（光学工程专业论文）商用车驾驶室悬置系统模拟仿真及改进设计.pdf

中文摘要 本文根据企业实际需求，采用d o e 技术和计算机仿真分析相结合的方法， 对商用车驾驶室悬置系统进行了模拟仿真及改进设计。该研究不仅改善了原车 驾驶室悬置隔振系统的性能，而且为企业新产品的开发提供了参考依据。 论文首先对商用车驾驶室悬置系统模拟仿真分析及改进设计的课题背景和 研究的目的与意义进行了介绍，根据研究需要较详细的分析了国内外关于车辆 悬架系统和驾驶室的研究现状，认为开展关于驾驶室悬置系统仿真分析以改善 车辆平顺性的研究是必要和及时的。 在对研究现状分析的基础上，介绍了多剐体系统动力学的基础理论及其在 虚拟样机系统a d a m s 中的应用，并结合项目要求提出了基于多刚体动力学理 论和虚拟样机技术进行驾驶室悬置隔振仿真分析研究的方法。 随后对试验设计技术的相关理论，如因子水平的选取、试验的误差控制、 试验数据的处理和a d a m s 中的d o e 技术进行了详细阐述，并提出了将正交试 验设计技术与a d a m s 中计算机仿真分析相结合的研究思路，并对驾驶室悬置 系统的结构特点和影响汽车平顺性的结构因素进行了分析，在对模型进行一些 简化的基础上得到了整车的力学模型；在确定了该力学模型的各类参数并研究 了a d a m s 中的参数化分析方法后，在a d a m s v i e w 中建立了基于整车的驾驶 室悬置系统参数化仿真分析模型。 最后在a d a m s 中依次建立了d o e 参数化仿真所需的评价目标函数、参数 化仿真剧本、试验设计方案后，对驾驶室悬置系统和主悬架系统的刚度、阻尼 等设计参数进行了d o e 仿真分析研究。通过对仿真分析数据的处理和验证，提 出对原车参数匹配方案的改进设计方案，并据此进行了第二轮试验设计，结果 表明是必要和有效的。 本文的研究成果为采用现代计算机仿真技术进行商用车驾驶室悬置隔振系 统的研究提供了有价值的参考，同时也为d o e 技术在车辆平顺性研究方面提供 了良好的借鉴。 关键词：驾驶室悬置，试验设计( d o e ) ，仿真，平顺性，改进设计 a b s t r a c t t h ep a p e rp r e s e n t st h ea n a l y s i sm e t h o dw h i c hc o m b i n e sd o et e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt or e s e a r c ht h es i m u l a t i o na n di m p r o v e m e n to nc a b s u s p e n s i o no fc o m m e r c i a lv e h i c l ea c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e t h e r e s e a r c hn o to n l yi m p r o v e st h er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，b u ta l s o p r o v i d e st h ee n t e r p r i s ew i t ht h er e f e r e n c ea b o u t t h ed e v e l o p m e n to fn e w p r o d u c t s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dp u r p o s ef o rt h ep r o j e c to ft h e s i m u l a t i o na n di m p r o v e m e n to nc a bs u s p e n s i o no fc o m m e r c i a lv e h i c l e i ta n a l y z e st h e d o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c ha b o u ts u s p e n s i o ns y s t e ma n dc a bo fv e h i c l e sa n d i n d i c a t e st h a ti ti sn e c e s s a r ya n dt i m e l yt or e s e a r c ht h es i m u l a t i o np r o b l e mo fc a b s u s p e n s i o nt oi m p r o v et h er i d ec o m f o r to fc o m m e r c i a lv e h i c l e s e c o n d l y , t h ep a p e rr e c o u n t st h er e l a t e dt h e o r yo fd o et e c h n o l o g ys u c ha st h e c h o i c ef o rt h el e v e lo ft h ef a c t o r s ，t h ec o n t r o lo fe x p e r