基于ADAMS的汽车悬架系统动力学分析与仿真试验(刘永强-石家庄铁道学院-2008)

目 录 I 目 录 第一章 绪论.1 1.1 研究背景1 1.2 国内外研究现状3 1.2.1 国外研究现状.3 1.2.2 国内研究现状.8 1.3 课题来源及其目的意义9 1.3.1 课题来源.9 1.3.2 课题目的及意义.10 1.4 论文主要研究内容 11 第二章 多体系统动力学基础.12 2.1 多体系统动力学基本理论12 2.1.1 概述.12 2.1.2 主要研究方法.12 2.2 ADAMS软件 .14 2.2.1 ADAMS软件介绍14 2.2.2 ADAMS软件模块简介14 2.2.3 ADAMS软件设计流程16 2.2.4 ADAMS软件计算方法17 2.3 本章小结19 第三章 整车多体模型的建立.20 3.1 整车结构参数20 3.1.1 整车结构分析.20 3.1.2 建模参数的获取.20 3.1.3 建模前的假设.21 3.2 汽车前悬架和底盘模型的建立22 3.2.1 前悬架模型的建立.22 3.2.2 前悬架模型的改造.23 目 录 II 3.2.3 前悬架模型定位参数的测量.26 3.2.4 前悬架模型的优化.33 3.3 转向机构模型的建立36 3.4 后悬架模型的建立37 3.5 轮胎和路面的建立38 3.5.1 轮胎的添加.38 3.5.2 路面的添加.40 3.6 车身轮廓的创建41 3.7 整车模型的修正42 3.7.1 柔性衬套的添加.42 3.7.2 非线性阻尼器的添加.45 3.8 整车模型的自由度47 3.8.1 添加柔性衬套前的整车模型自由度.47 3.8.2 添加柔性衬套后的整车模型自由度.48 3.9 本章小结49 第四章 整车模型的仿真分析.50 4.1 整车模型的操纵稳定性仿真50 4.1.1 转向盘角阶跃输入仿真分析.50 4.1.2 稳态转向特性仿真分析.53 4.1.3 结论.56 4.2 整车模型的随机路面激励仿真56 4.2.1 仿真前的准备.56 4.2.2 仿真方法.60 4.2.3 仿真结果.60 4.2.4 结论.67 4.3 整车模型加速抬头量、制动点头量仿真试验68 4.3.1 加速仿真试验.69 4.3.2 制动仿真试验.73 4.3.3 结论.78 4.4 本章小结79 第五章 结论和展望.80 5.1 主要研究结论80 目 录 III 5.2 展望81 参考文献.82 附录A 91 附录B.93 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章详细介绍了课题的研究背景，国内外同行的研究现状以及课题的来源、 目的和意义，简单概括了本课题研究的主要内容。 1.1 研究背景 一方面，随着国民经济的迅猛发展、人民生活水平的极大提高，汽车作为 一种不可或缺的交通工具开始逐渐进入了家庭。根据中国机械工业联合会的统 计，2006 年我国共生产汽车 728 万辆，比上年增长 27.6%，已超过德国，仅次 于美国、日本，居世界第三位，汽车工业己经发展成为我国工业第五大支柱行 业1。但是，中国汽车工业拥有巨大发展机遇的同时也面临着严峻的挑战：中国 汽车工业主要依赖国外技术，缺乏自主研发能力；另外，自从加入 WTO 后，中 国巨大的汽车消费市场吸引着世界各大著名汽车公司在中国实现生产本土化， 中国汽车工业必将面临更加激烈的市场竞争。所以我们必须尽快努力掌握汽车 核心技术，优化我国汽车产业结构，推进民族汽车工业可持续发展。 另一方面，随着汽车的普及，人们对汽车的要求也越来越高，在获得良好 的动力性和经济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。对于 这些要求，只有对汽车系统动力学进行深入的研究才能实现。在这一领域，用 模型分析，建立数字化虚拟样车是一种重要的方法。目前国外先进的汽车公司 有关“数字化虚拟样车”技术的理论研究己经发展成为产品开发中的成熟技术， 所开发出的动力学仿真模块能够广泛应用于汽车整车及零部件的新产品开发。 国外有关系统能够实现轿车、载重汽车整车操纵稳定性、平顺性、制动性的全 面建模与仿真分析，仿真模型经试验数据标定和校核能够达到一定精度的要求， 仿真分析己经成为在产品开发早期替代(或部分替代)实车试验对产品性能进行 校核与优化的有效手段。 随着 CAD 技术的深入应用，传统设计方法所采用的“经验设计试制反 复试验和修改定型”的设计流程己经满足不了现代设计的需求。日益激烈的 市场竞争要求企业在最短的时间内以较低的开发费用设计出性能优良的汽车产 第一章 绪论 2 品，这就要求必须在样车(物理样机)设计出来之前就先对其性能进行预测，以进 行可行性研究和优化设计；在结构设计阶段，可以修改零部件设计参数后重新 进行仿真，并可直接指导和参与零部件设计参数的分析、优化与改进，以提高 设计质量；利用仿真模型进行模拟实验，以减少反复试制试验的次数、节省设 计经费、缩短设计周期；进行仿真模型的模拟试验，以替代难于进行的危险性 试验，或用于模拟事故发生等。因此，在知识经济条件下利用高新技术对传统 设计方法进行改造与提高，改进汽车整车及零部件的设计方法，提高设计水平， 提升自主开发能力。 汽车是一个复杂的机械系统，外界载荷的作用复杂多变，人车环境三 位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析和求解过程始终是一个 难题。传统的汽车系统动力学分析是将汽车系统中各部件、总成看作集中质量 块，它们之间的联系抽象为弹簧和阻尼器，即将汽车系统抽象为集中质量弹 簧阻尼系统。这种模型的建立既可以在二维，也可以在三维中进行，其自由 度从几个到十几个不等。