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越野车操纵稳定性和平顺性仿真及应用研究 摘要 随着科学技术的发展，人们对汽车性能的要求越来越高。在竞争日益激烈 的情况下，采用新技术、新方法已成为提高产品竞争力的主要途径。a d a m s ( a u t o m a t i c 功瑚m i c a n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是当今应用最为广泛的机 械系统动力学分析软件，其集建模、仿真、优化等于一体，可以缩短产品开发 周期、降低开发成本、提高产品质量，从而达到提高产品竞争力的目的。 文章针对简式国际汽车设计( 北京) 有限公司的一款越野车a 2 0 0 ，利用 a d a m s a 啵软件，建立了包括车身、前后悬架、转向系统、轮胎、横向稳定 杆等系统在内的整车多体模型。并对各部件之间的运动和联接做了深刻的分析 在建立合理准确模型的基础上，首先，研究了该车悬架运动学特性定位参数随 车轮中心变化时的变化规律；其次，结合实际车辆试验标准，在不同环境模式 下，对车辆操纵稳定性和平顺性的时域响应和频域响应进行了大量的计算和仿 真，参考相关方法对试验结果进行了评价计分。 研究结果表明，该车在悬架、转向、车身等初始参数匹配状态下整车操纵 稳定性和平顺性较好，仿真实验结果数据为评估，改进，优化同型车辆提供了 重要的理论参考。该课题研究为整车的设计开发开拓了更加科学的方法，解决 了一些汽车运动学和动力学难题，从而提高了设计水平，为提高我国汽车工业 产品自主开发能力做出了一定的贡献。 关键词：汽车，虚拟样机技术，a d a m s ，操纵稳定性，平顺性 s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho fo f f - r o a dv e h i c l e sh a n d l i n g s t a b i l i t ya n dr i d ep e r f o r m a n c e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo f a u t o m o b i l em u s tb em o r ea n dm 嘴p e r f e c tt om e e th u m a n sn e e d 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 f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) i sas i m u l a t i o ns o f t w a r eo f m e c h a n i c a ls y s t e mu s e dm o s t 谢d e l yi nt h ew o r l d a n di ts y n t h e s i z e sm o d e l i n g , s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ne t c i tc a nb eu s e dt os h o r t e nt h et i m ea n dr e d u c et h e c o s to f r e s e a r c ha n dd e s i g n 硼艟a r t i c l ea i m sa ta 2 0 0o f f - r o a dv 出c l eo fj a s m i ni n t a n a t i e n a la u t o r & d 0 3 刨i n g ) c o ，l t d , u s i n ga d a m s c a r , t h e a r t i c l eb u i l d saw h o l ev e h i c l em o d e l t h a tc o n t a i n sb o d y , s u s p e n s i o n , s t e e r i n g - s y s t e m , t i r e sa n ds t a b i l i z eb a re t c o f c o u r s e , t h ec o n n e c t i o na n dc o r r e s p o n d i n g l ym o t i o ns h o u l db ea n a l y z e dt h o r o u g h l y , a n dg e t a c c u r a t ed a t aa s a sp o s s i b l e f i r s t 。u n d e rt h er i g h ts i m u l a t i o nm o d e l ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e so fs u s p e n s i o ns y s t e ma r oi n v e s t i g a t e d w oo b t a i nt h ec u r v 髂o ft h e s u s p e n s i o nw i t ht h ec h a n g eo f t h ew h e e lc e n t e r t h e nal a r g eo f s i m u l a t i o n sh a sb e e n c a r r i e do u tu n d e rt h es t a t es t a n d a r d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e a r e9 0 0 dw i t ht h ei n i t i a ls u s p e n s i o np a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o n sr e s u l t sp r o v i d e i m p o r t a n tr e f e r e n c ef o re v a l u a t i n g , i m p r o v i n g , o p t i m i z l n gt h e8 a l l l ct y p eo fv e h i c l e w ef i n eo u tag o o ds c i e n t i f i cm e t h o df o rt h ef u l l - c a rd e s i g n , s o l v e8 0 m ed i f f i c u l t y p r o b l e mo fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo fd e s i g n w om a k e $ o m cp r o g r e s si ni n d e p e n d e n c ed e s i g na b i l i t yo f o u rv e h i c l ei n d u s t r y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ；v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；a d a m s ) h a n d l i n gs t a b i u t y ； m d ep e r f o r m a n c e 插图清单 图3 - i 整车系统建模示意图。