i m e n te r r o r ，t h et r e a t m e n to nt h e e x p e r i m e n td a t a i ta l s oe x p l a i n st h ed o et e c h n o l o g yi na d a m s a n dp u tf o r w a r da m e t h o dt or e s e a r c hb yc o m b i n i n gt h eo r t h o p l a nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i na d a m s a f t e rh a v i n gs t u d i e dt h es t m c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fc a bs u s p e n s i o na n d t h ee s s e n t i a le f f e c tt ot h er i d ec o m f o r t ，i ts i m p l i f i e st h er e a lv e h i c l ea n dg e t st h e m e c h a n i c a lm o d e l f o l l o w i n gt h i s ，a l lk i n d so fp a r a m e t e r sa r ed e c i d e da n dp a r a m e t r i c s i m u l a t i o na n da n a l y s i sm o d e lo fc a bs u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do nt h ew h o l ev e h i c l e i ss e tu pi n a d a m s e v e n t u a l l y , t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e st h ee v a l u a t i o nf u n c t i o n ，s i m u l a t i o ns c r i p t ， d o es c h e m e ，e t c a n dt h e np e r f o r m st h ed o es i m u l a t i o nt os t u d yt h ep a r a m e t e r c h o i c ea n dm a t c hb e t w e e nt h ec a bs u s p e n s i o na n dm a i ns u s p e n s i o ns y s t e m a f t e rt h e d a t ap r o c e s s i n ga n dv a l i d a t i o n ，t h ei m p r o v i n gs c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d b e s i d e s ， t h es e c o n dc i r c l ed o em n sa n di sp r o v e dt ob en e e d f u la n de f f e c t i v e t h er e s e a r c hp r o d u c t i o nc a nn o to n l yb er e f e r r e di nu s i n gm o d e mc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h ec a bs u s p e n s i o ns y s t e m ，b u ta l s oa tt h ea s p e c to f d o e t e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o no nt h er e s e a r c ho fv e h i c l er i d ec o m f o r t k e y w o r d s ：c a bs u s p e n s i o n ，d e s i g no fe x p e r i m e n t 0 e ) ，s i m u l a t i o n ，r i d e c o m f o r t , i m p r o v e m e n td e s i g n 2 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：量璺圈同期：丝堑：坐1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 一躲皿导”辱隰一移 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 本文结合我国某汽车大型汽车企业委托的实际科研项目“商用车驾驶室悬 置系统改进及应用平台开发”进行研究。