图像的均值为 0.0347，该图非常凌乱，类似均值为零的白噪声，因此无法通过该图确定否有隐 藏的权记数据存在。图 7(b)和图 7(c)分别为图 5(
27、b)上两幅图像的直方图，凭肉眼 无法看出二者的差别，通过数据的计算机处理，得到图 7(d)的数据，它表示两直 方图在相同位置的差别，差别最大的地方不足5 结论 数字媒体的知识产权保护技术是当前信息处理领域的热点技术。本文提出隐藏、 分散和加密三层结构的权记信息隐藏技术。利用混沌序列加密权记信息，将 DWT 引入权记隐藏、分散过程，同时采用混沌序列控制隐藏、分散过程，得到 一种高强度的知识产权保护权记保护实现系统。该系统能够有效保护数字媒体的 全部及各个有意义的局部信息；同时能够有效阻止盗用者去掉权记信息；具有较 好的抗信道干扰和数据篡改的能力；具有较好的抗压缩性能，具备广阔的应用前 景。100
28、，而在这些差别较大的地方的直方图原始数据均超过 2000，差别不到 1/20， 而且差别也与原始直方图的分布大致一直，因此通过直方图来确定是否有权记信 息存在的方法也无法得出正确的结论。参考文献：1罗永, 成礼智, 徐志宏, 等. 基于带参数整数小波变换可见数字水印 J. 软件学报 , 2004, 15(2): 238-249.2 李道远, 常敏, 袁春风. 基于小波变换的数字水印综述 J. 计算 机工程与应用 , 2003, 23(23): 65-67.3 李华, 朱光喜, 朱耀庭. 基于视觉特性和小波分解的数字水印隐 藏方法 J. 通信学报, 2000, 21(6): 37-41.4 Fa
29、bien A P Petitcolas, Ross J Anderson, Markus G Kuhn.Information Hiding-a survey J. Proceeding of the IEEE, 1999, 87(7): 1062-1077.5 Cox I J, Kilian J. Leighton T. et al. Secure spread spectrumwatermarking for multimedia J. IEEE Trans. On Image Processing, 1997, 6(12): 1687.6 尹显东, 姚军, 李在铭. 一种基于小波变换域和混沌序列的图像 加密算法 J. 信号处理, 2005, 21(3): 261-266.(a) (b) (c) (d)图 7 权记隐藏的检测特征分析实验五 抗噪声实验。在隐藏权记数据的图像中分别加入高斯噪声、椒盐噪声(如图 6(d)、泊松噪声等，然后再从中提取隐藏的权记数据。图 6(d) 是加入密度为 0.01的椒盐噪声·960