然而，这种抽象显然只能满足特定工况下近似分析的 需要，往往为了模拟不同工况需要建立不同的分析模型。这是因为系统中各部 件、总成本身是个分布质量的物体，它们不仅有移动自由度，而且还有转动自 由度，并且各部件之间的联接都是通过复杂的构件和运动副(转动副、移动副、 万向节、球铰等)构成的，它们在汽车运动中是相互制约、彼此耦合的，因此很 难找到一种适合任意工况下的当量系统作为汽车系统的动力学分析模型。 在这种情况下，基于“数字化虚拟样车”技术的专业软件出现了，如美国 MSC 公司的 ADAMS 和比利时 LMS 公司的 DADS。其中，ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)软件是最著名的虚拟样机分析软件。它 使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统动 力学模型，利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分代数方 程，求解器算法稳定，对刚性问题十分有效，可以对虚拟机械系统进行静力学、 运动学和动力学分析，后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线 以及动画仿真。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰 撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。目前，ADAMS 已在汽车、飞 机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用，己经被全世 界各行各业的大多制造商采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市 场份额的统计资料，ADAMS 软件占据了销售总额近 8 千万美元的 51%份额2。 第一章 绪论 3 ADAMS 软件由核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块 5 类模 块组成。ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常 方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚 拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用 户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外开始“数字化虚拟样车”技术研究与应用的时间较早，并己形成了一 系列通用的商业化、数字化虚拟样车系统软件，这是汽车领域运用数字化新技 术的大趋势。美国福特汽车公司早在 70 年代末就已经在其新开发的轻型车上采 用了这样的技术，之后美国通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司及德国、日本等 国的汽车公司都纷纷开始研究与应用“数字化虚拟样车”技术。各大汽车公司 都投入巨资构建其高度自动化的虚拟仿真系统，如近 30 家大汽车公司拥有经二 次开发的 ADAMS/Car 系统并用于整车的设计开发。 Segel 在 1993 年英国机械工程师协会(IMechE，Institution of Mechanical Engineers)举行的题为 “车辆平顺性和操纵稳定性” 的会议上发表的论文， 对 1990 年以前汽车动力学的发展做了较为全面的总结3。线性二自由度模型4,5将汽车 的运动简化为二自由度，模型中忽略了转向、悬架系统等细节，并将轮胎侧偏 特性简化为线性特性，在车辆动力学的定性研究中起到了关键作用。 目前， 美国有一个专门针对 ADAMS 的国际会议 International ADAMS Users Conference，成为“数字化虚拟样车”技术发展的中心和源头。此外诸如 Proceedings of the IEEE/ASME、Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers、Proceedings of SPIE 等每年都有大量关于 ADAMS 的文献刊登。国外 关于 ADAMS 的应用研究主要集中在以下几个方面： (1)轮胎和路面。TNO 路面车辆研究所的 Jan J.M. van Oosten6早在 1997 年的欧洲ADAMS用户年会上就Delft-Tyre轮胎的研究现状和发展方向专门做了 一个报告，而后在 1999 年及 2000 年的国际 ADAMS 用户年会上又和 Sven T.H. Jansen7,8等人利用 ADAMS 建立了 1/4 汽车模型，添加了 Swift-Tyre 轮胎，所建 第一章 绪论 4 刚性环状轮胎模型圆周振动频率高达 80Hz，研究了轮胎模型随着车速和载荷的 增加所表现出的特性和魔术公式(Magic Formula)滑移力的变化情况。同样来自 TNO汽车公司的Igo Besselink9在2001年也对SWIFT-Tyre轮胎模型的发展做了 大胆的预测。 德国埃斯林根应用科学大学(Esslingen University of Applied Sciences) 的Michael Gipser10提出了一种新型轮胎模型FTire(Flexible Ring Tire Model)模 型，该模型以复杂的轮胎力元来表示，可以被用于 MBS(Multi-body Systems)模 型中检测汽车的乘坐舒适性，也可以用在平坦或不平坦路面上的其它汽车动力 学仿真中，作者预计这种新型轮胎模型将在不久的将来用于 ADAMS 的轮胎模 版。