该企业生产的某车型商用车驾驶室的 平顺性较差，且时有掉档现象，使该车型的销售情况受到较大影响，严重威胁 到该车型相关生产企业车辆及配套生产厂家相关产品的市场竞争力，甚至影响 到企业的生存和发展，故该企业迫切需要就该车型所存在的问题查找原因，对 该商用车的平顺性进行研究并提出改进设计方案，以适应市场需求，提高产品 的竞争力。 1 2 研究目的和意义 随着人们生活水平的上升和现代城市物流运输对商用车性能要求的提高， 人们在追求汽车安全性、可靠性的基础上，对商用车的乘坐舒适性有了更高的 要求。以前人们比较注重轿车的乘坐舒适性，对轿车的悬置系统进行了深入研 究；而对货车而言，主要是为了保证货物不受到损伤或损坏，对货车驾驶室的 乘坐舒适性考虑不多。随着商用车的轿车化设计理念逐渐深入，商用车驾驶室 的乘坐舒适性得到人们的臼益关注，而乘坐舒适性和平顺性有着密切关系，因 此驾驶室悬置系统的改进设计就被提到了研究领域。现在国内专门针对商用车 驾驶室悬置系统的研究相对还比较少，而在国外的相关领域已经有了较为深入 的研究成果。 本文的研究目的为通过对车辆驾驶室悬置系统进行仿真分析，找出现有车 辆平顺性差的原因，给出解决问题的方法，并对现有车型的驾驶室悬置系统提 出改进措施，找出合适的悬置系统参数匹配方案，进行车辆的改进设计，以改 善车辆平顺性，缩短和国外同类型车在平顺性上的差距，并为下一步进行新产 品的设计开发提供参考依据。 武汉理工大学硕士学位论文 本文的研究不仅可彻底解决驾驶室平顺性较差等问题，提高企业的产品竞 争力，改善企业的销售状况，增加企业的收入，使其具有良好的经济效益；而 且课题研究将采用现代计算机仿真技术，有助于提高企业商用车的设计水平， 缩短产品设计周期，增强企业对新产品的研发能力，最终有利于商用车的研究 由模仿阶段向能够自主开发出高质量产品阶段迈进，逐步缩短该方面研究与国 外的水平差距，具有积极的社会效益。 1 3 国内外研究概况 从我国宏观经济走势以及市场需求看，国家经济持续稳定的增长以及西部 开发、南水北调、奥运工程、大型水电和快速发展的高速公路网的联合作用带 动了物流业的快速发展，为商用车的发展尤其是载货车制造业的发展提供了巨 大的牵引力。有统计资料表明：近两年重型车的需求与日俱增，国内产销增长 速度保持在7 0 以上，仅2 0 0 1 年，全国2 2 家企业重型汽车产销量就达1 5 7 万 辆，同比增幅为9 1 ；在未来五年，重吨位商用车仍将成为市场主流车型，且 将保持高速增长态势，成为未来一个时期汽车业竞争的焦点之一。在世界市场 上，奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚和曼等公司代表了商用车发展的最新水平，国外 卡车的介入更刺激了中国卡车制造水平的提高，使得国内各商用车生产厂商必 须不断加大研发力度，开发出有针对性的新产品，才能把握市场主动权，适应 国际市场上多层次、多样化和个性化的用户需求倾向。 商用车驾驶室的悬置系统为整车悬架系统的子系统，对该子系统和主悬架 子系统综合考虑进行两者之间参数匹配是研究该问题的最佳途径。在国内，有 关商用车主悬架系统的研究内容可大致分为被动悬架和主动悬架两大方面。 关于被动悬架及其建模技术的研究中有专门针对车辆悬架中板簧的研究， 也有结合整车进行平顺性分析的，还有针对特定工况下如制动工况下进行车辆 平顺性的研究【1 6 】。1 9 9 5 年，吉林工业大学的冯振东、林逸、宋传学等人在对前 后主悬架刚度分析的基础上，对前后板簧进行了改进设计。1 9 9 7 年，重庆大学 的罗禹贡、李克强、徐中明等人采用变截面变刚度钢板弹簧作为悬架弹性元件， 对板簧进行了优化设计。2 0 0 3 年，吉林大学的秦民、林逸、马铁利等人使用动 力学分析软件建立了钢板弹簧主副簧仿真模型，讨论了主副簧的约束问题。2 0 0 3 年，北京工业大学的王国权、许先锋、王蕾等人把研究对象分为多个模块进行 2 武汉理工大学硕士学位论文 了平顺性分析，其中悬架模块的多片板簧被简化为一片主板簧或一片主板簧和 一片副板簧。2 0 0 3 年，北京工业大学的王国权、杨文通、许先峰等人对某车型 进行了研究分析，结果表明前悬架振动加速度的较大峰值是由板簧卷耳与转向 纵拉杆的干涉引起的，据此进行了结构参数的修改。 传统的被动悬架系统只是解决车辆的不同性能之间，即高的乘坐舒适性、 准确的操纵性和良好的行驶安全性之间在一定程度上存在矛盾的折衷方案。为 了更好地解决上述性能之间的矛盾，国外在6 0 年代提出了半主动、主动悬架的 概念，并在7 0 年代进入实用性研究阶段【1 4 】。半主动悬架系统包括一个普通弹簧 和一个并联的阻尼可调减振器，通过控制阀来调节阻尼，以改善与悬架刚度的 匹配。主动悬架是一个闭环控制系统，它通过各种反馈信息来实现悬架刚度和 阻尼的调节，能够根据车辆的运动状态和路面状况主动作出反应，以控制车体 的运动，使悬架始终处于最优的减振状态，因此能够很好地解决汽车舒适性和 操纵稳定性之间的矛盾。其中，主动悬架的执行机构选用高精度的液压伺服缸， 用较多的外部动力来控制执行机构，因而结构复杂，成本高。阻尼可调的半主 动悬架和主动悬架相比，控制效果较差，但结构简单，价格低廉，能耗低，故 应用较广。主动控制悬架的研究多采用随机最优控制理论或预瞄控制理论；而 悬架的半主动控制研究，一种办法是应用现代控制理论方法进行控制，建立汽 车的振动模型进行理论研究；另一种方法是根据行驶的路面条件对悬架参数进 行调节以控制振动。