车辆系统动力学及仿真(主讲义)

车辆系统动力学及仿真

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车辆系统动力学及仿真（第二稿）目录

§0 引言

§1 概论

§1-1 系统与系统动力学的一般概念

§1-2 车辆系统动力学的研究内容和特点

§1-3 车辆系统动力学的理论基础和一般研究方法

一、车辆系统动力学的理论基础

二、车辆系统动力学的一般研究方法

§2 车辆系统建模方法学

§2-1 系统模型分类

1、等效实体（比例）模型

2、数学等效（相似）模型

3、数学模型

§2-2 数学建模方法学要点

一、建模过程中的信息源

二、数学建模方法

三、数学模型的可信度

四、几种常见的系统数学模型描述

§2-3 数学模型结构变换

§2-4 典型的车辆动力学子系统数学模型

§3 车辆系统仿真方法学

§3-1 系统仿真的分类

§3-2 连续系统数字仿真的基本方法

一、微分方程描述的连续时间系统仿真基本方法

二、偏微分方程描述的分布参数系统仿真基本方法

§3-3 计算机仿真的其他方法

§4 车辆系统建模、仿真及分析示例

§4-1 汽车空气动力学 H-模型和 ICAS 车身造型设计技术及系统

§4-2 混合动力电动汽车及多能源动力总成的系统建模与仿真分析

§4-3 某轿车转向稳定性、平顺性、制动特性动力学仿真分析

§4-4 管架式轿车车身碰撞仿真分析

基本参考文献

[1] 张尚才，工程系统的键图模拟和仿真，机械工业出版社 1993

[2] 刘藻珍等，系统仿真，北京理工大学出版社 1998

[3] 何渝生，汽车控制理论基础及应用，重庆大学出版社 1995

[4] 高钟毓，机电控制工程，清华大学出版社 2002

[5] 雷雨成，汽车系统动力学及仿真，国防工业出版社 1997

[6] 何仁，汽车动力性燃料经济性计算方法及应用，机械工业出版社 1996

[7] 张洪欣，汽车系统动力学，同济大学出版社 1996

[8] H-P 威鲁麦特，车辆动力学模拟及其方法，北京理工大学出版社 1998

[9] 庄继德，汽车电子控制系统工程，北京理工大学出版社 1998

[10] M.米奇克，汽车动力学，人民交通出版社 1997（或 2000）

[11] 余志生，汽车理论，机械工业出版社 2000

[12] 刘德贵、费景高，动力学系统数字仿真算法，科学出版社 2000

(其余参考文献见于各附件内

)