美国 MDI 公司的 F.Mancosu1114等人曾经使用 ADAMS 软件对非线性模态 滚动轮胎模型进行仿真分析。Dr. Martin15,16，Diego Minen17等人利用 ADAMS 软件对奥迪公司设计的 2000 年和 2001 年的 R8 赛车模型进行了仿真，所得仿真 结果为更好的理解 3D 路面临界动力学状态提供了依据， 而且还考虑到了更加复 杂的车路耦合参数和轮胎由于粘附力的存在而造成的热影响。菲亚特汽车研 究中心(FIAT Automotive Research Institute )的 Valerio Bisogno18等人也曾经利用 ADAMS 软件研究汽车在不同路面不平度下操纵系统的敏感性。芬兰的 Mauri Vesimaki19利用 ADAMS/Tire 研究了计算轮胎路面相互作用的 3D 触点算法。 传统的研究是在水平路面上进行轮胎建模和在 2D 路面上进行耐久性试验， 由于 受轮胎建模技术的限制，3D 触点算法的研究一直停滞不前，ADAMS 软件的出 现很好地解决了这个问题。结合 ADAMS/Tire，利用 3D 触点算法可以计算路面 的有效常态(Effective Normal)和接触点等，亦可以计算由于车轮侧滑造成的横向 力等。 (2)优化技术。日本的 Keiichi Motoyama20,21等人利用 ADAMS 软件对典型 的双横臂式独立悬架进行了研究，发展了基于遗传算法的最优化系统，并且利 用 DOE(Design of Experiments)对以最优化为目的的公差灵敏度进行了计算和分 析，结果表明利用此系统可以更加方便地设计出性能优良的悬架。美国科罗拉 多州立大学(Colorado State University)的 Karthik Krishnan22等人也使用 ADAMS/Insight 对悬架几何特性敏感度进行仿真优化分析。希腊的 GianClaudio Travaglio23等人利用 ADAMS/CAR 软件通过 FBG(Flexible Body Generator)法对 具有麦弗逊式前悬架和扭杆式后悬架的汽车进行了操纵性优化仿真，结果表明 FBG 法对于扭杆式后悬架的优化具有显著的优势，可以使汽车工程师们很轻松 地利用 ADAMS/CAR 对具有麦弗逊式前悬架和扭杆式后悬架的中档轿车进行优 第一章 绪论 5 化分析。米兰理工大学(Politecnico di Milano)的 Gobbi M Mastinu G，美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司的 Catelani D，以及菲亚特汽车公司(FIATF： Fabbrica Italiana Automobili Torino)的 Guglielmetto L 等人利用 ADAMS 软件开发 了一种优化汽车子系统的方法，这种优化技术基于多目标设计(Multi-Objective) 和整体逼近法(Global Approximation)。通过对两个子系统，即汽车车身悬架系统 和发动机悬置系统进行优化分析，准确配置了悬架系统的各项参数，大大提高 了汽车的乘坐舒适性、方向稳定性和操纵稳定性24。同样来自菲亚特汽车公司 的 Davide Danesin25等人利用 ADAMS 软件对汽车的实时阻尼器系统进行了动 力学仿真分析。针对在建模过程中遇到的某些系统构件的动力学参数无法直接 从物理模型获取的困难，奥迪汽车公司的 Dr.Bernd Weber26利用 ADAMS 中的 DOE(Design of Experiments)模块和Optimization模块开发了一种模型参数识别系 统，并且在橡胶支架、液压装配台、空气悬架和冲击吸振器等系统构件中进行 仿真优化，效果明显。 (3)非线性构件。传统的建模方法对于具有宽频带和大振幅的复杂非线性构 件来说远不能满足要求， 而经验动力学建模就可以很好地解决这类问题， Andrew J. Barber27,28和 Thomas E. Renner29等人利用 ADAMS 软件对非线性衬套和阻尼 器进行了详细的建模和仿真，结果显示：利用虚拟样机模型可以很精确地考虑 到频率和振幅的双重影响，从而摆脱了传统方法的限制。福特汽车公司的 K.N. Mornam Jr30等人利用 ADAMS 软件研究了汽车后悬架的动力学特性，主要分析 了弹性轴承的粘弹性响应在大规模系统仿真中的振动评价和构件的承载力预 测，研究成果已被成功应用于非线性衬套的行为预测。E Nikolaidis31还专门利 用 ADAMS 软件对橡胶元件的抗振性进行了仿真分析。汽车整车多体动力学模 型通常被用作检测汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性的好坏，但是当遇到频率超 过 030Hz 的动力学现象时，传统的多体动力学就遇到了限制，这时通常需要在 多体动力学模型中添加额外的柔性部件，这就要求考虑到结构(底盘和下支架) 的低频动力学行为，也就必定会得到一些柔性体特性的有用信息。意大利的 Enrico Pisino32等人将结构的柔性体部件引入到 ADAMS 模型中，采用“刚体 模态”的逼近方法进行分析，并且分析结果得到了试验的验证。美国 TRW 汽车 集团(TRW Automotive)高级设计工程师 Sam McDonald，美国 MDI 公司的 Todd Depauw等人利用ADAMS软件对汽车构件间连接副的作用力进行了深入的仿真 分析33。 第一章 绪论 6 (4)噪声控制。 