随着电子技术的发展，主动悬架的设想已成为现实并逐步 趋于完善。 在有关汽车平顺性的预测评估和汽车悬挂系统、驾驶室支承系统等的改进 设计和仿真过程中一般都要首先选用合适的动力学模型。最早进行车辆研究时 采用的整车模型都比较简单，简化较多，虽便于分析，但准确度不是太高。一 般来说，考虑车辆的实际情况的影响因素越多，模型自由度数目就越多，模型 也就越复杂。现在国内有关建立车辆振动系统模型的研究大多采用5 9 自由度 的整车动力学模型，以路面对前后车轮的箍机激励作为系统的输入，对系统的 时域响应和频域响应进行分析，从而对车辆的平顺性进行评价旧【1 8 】。五自由度 汽车模型考虑了汽车的路面不平度激励，但忽略了发动机激励，且不能反映汽 车在怠速工况下的振动情况，不适合作为多工况下汽车的平顺性仿真模型；八 自由度汽车模型可研究在路面不平度激励下，车轴、车身及座椅上各点的响应 及整个振动系统和多个环节的传递特性；九自由度汽车模型考虑了汽车的两种 武汉理工大学硕士学位论文 主要激励路面不平度激励和发动机激励，抓住了汽车的两种最主要振动一 一垂直振动和俯仰振动，能够比较准确地反映汽车的振动情况，且模型中用到 的汽车结构参数和路面参数都易于测量。华中科技大学高红华、陈学东等人在 2 0 0 3 年做了更详细的研究，建立了十三自由度人一椅一车系统的动力学模型对 汽车的振动源和人体对振动的反应进行分析，并模拟了汽车行驶时的振动特性 【1 5 】。2 0 0 3 年，武汉理工大学的张新塘、向阳对大客车这种自由度数很多的振动 系统，采用直接以人体群为研究对象的方法，将一个多自由度的汽车振动系统 进行简化，建立了相应的当量振动模型，进行了汽车平顺性的结构分析和设计 计算【矧。沈阳工业大学的王岩松等人采用分步线性化法对燕车振动进行时域模 拟和傅立叶谱分析，通过试验验证模拟方法的准确性，编写程序实现平顺性的 分析。此外，华中科技大学的杨波、王学林等人在2 0 0 3 年考虑了悬挂质量的弯 曲振动对多轴汽车整车平顺性的影响，提出多轴汽车不适合采用刚体模型进行 汽车平顺性分析，建立了汽车平顺性分析的柔性模型。在2 0 0 4 年，重庆大学 徐中明、张志飞等人建立包含车架弹性振动的1 5 自由度整车振动模型【1 9 l 。同年， 湖南大学的蒯行成、吴朝辉等建立了受多点位移激励的多自由度车辆振动模型 1 2 1 1 。虽然上述研究考虑自由度数目较多，考虑因素也比较多，但研究对象均不 是具有全浮式悬置驾驶室的商用车，只是具有主悬架系统的传统车辆。 关于阻尼控制的研究方面，2 0 0 3 年，徐中明、贺岩松等人提出了考虑俯仰 角振动的加速度阻尼控制方法，该方法具有传统的阻尼控制方法同等的振动控 制效果，并对建立的九自由度半挂汽车列车振动模型进行计算机模拟分析，显 著改善了驾驶室的乘坐舒适性【删。2 0 0 3 年，柳州克雷拉减振器公司的梁政、潘 俊斌等人在试验对比熏型载货汽车的两种相近车型悬架性能的基础上，对全浮 驾驶室匹配阻尼的外特性进行了反求设计1 1 3 】，取得了较好的效果，但其重点是 通过试验反求悬置阻尼，没有采用现代计算机仿真技术进行研究，也没有将驾 驶室悬置系统和主悬架系统综合考虑进行所有参数的匹配，因而对新产品的设 计具有较大的局限性。 近几年来随着重型载货车行业的竞争越来越激烈，汽车部件不断地更新换 代，更高质量、更安全、更舒适的产品不断推出，重型载货车的主要部件驾驶 室的研究也受到日益关注。关于驾驶室的研究可大致分为对驾驶室的结构强度 分析 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 2 7 1 和对驾驶室的隔振性能研究m 1 1 2 9 1 9 1 1 3 0 1 3 。1 9 9 4 年，同济大学的 余卓平、黄锡朋从改善汽车的振动性能，减小动态轴荷的观点出发，以减轻车 4 武汉理工大学硕士学位论文 辆对道路的损伤为目的，对汽车悬架进行了优化设计分析；1 9 9 5 年，东风汽车 公司技术中心的王有智采用有限元分析软件分析了某货车驾驶室后悬横粱开裂 原因，对几种可行方案进行计算和试验并提出了改进措施【2 1 9 9 6 年，长春汽 车研究所的谷安涛研究了平头车前翻式驾驶室的支承方式、驾驶室系统受力情 况以及车身地板开裂问题之间的关系1 2 4 j ；2 0 0 0 年，郑州日产汽车公司的王玉民、 纪金亮应用有限元分析技术对驾驶室及相关部件进行了静态和模态分析，采用 降低驾驶室后隔振支承橡胶块刚度、把驾驶室后支承方式由骑跨式改为随动式 等措施，较成功地解决了该车驾驶室的早期开裂问题【2 6 】；2 0 0 1 年，吉林大学高 云凯、吴淑杰采用有限元方法与实验模态分析技术，对轻型货车驾驶室和车架 的横向耦合振动问题进行了分析；2 0 0 3 年，吉林大学的罗世魁、王继新建立了 考虑橡胶减振块的某非公路自卸卡车驾驶室三维有限元模型，进行了驾驶室的 静强度分析及模态分析，得到典型工况下的驾驶室应力分布规律和驾驶室的前 1 0 阶固有频率及振型，得出静应力不会导致驾驶室强度破坏的结论【矧。 传统的驾驶室隔振系统采用橡胶支承结构，支承方式有三点式、四点式、 四点式高弹性支承及多点式，重型车通常使用四点和三点支承两类。合理的支 承应保证驾驶室在行驶过程中与车架联接牢靠、驾驶室有良好的乘坐舒适性， 且支承部件有足够的寿命。