簡介

要準確仿真防鎖死制動系統(tǒng) (ABS) ，需要在不同物理域中準備各個子系統(tǒng)詳細模型。使用統(tǒng)一分析工具為制動、車輪和控制組件創(chuàng)建精細模型難度非常大，甚至可以說是不可能。但可以采用聯(lián)合仿真的策略來解決這一難題。同時使用不同的仿真工具能夠實現(xiàn)創(chuàng)建跨專業(yè)、跨領域的耦合模型。

在本技術簡介中，使用Abaqus和Dymola的聯(lián)合仿真方法實現(xiàn)ABS的現(xiàn)實系統(tǒng)級仿真。輪胎、車輪、制動鉗機制和道路可以使用詳細的Abaqus有限元模型仿真，制動系統(tǒng)控制算法和液壓系統(tǒng)則可以使用Dymola進行仿真。

背景

一套防鎖死制動系統(tǒng)可以視為機械和邏輯子系統(tǒng)的總成。機械系統(tǒng)由輪胎、車輪、光盤和制動卡鉗硬件組成，而邏輯系統(tǒng)則由液壓系統(tǒng)和控制電子設備組成。Abaqus具備強大的非線性連續(xù)能力和多樣化的建模功能，已被證明是輪胎仿真的理想工具。Dymola則有能力高效率抽象邏輯建模，是液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)仿真的理想之選。

對整個ABS的高逼真系統(tǒng)級仿真來說，單獨使用其中之一都無法取得理想的效果。為此目的展示了一種聯(lián)合仿真方法，在運行中將Abaqus和Dymola耦合起來仿真系統(tǒng)的動態(tài)情況，這是任意一種單一軟件無法做到的。車輪系統(tǒng)的結構響應和控制系統(tǒng)的邏輯響應在Abaqus 和Dymola之間同步交換。由此施加在車輪上的制動負荷由ABS電子邏輯根據來自機械系統(tǒng)的輸入加以控制。

分析方法

本研究考查的是無懸掛組件的單個車輪。為實現(xiàn)聯(lián)合仿真，Abaqus和Dymola模型必須有對應的通信接口。

這可以通過在Abaqus模型中定義傳感器和執(zhí)行器，向Dymola邏輯模型收發(fā)信號來實現(xiàn)。制動分析的對象是使用逐漸增大的制動踏板力量讓車輪總成從初始速度10m/s降速下來。

制動系統(tǒng)的機械狀態(tài)用作控制信號。Dymola使用它激勵Abaqus模型中的卡鉗，這樣就能夠施加和調制制動力，避免車輪鎖死或在路面上徹底打滑。這個工作流程將在后續(xù)章節(jié)中詳細討論。

Dymola中的制動控制系統(tǒng)Dymola邏輯模型的原理方框圖見圖1。該制動系統(tǒng)由通過三端口閥門連接到主制動缸的單制動卡鉗氣缸組成。三端口閥門有三種工作模式：主制動缸與從制動缸相連的增壓模式；所有端口斷開的保持模式；從制動缸與油槽相連的減壓模式。該系統(tǒng)代表ABS實現(xiàn)的簡單形式，即制動液在制動事件發(fā)生之后才返回主制動缸。

圖1：Dymola中的制動系統(tǒng)邏輯和液壓控制模型遠離框圖

圖2：Abaqus輪胎、道路和制動模型

通過讓三端口閥門的工作狀態(tài)取決于車輪加速與滑動，對控制機制進行了仿真。在控制算法中，要求的輸入有車輪的角速度ω、角加速度ω、滾動半徑r、輪轂縱向速度Vx。對控制器的輸入信號按Ts=1ms的周期采樣。

縱向滑動的計算為：在車輪減速下降到低于當前規(guī)定的閾值-a時就會觸發(fā)ABS。此時壓力會保持恒定，直至滑動超過閾值λT，此時壓力下降到一定的值。

隨即保持壓力直至達到正加速度A。然后壓力一路增大直到加速度下降到a。到這個階段，使用交替性的保持和增大命令緩慢提升壓力。這個過程便于緩慢地穿越摩擦特性曲線的峰值部分，直至抵達該曲線的不穩(wěn)定點一側。這個周期在-a當加速度閾值跨過之后會再度開始。

除了這種常規(guī)的控制周期，當縱向速度小于特定水平時也會解除該控制器。此外，如果ABS控制算法處于某種狀態(tài)過長時間，也會使用超時參數(shù)重置ABS控制算法。這樣可以在不需要制動行為時避免控制器被鎖死。這是一種基于規(guī)則的算法，常見于生產系統(tǒng)。另一種選擇是使用基于模型的算法，其例子可見。

Abaqus中的輪胎、道路和制動模型

如圖2所示的Abaqus模型，包含輪胎、車輪、制動卡鉗和制動轉子、道路組成。首先為輪胎充壓，放置到與路面接觸，直至車身重量作用到車輪上。然后在Abaqus/Standard中執(zhí)行穩(wěn)態(tài)傳輸分析，計算在無制動條件下給定的前向速度對應的輪胎應力狀態(tài)和變形。還可以選擇給定圓角半徑。

隨后將自由滾動狀態(tài)的輪胎導入Abaqus/Explicit，用于與Dymola的制動聯(lián)合仿真。在Abaqus/Explicit計算滾動輪胎中的應力狀態(tài)和形變時，車輪的角速度和角加速度會通過Abaqus的傳感器定期提供給Dymola。所需的制動壓力先由Dymola計算，然后返回Abaqus/Explicit，以施加在制動卡鉗缸上。隨后制動盤壓緊制動盤，產生制動力矩，為車輪總成減速。

聯(lián)合仿真方案

使用下列非迭代聯(lián)合仿真方案：

每次Abaqus仿真的增量——傳感器信息經計算后通過基于套接的接口傳遞給Dymola。

Dymola讀取用作控制邏輯輸入的Abaqus傳感器信息，并按Abaqus/Explicit使用的增量大小及時完成傳遞。Dymola中計算的激勵信號傳遞回Abaqus，由Abaqus將該新計算的負荷施加于下一增量上。這一過程反復進行，直至仿真時間用盡。

聯(lián)合仿真結果

圖3所示的是輪轂在聯(lián)合仿真中的縱向速度和圓周速度。兩個 量 之間的差異代 表滑動狀 態(tài)。滑動開始時 較大，但控制器能夠防止車輪鎖死。聯(lián)合仿真結果圖3所示的是輪轂在聯(lián)合仿真中的縱向速度和圓周速度。兩個 量 之間的差異代 表滑動狀 態(tài)?；瑒娱_始時 較大，但控制器能夠防止車輪鎖死。

圖3：聯(lián)合仿真過程中的輪轂縱向和車輪圓周速度 圖4：制動卡鉗聯(lián)合仿真過程中的夾持力

圖4所示的是聯(lián)合仿真過程中的制動卡鉗的夾持力?？焖倭Ψe聚和釋放階段都清晰可見。

結論

在本技術簡介中，開發(fā)了一種分析防鎖死制動控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真方案。將Abaqus中的高逼真輪胎模型與Dymola中的液壓制動控制系統(tǒng)模型相結合，增強了如何將不同的仿真軟件包整合在一起使用，執(zhí)行現(xiàn)實系統(tǒng)級仿真。因此能夠將Abaqus中現(xiàn)有的高級輪胎建模功能應用到更加廣泛的現(xiàn)實工作條件下。這種聯(lián)合仿真方法可以擴展到各種道路條件下、水漂分析和優(yōu)化完整的車輛模型。