Dave Riesland34等人在 2002 年曾经利用 ADAMS 软件进行过 汽车制动噪声方面的研究，他们首先在对一款微型敞篷车进行了测试，然后通 过 ADAMS 软件进行动力学建模和仿真，分别利用 ADAMS/Vibration、 NASTRAN、 IDEAS 软件对该模型进行制动噪声方面的分析， 最后根据分析结果 在 ADAMS 中对汽车制动系统进行以减小制动噪声为目的的优化设计。结果表 明：在众多参数中，汽车摩擦曲线斜率，结构刚度系数，构件间的连接刚度对 汽车制动噪声影响最大。进行类似研究的还有法国的 Anthony Gugino35和 John Janevic36等人。他们首先进行现场测试，将测得的质量、刚度、阻尼等参数和 在 CAD 中所建模型一起导入到 ADAMS 软件中建立运动学模型， 然后添加动力 学参数、接触件、摩擦系数、柔性连接等，在模型验证后进行了动力学仿真和 测试，结果显示：随着刹车片压力和转子转速的增加，制动噪声明显下降，这 与试验分析结果非常吻合。美国 MDI 公司的 Michael Hoffmann37,38曾经对耐久 性和 NVH(Noise Vibration Harshness)特性进行过分析， 在振动台上模拟路面不平 度曲线，所使用的汽车整车模型采用柔性车身框架和标准的衬套、阻尼器模型。 经过仿真分析发现，影响耐久性和 NVH 特性较大的因素有：柔度，衬套，阻尼 器和轮胎等。同时，他还对制动噪声有过相关论述。 (5)二次开发。针对汽车底盘工程师在利用 ADAMS 软件进行仿真时由于缺 乏专业知识、ADAMS 软件技术以及仿真系统的操作技巧而遇到的困难，美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司的 Michael Guttilla，MDI 日本株式会社的 Junichi Sato 和日本尼桑汽车有限公司(Nissan Motor Co.， Ltd)的 Hiroshi Noguchi， Youichi Sakai 等人联合对 ADAMS/Car 进行了二次开发。在进行悬架特性仿真时 计算了外倾刚度(Camber Stiffness)、横向顺性(Lateral Compliance)等参数，添加 了柔性杆和柔性摇臂，在进行整车仿真时计算了柔性体对前轮横向输入力的响 应。开发了汽车操纵性能预测系统，该系统能够很好地预测汽车静态悬架特性 39,40。奥迪(Audi)公司的 Sven Markus Esch41对 ADAMS/CAR 进行了二次开发， 开发出了用于奥迪公司研发的悬架模板工具箱 KINELA(Kinematics and Elastokinematics)，而且还对汽车悬架模型和汽车整车模型进行了大量的仿真试 验分析。实践表明，ADAMS/CAR 可以大大降低产品技术支持、维护和开发的 成本，具有极强的二次开发能力和数字建模、参数建模能力，利用所开发的悬 架模版可以进行不同的应用实践，与奥迪公司产品数据库相配套还可以大大降 低产品的研发周期， 有着极高的应用价值。 同样来自奥迪公司的Gunther Prokop42 第一章 绪论 7 在 2001 年 ADAMS 欧洲用户年会上专门就汽车操作性能分析的驾驶员模型作了 精彩的论述。目前汽车上装载的 ABS(Antilock Brake Systems)和 TCS(Traction Control Systems)是用来控制纵向临界掘进状态的， 德国的 Alfred Pruckner43等人 利用 ADAMS 软件开发的 DDC(Dynamic Driving Control systems)不但可以控制 纵向滑移角度，还可以监测和控制横向动力学掘进行为，大大地提高了汽车的 安全性和操纵性能。 (6)联合仿真。目前世界上众多的汽车零部件制造商都能提供解决汽车主动 动力学和稳定性控制的硬件和软件，为了对比这些方法在处理不同的主动系统 问题时的优劣，意大利的 N.Arborio44等人将一款新车的数学模型通过 ADAMS 软件实现了出来，为了克服 ADAMS 不适合解决频繁启动、变速排档等问题的 缺点，他们利用 Matlab 来控制模型的动力牵引系统。通过考虑瞬时的轮胎地 面粘附系数，引进了额定侧滑率这一概念。通过对 ADAMS/Car 与 Matlab 的联 合仿真，这种方法得到了验证。意大利的 Nanni Bertorelli45等人利用 ADAMS 软件对汽车进行碰撞分析，并对比了利用多体动力学和有限单元法 FEM(Finite Element Method)的分析效果，结果证明了基于多体动力学的 ADAMS 软件可以 在非常短的时间内取得非常理想的逼近效果，是一个理想的设计工具。为了在 ADAMS 软件中建立更加精确的柔体模型，需要使用者导入 FE(Finite Element) 结构模型，美国 ESI 公司(ESTECH Systems，Inc.)的 Takafumi Mochizuki46,47专 门进行了此项研究，他首先通过结构测试和后续的模态分析建立了一个代表模 态特性的当量 FE 模型，再将模型经由 ADAMS/FLEX 接口导入到 ADAMS 中， 然后就可以对此柔性模型进行各项仿真分析了。 Devinder S.Sachdeva48等人首先 利用 IDEAS 软件建立了汽车各构件并进行组装，然后导入到 ADAMS 中，在添 加了刚、柔性连接后进行调试，组成了复杂的柔性体模型，最后进行仿真和后 处理分析，得出了满意的结果。大众汽车公司(Volkswagen)的 Martin Kieltsch49 首先利用 Pro/E 建立汽车模型， 后导入到 ADAMS 中进行仿真分析，先后修正了 转向子系统、底盘子系统和轮胎模型，建立了标准的制动子系统、ABS 制动子 系统等。 