一直以來,關于建模的態(tài)度都是夠用就行,能簡化則盡量簡化。因為簡化的模型并不代表簡單,剛開始進行某個領域建模時,簡化的模型更能讓我們抓住其本質,去深入理解這個建模對象。
但是,隨著學習的深入,簡化的模型可能無法滿足更多需要注重細節(jié)的仿真研究。此時,基于之前建立的簡化模型去拓展模型范圍,或者去增加部分模型細節(jié),讓模型更加貼合實際,就會變得更加容易,也更加有意義。
將以汽車縱向動力學建模為例,來談談怎樣做到精細建模。打算分為上下兩節(jié)來介紹:
下面開始本文的內容:汽車縱向動力學的滾動阻力精細建模。
其中Fx、Ff、Fw、Fi、Fj分別代表車輛縱向力、滾動阻力、風阻、坡道阻力、加速阻力。
根據(jù)上述公式,我們可以很容易搭建出一個一般的車輛縱向動力學模型1.1,如下圖:
對應的車輛參數(shù)如下圖,車輛滾阻為mgf=147.15N。
工況1:驅動力Fx=200N(大于滾阻),坡道i=0,初始車速V=0,滾動阻力f=0.01。
結果如下圖,車輛逐漸加速,最終穩(wěn)定在13.64m/s左右,實現(xiàn)驅動力與風阻、滾阻的平衡,符合預期。
工況2:驅動力Fx=100N(小于滾阻),坡道i=0,初始車速V=0,滾動阻力f=0.01。
結果如下圖,理論上驅動力小于滾阻,車輛應該靜止,但是實際車輛在反向加速,且加速度越來越大,不符合預期。
分析可以發(fā)現(xiàn):低車速時車輛反向加速是因為模型1.1的滾阻一直為負值,實際滾阻應該與車輛運動方向相反;隨著車速增大加速度越來越大是因為風阻也一直為負值,實際風阻應該與車輛運動方向相反。
于是,我們可以對模型1.1進行優(yōu)化,得到一個考慮滾阻、風阻方向的車輛縱向動力學模型1.2,如下圖:
這里近似認為前進和后退風阻一致,滾阻系數(shù)暫時通過車速查表的方式來確認方向。
再進行上面的工況2仿真,結果如下圖,車速穩(wěn)定在0.01m/s左右,接近于0,符合預期。
經(jīng)過優(yōu)化后的模型2.2,滾阻和風阻模型能基本滿足大部分工況的使用,極個別工況例外,例如,車輛蠕行或車輛高速行駛工況。
車輛蠕行起步需要克服的滾阻與車輛穩(wěn)定蠕行的滾阻差別較大,車輛高速行駛與低速行駛的滾阻也差距很大,如果需要準確地進行車輛起步仿真研究或高車速滾阻模擬,還需要深入考慮摩擦系數(shù)與車速的關系。
0車速附近,表現(xiàn)為靜摩擦力;0車速范圍外,表現(xiàn)為庫倫摩擦+黏性摩擦,庫倫摩擦與正壓力相關,基本不變,黏性摩擦隨著車速的增大逐漸增大。
于是,我們可以對模型1.2繼續(xù)進行優(yōu)化,將其滾阻系數(shù)Map修改為下圖所示,得到一個考慮滾阻大小的車輛縱向動力學模型1.3,該模型可以滿足起步以及高車速工況對滾阻準確度的需求。
圖中的關鍵參數(shù)(靜摩擦系數(shù)、庫倫摩擦系數(shù)、黏性摩擦系數(shù))是需要經(jīng)過試驗測試確認的。
至此,對滾動阻力的精細建模完成,基本可以滿足90%以上的車輛縱向動力學仿真對滾阻的要求。
以上,以汽車縱向動力學中滾動阻力的為例,介紹了精細建模的一些理解。精細建模并不是要求模型必須復雜,是要更加關注模型對實際細節(jié)的把握,而這些細節(jié)恰好來源于對實際物理過程的經(jīng)歷、理解與思考。