1 9 9 3 年，东风公司的王有智、王仕达、艾维全根据 车架在各种道路状况下扭转变形的实测结果，分析了驾驶室支承点的变形，并 在几种车型驾驶室支承形式对比分析基础上，对载重汽车驾驶室支承结构进行 了设计田j 。文献 2 9 1 分析了驾驶室支承姿态对驾驶室振动的影响，通过道路试验 表明改变支承姿态可以降低驾驶室的垂直和扭转振动。此外，在1 9 9 4 年，西安 公路学院的邵宗安、王晚枝、张维峰结合声一固耦合理论对车身结构与车内噪 声耦合进行分析，为降低由结构振动所引起的车内低频噪声提供了结构修改依 据。1 9 9 5 年，清华大学的胡师金在对几种不同车型的驾驶室支承结构进行对比 分析后，提出了适宜沙漠条件下运行的驾驶室支承结构方案。2 0 0 4 年，重庆大 学的徐中明、张志飞等人在建立整车振动模型的基础上，通过改进驾驶室悬架 参数使驾驶室的平顺性得到显著改善。与国外研究【6 3 l 例【7 4 】【7 5 l 相比，国内关于 驾驶室悬置系统的参数选择和匹配对平顺性影响的专门研究还没有报道。 与传统的橡胶隔振相比，动力总成液力悬置是一种新型的隔振元件，它的 研究在国外起于7 0 年代末8 0 年代初，它具有优良的动特性，可明显降低汽车 振动和车内噪声，提高乘坐舒适性，现在不仅在车辆的动力总成悬置部分上得 5 武汉理工大学硕士学位论文 到了广泛应用，而且在独立悬架与车身的连接处以及驾驶室悬置等重要隔振部 位也有应用。因此，它作为橡胶悬置的换代产品是汽车技术发展的必然趋势。 现在国外越来越多的卡车生产厂家的驾驶室悬置配置都舍弃传统的片式弹 簧或扭杆弹簧而采用行驶平顺性好的空气悬挂。因为在相同的载荷作用下，空 气弹簧可以得到比钢板弹簧低得多的振动频率，从而更好地提高行驶平顺性； 且空气弹簧具有变刚度特性，固有频率可以根据需要而适当地改变。所以空气 弹簧不仅可提供更加舒适的驾乘性能，还减少了对车辆和货物的振动，从而延 长了车辆零部件和驾驶室的寿命。另外，随着对重型载货汽车对路面破坏机理 的研究及认识进一步加深，以及政府对高速公路养护的重视，空气悬架在重型 车市场的应用也将进一步增加。由于空气悬架具有的优良性能，使得它在汽车 悬架系统中的应用越来越广泛。 减振器作为汽车悬架系统的一个重要组成部件，其工作性能的好坏直接关 系到汽车操纵安全性与乘坐舒适性，所以减振器的技术发展与理论研究也引起 了人们的广泛关注。汽车悬架减振器技术发展历史大致经历了三个发展阶段： 2 0 世纪6 0 年代以前是定阻尼参数减振器阶段，之后随着汽车技术的迅猛发展， 人们对可调减振器性能认识的进一步深入，各种减振器技术不断涌现，焦点主 要集中在对油液阻尼器节流孔流量的变化控制方面。2 0 世纪8 0 年代以来，计算 机技术在汽车工程领域得到了广泛应用，特别是高级轿车的智能化发展，光电 传感器及超声波传感器在汽车技术发展方面发挥了巨大作用，从而逐步实现了 减振器特性的智能化可调和实时可调。到目前为止，可调阻尼减振器形式已有 多种，如涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应式减振器、压电阻式减 振器、磁流变体可调阻尼减振器、电流变体可调阻尼减振器、节流口可调阻尼 减振器等。我国研究人员主要致力于后三种阻尼可调减振器的研究，特别是减 振液粘度的可调性方面。近年来，采用磁流体作为减振液，通过控制磁场强度 达到调整减振器特性要求的磁流变阻尼器的研究逐步深入，其阻尼调节性能较 电流变流体的调节性能为好，现在已有对应用了这种阻尼器的车辆进行建模及 平顺性分析的研究【3 1 l p 笛。 由于汽车的工作情况和外界作用载荷的复杂多变，汽车动力学研究中的建 模、分析及求解一直困扰着研发人员。在多体动力学理论出现之前，由于受理 论方法和计算手段的限制，在许多情况下不得不对模型做较多的简化，使得汽 车的许多重要特性无法得到较为精确的定量分析，从而使理论研究和实验之间 6 武汉理工大学硕士学位论文 存在一定程度的偏差，而计算机技术的迅猛发展使得多体系统动力学成为汽车 动力学研究的一个方便快捷的手段。 国外关于汽车动力学的研究工作开展较早，研究的力学模型逐渐由最初的 简单的线性模型发展到较复杂的非线性多体系统模型，模拟计算也由稳态响应 特性的计算发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的计算。到上个世纪8 0 年代初， 不仅出现了许多通用软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还出现了针对汽 车某一类问题的专用软件，研究的范围也从局部结构扩展到整车系统，涉及到 汽车系统动力学的各个方面。到8 0 年代中期，多体系统动力学在汽车中的应用 得到迅猛发展，也使得一些商用化的多体系统分析软件相继出现，如c a m s 、 d i s c o s 、a d a m s 、d a d s 、n u c a r s 等。目前，国内外各主要汽车生产厂家 和研究机构安装使用了大量的以a d a m s 为代表的多体系统动力学分析软件， 并与有限元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了一个研发系统，在汽 车设计开发中发挥了重要的作用。 