美国的 M.Sc. Aline Drivet50利用 ADAMS/View 与 Matlab 联合仿真对主 动悬架进行虚拟样机的仿真试验分析。德国农业机械与液压技术研究所的 C.Eberle51等人利用 ADAMS 与 Matlab/Simulink 对工程机械进行联合仿真控制， 取得了显著的成效。 (7)其它应用。德国的 M. Honlinger52等人利用 ADAMS 软件分析了装配有 第一章 绪论 8 可控悬架系统的重型越野汽车的移动性。在重型汽车方面进行研究的还有沃尔 沃卡车公司(Volvo Truck Corporation)的 I Johansson 等人53，他们在 ADAMS 环 境中对基于 FE(Finite Elements)的载重汽车模型进行了仿真分析。波兰汽车研究 所的 Matej J 和 Piotrowski J、波兰航空与应用力学研究所(Institue of Aeronautics and Applied Mechanics)和华沙工程技术大学的 Wojtyra M 和 Fraczek J 等人利用 ADAMS/Rail 软件对列车进行建模， 并进行了在弯曲轨道上行驶时的安全性能仿 真检测54。进行类似研究的还有 ABB(Asea Brown Boveri，Ltd.)公司德国研究中 心的 Steffen Miiler55等人，他们利用 ADAMS 就列车在直线轨道和曲线轨道上 行驶时的牵引特性作了数字仿真分析。柏林科技大学道路与铁道运输研究所 (Institute of Road and Rail Transport, Technical University Berlin)的 Sohr Rohrbeck56利用 ADAMS 软件就列车中使用的能量吸收装置进行了建模仿真。 荷兰铁路维护公司(NedTrain)的 Edward de Jong 和 Christiaan Wattel 通过 ADAMS 软件对列车 SM90 自动车门系统进行了仿真研究57。 1.2.2 国内研究现状 从上可以看出国外在工程界，特别是汽车工程领域，在多体系统动力学方 面的研究已经比较广泛和深入。虽然目前国内汽车产业己经成为国民经济的支 柱产业，而且整车及零部件设计厂家众多，但却普遍存在着提升汽车及零部件 设计水平的迫切需求。 此外，我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展很快，在汽车工程领域 已经获得了不少成果。1989 年，吉林工业大学的林逸教授利用 R-W 方法，建立 了对汽车独立悬架中的单横臂式和摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程 序58。1991 年，第二汽车制造厂的上官文斌等人，采用自然坐标的概念，利用 虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法59。北京农业工程大学的周 一鸣等人研制了广义机构计算机辅助设计软件 GMCADS，用于分析平面和空间 机构的运动学及动力学性能60。1992 年，清华大学的张海岑采用多刚体力学中 的牛顿欧拉方法，建立了汽车整车 74 个自由度的非线性数学模型，其中包括 多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考 虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车整车的操纵稳定性和制动性61。 1994 年，清华大学的刘红军用虚拟刚体结构方法和弹性子机构法把弹性问题纳 入整车多体系统动力学的分析中，对汽车摆振系统进行了建模和计算62。1997 第一章 绪论 9 年，清华大学的张越今在其博士论文中建立了含柔性元素的 80 个自由度整车多 体系统模型， 并利用该模型对汽车动力学进行了全面的仿真分析和优化63。 1993 年，吉林工业大学的林逸教授对悬架系统中广泛采用的橡胶铰链的特性作了阐 述，并对汽车平顺性的影响做了详尽的分析64。1999 年，同济大学的温强等人 对悬架中的橡胶支撑的动、静刚度的实验研究方法作了研究65。 在国内军事上的应用方面，军械工程学院、北京装甲兵工程学院及南京理 工大学等利用 ADAMS 软件对武器的开发设计和故障研究等进行了一系列研究 6668。 吉林大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、华中科技大学、武汉理 工大学、合肥工业大学、南京理工大学等利用 ADAMS 软件在汽车悬架系统方 面进行了较多、较深入的研究，也取得了一些理论成果6977。但与国外相比， 国内专门从事 ADAMS 软件在汽车方面的研究的科研院所并不多，而且大多只 局限于理论研究。更主要的是国内的一些汽车研发中心(如泛亚汽车技术中心有 限公司78等)和汽车公司(如奇瑞79等)等运用 ADAMS 软件较多，实用性较强。 长春汽车研究所、东风汽车工程研究院、上海汽车集团、北京汽车集团等单位 引进国外软件进行了“数字化虚拟样车”方面的仿真分析和局部应用，但因缺 乏整车及零部件基础数据积累、实车试验验证及仿真建模方面的经验积累，在 仿真模型精确程度、建模与仿真分析的效率等方面都不足以完全满足产品设计 的要求， “数字化虚拟样车”还不能成为替代传统汽车设计方法的实用化手段 8083。 1.3 课题来源及其目的意义 1.3.1 课题来源 在建模研究过程中，国内外众多的学者和研究人员提出了许多方法，并建 立了大量数学模型，用来仿真悬架的运动学和动力学特性。目前，在汽车悬架 建模理论中，最为典型的是基于侧倾中心或力矩中心的建模方法4,84,85，和基于 多体动力学的建模方法8689。 