车辆系统动力学及仿真（第二稿）

§0 引言

车辆系统动力学（VSD-Vehicle System Dynamics）是车辆工程学科中具有理论基础性地

位的研究方向。经典的车辆动力学（Vehicular Dynamics 国内又常冠以“汽车理论” 等名称）

与系统工程、现代控制理论、分析力学、现代计算机技术、数值计算、人—机工程学等多种

学科相互交叉、相互渗透是本方向的显著特点之一。国际上于 20 世纪 80 年代成立了专门的

车辆系统动力学学会，定期出版刊物和举办学术活动，涌现了大量研究新成果，拓宽了汽车

动力学的研究内容、方法和理论基础，可以说 VSD 是车辆动力学的高级发展阶段，即“现

代车辆动力学”或“高等车辆动力学”。研究范围比较宽广是车辆系统动力学的另一显著特

点，它涉及整车、整车与其所处的周边环境（道路、大气、车内外的人、…等等）所构成的

大系统、车辆的各大子系统、各机械电子总成或部件等。当然，VSD 侧重于从整车性能等

更高更宽广的视角来研究这些子系统相互之间的动力学行为。

我国汽车等车辆制造业的综合水平与世界先进水平相比目前还有相当一段差距，其中的

一个关键问题是设计水平落后，必须改变我国目前还处在以类比和静态设计为主的现状，尽

快走向动态设计。车辆的设计制造属动力性特性起决定性作用的一类系统工程，迫切要求车

辆工程科技人员掌握动态设计的思想，形成对动态条件下的车辆系统动力学问题作精确有效

的仿真、计算、分析和处理能力，这也是学生进行本课程学习的目的所在。

车身是车辆（汽车）体现其物质和精神功能的最基本子系统，也是汽车设计制造过程

中工作量最大、耗资最多的部分，其设计制造水平已成为影响汽车生产和销售的关键因素

之一，而恰恰又是我国汽车技术领域目前最薄弱的环节，所以我国汽车工业科技发展规划

把车身工程作为形成整车自主开发能力的重点突破口。鉴于此，这里也将涉及车身工程的

有关内容作为车辆系统动力学研究的重点之一。

70～80 年代，由当时的学科带头人、留苏副博士罗明廉教授领衔，华南理工大学的本

研究方向曾获得具有一定全国性影响的学术地位，尤其在车辆振动与平顺性研究方面很有特

色。华南理工大学也因此成为国内较早的汽车专业硕士学位授予点之一，并于 1989 年以本

方向为主导几乎冲上了博士点。罗教授辞世后本方向的发展曾一度较缓慢。随着近年来我国

特别是广州汽车工业的迅猛发展，以及我校车辆工程专业与广东省相关单位开展共建、联合

办学，开展本学科研究工作的物质条件大为改善，已拥有较齐全先进的软硬件装备。如德国

的 AV L - 策尔纳交流瞬态底盘测功系统、美国的 MTS 材料试验机、车载路试及数据采集系

统、结构振动试验数采系统、国产的 10×2×2.5m 三坐标测量系统等大型设备，UG/Catia

等大型 CAD 软件、Ansys/Ls-Dyna/Flowtran/Fluent 等大型有限元/碰撞/流体分析 CAE 软件、

Bridge 等虚拟仪器及数采/分析软件系统，及其相应的一批计算机工作站、高档微机等。我

们与广州汽车工业集团等实行产学研密切结合，使本学科呈现了良好的发展势头和后劲，并

于 2003 年成功冲上车辆工程博士学位授权点，开始了向更高目标的冲击。

本方向近年来承担了多项国家、省部级的科研项目，在车辆系统计算机仿真分析、汽车

空气动力学新理论模型、风洞试验、智能化机助车身造型 ICAS 方法与系统、复合材料分片

蒙皮管架式新型车身结构、CVT 等新型车辆传动系统、ABS 制动系统、新型动力清洁汽车

等方面取得了一批有特色的研究成果，有的达到国际先进水平。在不断强化在上述领域所形

成的特色的同时，还与生产企业及其研究开发机构共同开展了不少涉及轿车、大客车设计或

改型设计、多种燃料驱动系统及其节能与排放净化、车身结构及碰撞分析、整车及子系统性

能测试等范畴的工程或开发项目；在车辆 NVH(噪声、振动、平顺性)和操稳性研究、CFD(计

算流体力学)、智能交通系统（ITS）车载装备等领域也积极开展了研究开发工作。大量的工

作和资料积累同时也为 VSD 研究生教学及教材编写奠定了基础。

§1 概论

§1-1 系统与系统动力学的一般概念

在现实世界中存在着许多由若干元素(元件、实体等)以一定规律相互联系起来的集合，

这就是系统。“系统”这个名词含义很广，不仅限于物理系统，可以扩充到任何动态现象

，

因此对系统的定义很多。我国著名科学家钱学森把系统定义为：“由相互作用和相互依赖的

若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个

更大系统的组成部分”。系统有各种各样的分类方法，比如：自然界的太阳系、银河系、生

物、原子内部这类脱离人的影响而自然存在的系统，称为自然系统；通过人的设计而形成、

用来完成特定任务的组合，则称为人工系统，象生产系统、交通运输系统、通信系统；由人

工组合和自然合成的组合系统，如导航系统等，也可归类于人工系统；等等。

系统的定义表明，各类系统均具有以下共同的基本性质：

1．结构性：

系统是由相互联系、互相影响和互相制约的多种元素 (或元件、实体、子系统)组成的有

机整体。系统各元素间相对稳定的排列组合方式、相互作用形式和相互关联的规则等，构成

了系统的特定次序或特定结构。这种结构性是系统整体性和功能性的基础，也把特定系统的

内部与外部（环境）界定开来。

2．相关性：

系统特定组成部分（元素）的变化，会以某种方式引起系统中其他组成部分的相关变化。

3．功能性：

系统具有与（外界）环境相互作用的整体功能，也具有构成整体功能的分部功能。特别

对人工系统，功能是其存在的直接原因。在某种程度和意义上，功能体现了系统的“目的性”