综上所述，国内对于重型货车的平顺性研究大多是关注主悬架系统对整车 振动的影响情况或如何在车辆上应用控制理论以使平顺性更好，关于商用车驾 驶室隔振的研究多限于对传统的驾驶室支承方式的研究，而关于利用现代计算 机仿真技术研究全浮式驾驶室悬置系统对平顺性影响的工作还未见报道，对综 合考虑驾驶室悬置系统和主悬架系统的参数选择和匹配还很少见，改进设计研 究还多处于通过实验反求国外车型的模仿阶段，现代理论设计结合试验分析还 有待深入发展，设计分析工具相对国外还比较落后，缺乏先进实用有效的驾驶 室悬置系统开发平台。近年来对重型货车的消费需求水平的不断提高决定了其 产品设计必须不断的改进。本课题根据企业的现实需要以及我国在全浮式驾驶 室悬置系统研究现状和发展趋势开展研究工作，因此有着较大的实际意义和发 展前景。 1 4 本文的研究内容 根据项目的具体要求和国内外研究现状及现有条件，本文将开展如下几个 方面的研究工作： 1 商用车驾驶室悬置结构分析，了解悬置结构的特点； 2 汽车整车振动仿真分析模型的建模研究，探索在a d a m s 中建立能够反 7 武汉理工大学硕士学位论文 映该研究车型悬架力学特点的整车模型； 3 研究在a d a m s 中进行整车模型的参数化仿真分析的具体实现过程。 4 研究d o e 技术及其在a d a m s 中的实现过程，探索在a d a m s 中将振 动仿真分析方法与d o e 技术相结合实现车辆平顺性的改善； 5 在a d a m s 中进行整车的振动仿真分析，根据仿真分析数据处理结果确 定驾驶室悬置系统与主悬架系统各个参数的最优匹配。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章多体动力学基础理论及基本方法分析 根据国内外现状和企业的具体要求，在基于整车的驾驶室悬置系统模拟仿 真及改进设计研究中，不考虑主要部件如车架、车身和前后桥的弹性，以多刚 体动力学理论作为研究的理论基础。本文利用基于多体动力学的虚拟样机系统 a d a m s 作为分析工具，并结合试验设计( d o e ) 技术进行仿真和改进设计。因 此，对多体动力学的基础理论和a d a m s 软件的特点进行分析，有益于仿真计 算模型的建立和仿真参数的设定，提高计算精度和效率。 2 1 多体系统动力学概述 多体系统动力学是研究多体系统运动规律的学科，包括多刚体系统动力学 和多柔体系统动力学。多体系统动力学是在经典力学与计算机相结合的基础上 发展起来的，在发展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- e 7 具有广泛用途的新兴力学分支。 多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接组成，其结构和连接方式 的多样性决定了动力学方程式一般都是高阶非线性方程，这种方程目前只能通 过计算机用数值方法进行求解。 多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统。刚体之间 以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或 非定常约束。研究多体系统动力学，需要建立非线性运动方程、能量表达式、 运动学表达式以及其他一些公式。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的 系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。目前应用于多刚体系 统动力学的方法主要有以下几种：牛顿一欧拉法、拉格朗日方程法、图论法、 凯恩方法、变分方法、旋量方法等。 多柔体系统动力学的研究对象是由刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动 力学以多刚体系统动力学的研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，因 此可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。在机械系统中，常用的柔体处理 9 武汉理工大学硕士学位论文 方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果 与多刚体的研究方法相结合，最终得到整个系统的动力学方程。目前用于多柔 体系统动力学可分为三类：第一类为牛顿一欧拉向量力学法，第二类为以拉格 朗日方程为代表的分析力学法，第三类为基于高斯原理等具有极小值性质的极 值原理法。 在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般要经过如下步骤： ( 1 ) 实际系统的多体模型简化。 ( 2 ) 自动生成动力学方程。 ( 3 ) 准确的求解动力学方程。 2 2 多体系统模型的简化 多体系统将外界复杂的研究对象经过理论抽象，简化为四类要素：物体、 铰、外力( 外力矩) 、力元。 多体系统中的构件定义为物体。首先，多体系统力学模型中物体的定义并 不一定与具体工程对象中的零部件一一对应，它的定义与研究目的有关。在运 动学分析中，通常将对其运动性态特别关心的零部件定义为物体。在动力学分 析中，物体的惯量特性是影响系统的重要参数，对那些惯量比较小且可忽略不 计的零件，可不作物体定义。对于静止不动的零部件，通常可定义为系统运动 的参考系，不一定将其定义为多体系统中的一个物体。