这种理论实际上是对悬架作了大量的简化，较少考虑各系统构件的具体结 构和尺寸，而是从悬架整体上研究有关车轮与车身的相互作用效果，它最大的 第一章 绪论 10 优点是所建立的模型计算速度快、有良好的实时性、能够满足实时仿真的要求， 尤其是有驾驶员作用的整车驾驶模拟器对实时性的要求，所以得到了广泛的应 用。 同时，这种分析方法也存在有一些弊端： (1)非线性系数测定不方便，并且由于数据的测量是在各系统的静态下进行 的，没有考虑到在实际行驶情况下，整车的运动也会对悬架系统产生影响，因 此所得到的测量数据非常不可靠； (2)由于用这种方法建立的模型做了大量的简化，使模型对悬架的具体尺寸、 弹性件弹性特性等参数的分析很不方便，对于准确地计算动态下的悬架特性参 数也不方便； (3)这种方法建立的悬架模型不适用于大位移运动的汽车动力学仿真。 以上所述的多自由度非线性模型建立方法，虽将悬架系统的运动特性等效 考虑为悬架刚度的非线性，考虑了轮胎侧偏特性等的非线性，但仍无法将车辆 悬架、转向系统的实际结构参数、橡胶衬套刚度等具体设计参数与车辆的动态 特性联系起来90。 近二十多年来，发展起来的多体系统动力学理论为建立多自由度模型提供 了一个有力的工具。应用多体系统动力学的仿真模型将汽车的各个部件看成刚 性体或弹性体，同时也包括刚体的所有节点。整个模型自由度非常多，能更全 面的描述汽车各个子系统的运动及相互耦合作用，也可用于汽车操纵性和平顺 性的研究。汽车中的弹簧、阻尼器、缓冲块、橡胶衬套以及轮胎等均具有非线 性特性。能够全面精确地表达和预测汽车各种非线性特性的多体模型是进行汽 车的动态性能设计的先进手段。多体动力学方法己成为车辆动力学研究的一种 高效率、高精度的分析方法。 1.3.2 课题目的及意义 由于数字化虚拟样机技术可以缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产 品设计和制造质量，目前已成为汽车企业的一项核心技术。随着虚拟产品开发、 虚拟设计技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用，从子系统设计到整 车系统的匹配都采用数字化虚拟样机技术。系统动力学仿真是数字化虚拟样机 的核心。对汽车而言，车辆动态性能尤为重要。为了降低产品开发风险，在样 车制造出之前，进行动力学建模，并利用数字化样机对车辆的操纵稳定性、平 第一章 绪论 11 顺性等性能进行计算机仿真，并优化其参数就显得十分必要。 本文将以虚拟样机技术为核心，以机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS 中的 View 模块为开发平台，考虑前后悬架、转向系统的详细几何结构参数及各 部件实际约束情况，考虑建模所需的悬架和减振器的刚度、阻尼以及连接处的 橡胶衬套的非线性特性，并加入到整车模型中，使模型接近汽车的实际工况。 在此基础之上，建立符合标准的汽车整车动力学模型，对样车进行操纵稳定、 平顺性等仿真分析，从而在真正意义上提高国内汽车设计的水平和能力。 1.4 论文主要研究内容 论文以某款车的具体结构为研究对象，以多体系统动力学为理论依据，运 用先进的虚拟样机技术软件 ADAMS，建立三维参数化实体前悬架模型，并对前 悬架模型进行结构参数优化，并将优化结果用于整车模型的建立；建立包括双 横臂式前悬架系统、斜臂式后悬架系统、转向系统、车身、轮胎在内的整车多 体模型和路面模型，并对整车模型进行了一系列的动力学仿真分析。主要内容 如下： (1)建立和优化了前悬架模型。建立了双横臂式前悬架系统，考察悬架的主 要性能随车轮上下跳动的变化规律，并对其进行了结构参数的优化，将优化结 果作为整车模型的建模基础； (2)建立了整车多体模型。建立了包括双横臂式前悬架系统、斜臂式后悬架 系统、转向系统、车身、轮胎在内的整车多体模型和路面模型，并对模型进行 了修正，添加了柔性衬套连接替代了原由的刚性连接，引入了非线性的速度 阻尼力曲线作为阻尼器的特性曲线； (3)进行了整车模型的操纵稳定性仿真试验。分析了转向盘角阶跃输入仿真 中侧向加速度和横摆角速度的变化情况，分析了稳态转向特性仿真中的转弯半 径的变化情况，并给整车模型以客观的评价； (4)进行了整车模型的平顺性仿真试验。分析了整车模型在四个等级路面上 进行随机激励的仿真情况，对比了不同路面上的整车模型在三个方向上的加速 度变化曲线，并给出了评价结果； (5)进行了整车模型的加速抬头、制动点头仿真试验。根据仿真结果分别对 整车模型的抗抬头和抗点头特性进行了分析并给出评价结果。 第二章 多体系统动力学基础 12 第二章 多体系统动力学基础 在充分了解国内外有关研究现状的基础上，本章主要介绍了多体系统动力 学的理论基础和应用软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，简要分析了基于 ADAMS 软件的设计流程和计算方法，给汽车整车的 建模和动力学仿真提供了坚实的理论基础。 2.1 多体系统动力学基本理论 2.1.1 概述 多体系统动力学，包括多刚体系统和多柔体系统动力学，是研究多体系统 运动规律的学科。这种多体系统一般由若干个柔体和刚体相互连接所组成。多 体系统动力学是在经典力学和计算机相结合的基础上发展起来的，在发展过程 中，结合了运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等 学科，成为了一门具有广泛用途的新兴力学分支90。 