和/或“环境适应性”。例如货车就是为运输货物这一目的而构成，它必须有货厢以装载货

物；而客车则是为运输乘客而设计，因此其车内必有供乘客使用的客厢和座椅，而运货设备

就退居次位(行李箱或行李架)或甚至取消。所以在设计人工系统时必须研究系统的整体功

能，才能正确选择各元素的构成。

4．整体性：

任何系统都是作为相对独立的整体存在于特定环境中，其功能不是各元素功能的简单迭

加，而是使系统的整体功能获得新的内容，具有更高价值。例如一辆汽车是由发动机、传动

系、车轮、车身、操纵系等组成，单有发动机只能发出动力，不会自己行走，但当发动机装

在具有车轮的汽车底盘上，就成为可以行驶的汽车，成为一种交通运输工具，其功能就与一

台发动机大不相同。由此可见，研究系统特性应从整体的观点来看

。系统的性能是由其整体

功能为代表，而不是由某一个元素所能代表的。

5．层次性：

一个大系统往往可分成几个子系统，每个子系统是由更小的子系统(称二级系统)构成。

每个子系统或小系统都有自已的属性，以便和其它系统加以区别。将大系统分解或划分成多

层次结构，便于人们认识和研究系统。

6．活动（动态）性：

任何有限系统都不可避免处于运动与变化之中，在一定的微观层次或足够大的时间尺度

上都是动态系统。系统的这种活动性还表现在系统内各元素间的相互作用和物质、能量、信

息的流动，以及系统与环境之间的相互作用和物质、能量、信息的交换（输入/输出），这种

交换必将导致和促进系统结构和功能的变化。因此研究系统往往需要研究系统状态的变化，

包括研究系统的动态特性和运动规律等。例如汽车系统中由于燃料(物质)的燃烧而把所储的

能量转换为汽车的动能，这是能量的流动，并生成废气排出。而在行驶过程中，驾驶员从环

境(道路及车流密度)得到信息，加以判断，然后发出必要的指示信息，形成信息的流动，以

保证汽车根据环境的变化合理、安全地运动。

系统及其输入、输出三要素

的关系

可以用图 1-1 所示经典的“黑匣子”形

式来表示。由此可引出系统、特别是人

工系统研究的不同任务，主要包括：

输入

激励

(

)

输出/响应 y(t)

系统(特性 F(s))

图 1-1 系统与输入、输出关系

1．已知系统输入 u 的变化过程和系统的特性 F(s)来研究输出 y 的变化过程，这样的任

务叫系统分析。例如对特定汽车的整车性能测试、结构与振动分析等。

2．已知系统的特性 F(s)和输出 y 来研究输入 u 则称环境预测（系统逆分析）

。例如对一

振动特性已知的汽车，测定它在某一路面上行驶时所得振动响应值(如车身上的振动加速

度)，则可判断路面对汽车的输入特性，从而了解到路面的不平整特性等。

3．已知输入 u 和输出 y 来研究系统的特性 F(s)，这样的任务叫系统（模型）识别

。例

如：要求对发动机的环保系统的优劣作出判断，可以一方面了解其燃料、润滑油等输入因素，

另一方面采集排出的废气和烟、尘，了解其输出特性，根据这两者的对比，就可以辨识它的

环保系统特性等。

4．已知输入 u 并设计（或控制）系统及其特性 F(s)，取得所希望的、满足一定要求的

输出 y，这样的任务称为系统的综合(设计或控制)。而所谓系统优化设计(或控制) ，就是对

一定的输入通过选择系统特性或改变系统行为以获得最优化的输出。例如车身结构的优化设

计、整车的优化匹配、操稳性动力学优化控制等。

美国著名学者绪方胜彦把系统动力学定义为“讨论动态系统的数学模型和响应的学科”。

它正是完成上述系统研究基本任务，把各种相关学科知识的原理与概念用于研究、创造与设

计各种系统所必须掌握的基本工具和科学方法论（含办法、步骤、技巧和手段等在内的一套

完整体系）。在对系统进行研究时，虽然有时可能采取对实际系统做试验的办法，但出于经

济、安全及可能性等方面的考虑，常常不能或不希望首先在真实系统上、而只能或希望在模

型上进行试验；且在一个系统为未建立之前，有必要但也只能借助系统的模型来预测它的性

能。为此，往往首先需要运用相关学科知识建立合理的数理模型，然后利用模型来研究分析

系统（又称模拟、仿真或“思考实验”），才能进而实现对系统的动态优化设计（控制）、识

别、环境预测及可靠性或费用效果评估等。这种“定义系统和元件→系统建模→仿真试验→

分析评价→结论或决策”的流程，正是典型的系统动力学研究方法。

系统动力学(System Dynamics)又称“系统动态学”，以动态系统为研究对象。尽管工程

上研究、分析和设计复杂系统时可能在许多方面允许以其稳态情况为依据，但系统各变量对

时间保持恒定处于静态的系统实际上是不存在的。没有包括重要的动态影响、仅根据静态分

析结果来判断系统特性将会得到不全面甚至错误的结论。例如一个新装置或系统若经不住瞬

时峰值载荷、或对输入量的反应不够迅速、或在小扰动下工作呈现剧烈振动，该装置或系统

就是失败的，而应用系统动力学的知识则可能在系统建立之前通过动态分析预示和避免这些

问题。动态系统的行为随时间变化，是时间的函数，在动态的分析中可以或需要考虑到许多

外部干扰或者不稳定性，所以动态系统分析比静态分析更为复杂，也更为必要。因此还可以

说，系统动力学是研究系统动态特性、建立和研究系统输入和输出在动态条件下因果关系的

学科，是从结构机制上认识与理解动态系统行为的科学思维方法。

显然，系统动力学已不再仅限于传统力学意义上的“动力学”(kinetics)范畴，并适用于

任何动态现象。它不但在“纯”工程科技领域，而且在经济、商贸、国防、规划调度及管理、

生物与生态、社会和心理行为等许多非“纯”工程科技领域，都获得了广泛应用。

§1-2 车辆系统动力学的研究内容和特点

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