其次是关于对物体性质 的假定。对于低速运动的实际工程对象，其零部件的弹性变形并不影响其大范 围的运动性态。在这种情况下，系统中的物体可作刚体假定，这样的多体系统 称为多刚体系统。对于大型、轻质机械系统在高速运行的工况下，由于零部件 的大范围运动与构件的弹性变形耦合使得其动力学性态越来越复杂。在分析这 类系统动力学时，物体必须作柔性体假定，这类力学模型称为柔性多体系统。 如果整个系统中部分物体仍可作刚体假定，则构成的力学模型为刚柔混合多体 系统，它是多体系统中最一般的模型。 在多体系统中将物体间的运动约束定义为铰，它是无质量的，其物理背景 就是实际工程对象中机构的运动副。铰可以限制物体间的运动使其具有某种特 定的相对运动关系，这种约束的力学抽象即为铰。 多体系统外的物体对系统中的物体的作用力定义为外力( 外力矩) 。重力就 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 是一种典型的外力。在外力矩的定义中，对于刚体而言，外力矩的作用与作用 点无关，而对于柔性体，外力矩的作用与作用点有关。此外，如果在实际的工 程对象中外力作用的零部件没有作物体的定义，则在多体系统的力学模型中应 定义外力作用在等效的点上。 在多体系统中物体间的相互作用定义为力元。在实际的工程对象中，零部 件间的相互联系一种是通过运动副，另一种通过力相互作用。两者的本质差异 在于，前者限制了相连物体的相对运动的自由度，后者却没有这种限制。在实 际工程中，力元的作用也是通过器件实现的。如两物体间的线弹簧阻尼器，如 果不计其质量，则在多体系统中的力学模型即为力元。 物体间的相互作用既可通过运动约束( 铰) 来限制，也可以通过力来限制。 约束和力是等价的。实际机械系统多体动力学模型定义取决于研究的目的，模 型定义的关键以能揭示系统运动学与动力学性态的最简模型为优。 2 3 多刚体系统动力学的基本方程 多刚体系统动力学理论是建立在三大动力学方程的基础上的，即 ( 1 ) 牛顿一欧拉方程 设某刚体的相对点为d ，则牛顿一欧拉方程在惯性空间上的坐标阵形式为： d 丛+ o y j 0 型一m d ( 2 1 ) 其中，艇。为作用在系统各质点上的外力对于点d 的主矩：丛为刚体角速度矢 量在连体基上的坐标阵；上。为惯量张量在连体基上的坐标阵，称为刚体相对点 d 的惯量阵。 ( 2 ) 拉格朗日方程 质点系动力学方程也可用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程描述，即： 幽+ 骘丝- 醴 ( 2 - 2 ) 其中，笔t p 为拉格朗日乘子，为外力主矢；塑为刚体的质量；百为位移二阶 导数。如果将方程( 2 2 ) 与质点系的经典牛顿方程比较，不难看出，含拉格朗 日乘子的物理意义为作用于系统的理想约束反力的贡献。 ( 3 ) 刚体动力学普遍方程 对由i 个刚体组成的质点系，若用e o 与m ? 表示作用于第f 个刚体质心上的 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 外力主矢与主矩，用慨表示刚体的质量，用，；表示刚体的主惯量矩，用q 表示 角速度，用庀表示速度，用a p 表示刚体间相互作用的内力与各刚体非理想约束 反力对于质点系任意速度所作的元功率之和，则刚体动力学普遍方程可表示为： n 罗 a ，。( 一，吩礼+ e o ) 】+ a o 口, ( - j f 畦一q + o ) 】+ a _ p 一0 ( 2 3 ) 箭 所有的多体动力学问题最后都归结为建立上述多体动力学方程，然后进行 求解。利用计算机进行求解多刚体动力学方程属于计算多刚体系统动力学的范 畴。根据建立方程和求解方法的不同，计算多刚体系统动力学有两种方法：即 多刚体系统动力学的拉格朗日数学模型及算法和多刚体系统动力学的笛卡儿模 型及算法。前者所建立模型的特征是以多刚体系统中各铰的相对坐标为描述系 统的位形坐标。后者所建立的模型的特征是以多刚体系统动力学中相对于同一 个笛卡儿坐标系来定义刚体的位形。这种差异表明多刚体系统动力学的笛卡儿 方法采用的是与拉格朗日方法完全不同的模式处理系统运动学和动力学问题。 应用多体系统动力学研究汽车系统动力学问题是一种高效率的分析方法， 但由于其精度高，模型复杂，在解决实际问题时如果处理不当，将使工作量大 大增加，且常常得不到满意的结果，应用时要根据具体情况和所研究的问题性 质选择最有效的分析方法。 2 4 基于多体动力学的虚拟样机系统a d a m s 2 4 1a d a m s 简介 目前利用多体动力学理论进行计算分析的系统应用相对广泛的是a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，该软件是由美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的著名的虚拟样机分析软件。它一方面是虚拟 样机分析的应用软件，可以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 为特殊行业用户建立特殊类型虚拟样机分析的二次开发平台。 a d a m s 软件可分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口模块和工具 箱等几大模块。