60 年代至 70 年代初，美国的 R.E.Roberson91,92、T.R.Kane93，联邦德国的 J.Witternburg94等人就先后提出了各自的方法解决复杂系统的动力学问题，他们 方法的共同特点就是：建立适用于计算机建模和计算的数学模型。于是，将古 典的刚体力学、分析力学和现代的电子计算机技术相结合的力学新分支多刚 体系统动力学就诞生了。近二十年来，由于各种复杂机械系统的高性能高精度 的设计要求，再加上计算机技术的迅猛发展和计算方法的成熟，多体系统动力 学由早期的刚体系统动力学发展成柔体系统动力学。多柔体系统不同于多刚体 系统，它包含有弹性部分，其变形不可忽略，运动学规律不确定；它与结构力 学不同，部件在自身变形运动的同时，空间中经历着较大的刚性位移和转动， 刚性运动和变形运动相互影响强烈耦合；它与一般的系统不同，多柔体系统是 一个时变、高度耦合、高度非线性的复杂系统。 2.1.2 主要研究方法 第二章 多体系统动力学基础 13 (1)Newton-Euler 方程法。对作为隔离体的单个刚体列写 Newton-Euler 方程 时， 铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多， 故即使直接采用 Newton-Euler 方法，也必须加以发展，制定出便于计算机识别的方法，并致力于自动消除铰 约束能力。德国学者 Schiehlen95在这方面做了大量的工作，其特点是在列写出 系统的 Newton-Euler 方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，对 完整约束系统用 Alembert 原理消除约束反力，对非完整约束系统用 Jourdain 原 理消除约束反力，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程。 (2)Langrage 方程法。由于多刚体系统的复杂性，在建立系统动力学方程时， 采用系统独立的 Langrage 坐标将是十分困难的，而采用不独立的笛卡儿广义坐 标比较方便，对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉氏方 程处理是十分规范的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与 广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程 才能封闭。Chance86等人应用 Gear 的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计 算效率，编制了 ADAMS 程序；而 Haug96等人研究了广义坐标分类、奇异值分 解等算法，编制了 DADS 程序。 (3)图论(R-W)方法。R.E.Roberson91和 J.Wittenburg92创造性的将图论引入 了多刚体系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成功地描述了系统 内各刚体之间的联系状况，即系统的结构。R-W 方法以十分优美的风格处理了 树结构的多刚体系统。对于非树结构系统，则必须利用铰切割或刚体切割方法 转变成树结构处理。R-W 方法以相邻刚体之间的相对位移做广义坐标，对复杂 的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，并据此推导出了系统的运动微分 方程。 (4)Kane-Houston 方法。R-W 方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式； 而 Kane 方法也提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，但并没有给出 一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，而且广义速度的选择也 需要一定的经验和技巧，这是它的不足之处。然而这种方法不用动力学函数， 无需求导计算，只需要进行矢量点积、叉积等计算，节省时间。美国辛辛那提 大学力学教授 Houston97将 Kane 方法程式化，不需要人为选择广义速率。其主 要特点是，提出低序体阵列作为描述多体系统拓扑结构的数学工具。采用 Kane 方程作为动力学建模的理论基础(含低序体阵列、变换矩阵、广义坐标及其导数、 运动学参数计算和动力学方程等)，方法从柔性体的有限段方法发展到综合模态 第二章 多体系统动力学基础 14 分析方法。将变形表示为二阶小量形式，基于小变形原理，适时进行线性化， 以获取动力刚化项和一致线性化方程。 (5)变分方法。在经典力学中，变分原理是对力学规律的概括，而在计算技 术飞速发展的今天，变分方法己成为可以不必建立动力学方程而借助于数值计 算直接寻求运动规律的有效方法。变分方法主要用于工业机器人动力学，有利 于结合控制系统的优化进行分析，对于变步态系统，可以避免每次计算需要重 新建立微分方程。 2.2 ADAMS 软件 2.2.1 ADAMS 软件介绍 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是美国前 MDI (Mechanical Dynamics Inc.)公司(现己被 MSC 公司收购)开发的机械系统动 力学仿真分析软件。ADAMS 软件是世界上占有率最高的机械系统仿真 MSS(Mechanical System Simulation)软件2。 它使用交互式图形环境和零件库、 约 束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统 动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进 行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。 ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载 荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件， 用户可以运用该软件非常方便 地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，它又是一种 虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和各种接口，可以作为特殊行业 用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发的工具平台。 2.2.2 ADAMS 软件模块简介 ADAMS 软件主要包括用户界面 ADAMS/View 模块、 求解器 ADAMS/Solver 模块、后处理 ADAMS/PostProcessor 模块、设计与分析 ADAMS/Insight 模块以 及轿车 ADAMS/Car 模块等98102，具体模块结构如图 2-1 所示。 (1)用户界面模块(ADAMS/View)。ADAMS/View 是以用户为中心的交互式 第二章 多体系统动力学基础 15 图形环境。它采用 Parasolid 内核进行实体建模，提供了丰富的零件几何图形库、 约束库和力库，并且支持布尔运算。同时将图标操作、菜单操作、鼠标操作与 交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X-Y 曲线图处理、结果分 析和数据打印等功能集成在一起。 (2)求解器模块(ADAMS/Solver)。ADAMS/Solver 是 ADAMS 处于心脏地位 的仿真器。它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动 力学的解算结果。ADAMS/Solver 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决 各种工程应用问题。 (3)后处理模块(ADAMS/Postprocessor)。 ADAMS/Postprocessor 用来处理仿真 结果数据、显示仿真动画等。既可以在 ADAMS/View 环境中运行，也可脱离 该环境独立运行。它采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解 扩展模块 专业模块 工具箱接口模块 界面模块 求解器 专业后处理 试验设计分析 振动分析 耐用性分析 液压系统 高速动画 模态分析 数字化回放 核心模块 轿车模块 概念化悬架 动力传动系统 驾驶员模块 经验动力学 柔性体生成器 轮胎模块 柔性环轮胎模 配气机构模块 铁道模块 虚拟试验工具 钢板弹簧工具 软件开发工具 履带/轮胎车辆 工具箱 齿轮传动工具 模态应力恢复 疲劳工具箱 飞机起落架工具 Pro/E 接口 图形接口模块 CATIA 专业接 口模块 控制模块 柔性分析模块 图 2-1 ADAMS 内部模快结构图 第二章 多体系统动力学基础 16 设计方案的有效性。 (4)设计与分析模块(ADAMS/Insight)。ADAMS/Insight 是基于网页技术的新 模块，利用该模块，工程师可以方便地将仿真试验结果置于 intranet 或 extranet 网页上，不同部门的人员都可以共享分析成果，精确地预测所设计的复杂机械 系统在各种工作条件下的性能，并提供了对试验结果进行各种专业化统计分析 的工具。 (5)轿车模块(ADAMS/Car)。ADAMS/Car 集成了在汽车设计、开发方面的 专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、 悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画 直观地再现在各种试验工况下(例如：天气、道路状况、驾驶员经验)整车的动力 学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数， 从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是进行物理样机试验的几分之一。 此外，还包括图形接口模块(Exchange)、控制模块(Controls)、动画模块 (Animation)、柔性模块(ADAMS/Flex)、线性分析模块(Linear)、驾驶员模块 (Driver)、轮胎模块(Tire)等。 2.2.3 ADAMS 软件设计流程 (1)创建模型。在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的部件(Part )， 它们具有质量、转动惯量等物理特性。创建部件的方法有两种：一种是使用 ADAMS/View 中的零件库创建形状简单的部件，另一种是使用 Exchange 模块从 其他 CAD 软件(如 Pro/E、UG 等)输入形状复杂的部件。创建完部件后，需要使 用 ADAMS/View 中的约束库创建两个部件之间的约束副(Constraint)，这些约束 副确定部件之间的连接情况以及部件之间是如何相对运动的。最后，通过施加 力(Force)和力矩(Torque)，以使模型按照设计要求进行运动仿真。 (2)测试验证。创建完模型后，或者在创建模型的过程