其中核心模块包括剐) 舢讧s v i e w 、a d a m s s o l v e r 和 a d a m s p o s t t ) r o c e s s o r 等。功能扩展模块主要包括a d a m s d m ur e p l a y 、 武汉理工大学硕士学位论文 a d a m s 仍u r a b i l i t y 、a d a m s i n s i g h t 、a d a m s h y d r a u l i c s 、a d a m s 朋b r a t i o n 、 a d a m s a n i m a t i o n 、a d a m s l i n e a r 和a d a m s a u t o f i e x 等。专业模块主要有 a d a m s c a r 、a d a m s a i r c r a f tl a n d i n gg e a r 、a d a m s e n g i n e 、a d a m s t i r e 、 a d a m s r a i l 、e d m 、a d a m s f i b g 和a d a m s f i g u r e 等。与其它软件的接口模 块主要包括a d a m s f l e x 、a d a m s e x c h a n g e 、a d a m s c o n t r o l s 、c a t a d a m s 、 m e c h a n i s m p r o 等。工具箱主要包括v m u a lt e s tl a b 、m o d a ls t r e s sr e c o v e r y a n d f a t i g u et o o l k i t 、l e a f s p r i n gt o o l k i t 、t r a c k e d w h e e l e dv e h i c l e 、a d a m s g e a r t o o l 、a d a m s s d k 、a d a m s m o t o r c y c l et o o l k i t 和a d a i v l s t r u c kt o o l k i t 等。 在上述各模块中，本文用于分析商用车驾驶室悬置隔振系统的模块有 a d a m s v i e w 、a d a v l s s o l v e r 、a d a m s p o s t p r o c e s s o r 和a d a m s v i b r a t i o n 。 其中，利用a d a m s ，v i e w 建立车辆的分析模型，用a d a m s v i b r a t i o n 进行包括 随机振动在内的振动分析，用a d a m s s o l v e r 进行求解，用a d a m s p o s t p r o c e s s o r 进行后处理，得到各种响应曲线。 2 4 2 a d a m s 中的多刚体动力学方程 a d a m s 根据机械系统模型，自动建立系统的拉格朗日运动方程，对每个刚 体，列出六个一阶动力学方程( 将力与加速度相联系) 为： 磊d 司o k 嵩+ 砉母。 沼4 ) 0 = 1 ，2 ，6 ) q 置o ，) ，z ，妒，口，妒) 7 列出六个一阶运动学方程( 将位置与速度相联系) 为： 七一圪；0 夕一k 一0 2 一矿一0 妒一- 0 口一一0 驴一，0 ( 2 5 ) 此外，还有约束代数方程、外力定义方程和自定义的代数微分方程，依次为： 妒( 亩，q ，f ) 一0 ( 2 6 a ) f ( n ，u ，q ，f ) - 0 ( 2 6 b ) 武汉理工大学硕士学位论文 d i f f ( 正，u ，q ，f , t ) 一0 ( 2 6 c ) 其中q 为笛卡儿广义坐标，“为广义坐标的微分，f 由外力和约束组成，t 为时 间。令y b “】r 为状态向量，于是系统方程可写成 g ( y ，夕，t ) t0 ( 2 - 7 ) 2 5 利用a d a m s 进行驾驶室悬置隔振研究的方法和过程 虽然a d a m s 采用多刚体动力学理论进 行虚拟样机的仿真分析是有效的，但要充分利 用它进行驾驶室悬置隔振系统的研究还有许 多具体工作要做。本文提出了将基于a d a m s 的虚拟样机仿真技术、d o e 设计功能和正交 试验技术相结合进行仿真分析和改进设计的 方法，具体研究过程如图2 - 1 所示。 在研究过程中，对整车模型进行参数化是 进行下一步d o e 设计的前提条件。在模型参 数化过程中，参数的提取好坏对参数化建模的 精度和效率有着重要的影响。为了保证建模的 顺利进行，对a d a m s 提供的参数化建模的 基本功能及其可操作性进行了解和分析是必 须的。 有了良好的参数化模型后，就可以进行下 一步的d o e 设计。在a d a m s v i e w 中，d o e 设计的试验方案设计功能有一定的局限性，因 此在a d a m s 的d o e 分析中有针对性地增加 新的策略，有助于提高计算效率和得到更好的 计算结果。本文采用正交试验技术和a d a m s 中的d o e 技术相结合的策略，不仅满足了实 际设计要求，而且扩充了a d a m s 的d o e 功 能。对于正交试验技术也有很多的具体细节， 需要针对项目需求进行具体分析。 1 4 。，!l：一 车辆结构