6 图3 - 2 整车坐标系8 图3 3 前独立悬架简化模型l o 图3 4 横向稳定杆简化模型1 1 图3 - 5 减振器模型特性曲线1 1 图3 - 6 转向系拓扑结构图1 2 图3 7 转向机构简化模型1 3 图3 8 车身简化模型1 3 图3 - 9 发动机简易仿真模型1 4 图3 1 0 发动机的特性曲线1 4 图3 1 1 发动机特性文件。1 5 图3 1 2 用a d a m s i e a f s p r i n g 模块建立的三片钢板弹簧。1 6 图3 1 3 板簧垂直刚度曲线。1 6 图3 1 4b 级路面不平度曲线1 8 图3 1 5 在a d a m s 中生成的b 级路面模型1 8 图3 1 6 越野车a 2 0 0 整车动力学模型1 9 图4 - 1 前轮悬架定位参数的变化曲线2 3 图4 - 2 侧倾角刚度和悬架刚度2 5 图4 3 前悬架量制动点头和加速抬头量变化曲线2 5 图“稳态转向仿真质心运动轨迹2 8 图4 - 5 稳态回转仿真车速、侧向加速度和方向盘转角的时间响应2 8 图禾6 稳态转向仿真前后轴侧偏角之差与侧向加速度的关系2 9 图4 7 稳态转向仿真车身侧倾角与侧向加速度关系2 9 图4 8 转向瞬态响应仿真试验测量变量示意图3 2 图4 9 瞬态转向仿真质心运动轨迹3 4 图4 - 1 0 瞬态转向仿真各个测量值曲线3 4 图4 - 1 2 瞬态转向仿真横摆角速度响应3 5 图4 - 1 3 瞬态转向仿真侧向加速度的时间响应。3 5 图4 - 1 4 瞬态转向仿真横摆角速度响应时间与稳态侧向加速度关系3 6 图4 - 1 5 瞬态转向仿真侧向加速度稳态响应与转向盘转角算关系3 7 图4 - 1 7 侧向加速度响应与稳态侧向加速度关系3 7 图4 - 1 8 瞬态转向仿真“汽车因素”与稳态侧向加速度关系3 8 图4 - 1 9 瞬态转向仿真横摆角速度总方差与稳态侧向加速度关系。3 8 图4 - 2 0 瞬态转向仿真侧向加速度总方差与稳态侧向加速度关系3 8 图4 - 2 1 转向盘角脉冲仿真试验转向盘转角输入4 0 图4 - 2 2 转向盘角脉冲仿真试验横摆角速度响应4 0 图4 - 2 3 转向盘角脉冲仿真幅频相频特性图4 l 图4 2 4 瞬态转向仿真质心运动轨迹4 4 图4 - 2 5 瞬态转向仿真试验车速 4 5 图4 - 2 6 瞬态转向仿真转向盘作用力矩曲线。4 5 图4 - 2 7 瞬态转向仿真方向盘转角曲线4 5 图4 - 2 8 转向回正仿真质心运动轨迹。4 7 图4 - 2 9 转向回正仿真汽车行驶车速4 7 图4 - 3 0 转向回正仿真横摆角速度响应。4 8 图4 - 3 1 转向回正仿真方向盘转角输入4 8 图4 - 3 2 转向回正仿真横摆角加速度响应4 8 图4 - 3 3 蛇行仿真质心运动轨迹5 0 图4 - 3 4 蛇行仿真方向盘转角输入。5 1 图4 - 3 5 蛇行仿真横摆角速度响应。5 1 图4 - 3 6 蛇行仿真车身侧倾角。5 i 图4 - 3 7 蛇行仿真侧向加速度。5 l 图4 - 3 8 蛇行试验平均转向盘转角与车速关系5 2 图4 - 3 9 蛇行试验平均横摆角速度与车速关系5 3 图4 - 4 0 蛇行试验侧倾角与车速关系。5 3 图4 - 4 1 蛇行试验平均侧i 句_ 加速度与车速关系 5 4 图5 1a 2 0 0 平顺性仿真不同车速质心处垂直加速度5 9 图5 - 2a 2 0 0 平顺性仿真在7 0 k m h 时车身振动频率5 9 图5 3a 2 0 0 平顺性仿真驾驶员座椅位置垂直方向的加速度6 0 图5 - 4a 2 0 0 平顺性仿真后排左侧座椅位置垂直方向的加速度6 0 图5 5a 2 0 0 平顺性仿真后桥质心位置垂直方向的加速度6 0 图5 - 7 驾驶员位置的垂直加速度对比。6 1 图5 8 后排左侧座椅位置的垂直加速度对比6 l 表格清单 表3 - 1a 2 0 0 越野车的整车参数表9 表3 2 前悬架约束类型及数目1 0 表3 3 减振器特性试验数据l l 表3 4a d a m s 轮胎类型概述。1 6 表3 5 轮胎特性参数1 7 表3 6 路面不平度系数1 7 表4 - 1 瞬态转向仿真方向盘预选位置3 3 表4 - 2 按国标规定计算瞬态转向仿真各测量值3 6 表4 - 3 幅频相频特性表4 1 表4 - 4 转向盘角脉冲仿真角脉冲评价参数表4 1 表4 - 5 瞬态转向仿真计算结果表4 6 表4 - 6 转向回正仿真计算数据表4 8 表4 - 7 蛇行试验数据表5 l 表4 8 汽车操纵稳定性评价计分结果总表5 5 表5 - 1l ，和口，与人体主观感觉之间的关系5 8 表5 - 2a 2 0 0 与陆霸平顺性比较6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目b 王些太堂 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 并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字醐：叼年肘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王业盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴做储戤。研 签字醐5 叩“肘日 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 导师签名： 签字日期：扣1 年6 月匕日 电话： 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，白始至终得 到了我的导师钱立军教授的细心指导，由衷感谢钱老师在学业指导及各方面所 给予我的关心，老师广博的学识、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将 使我终身受益，并激励我勇往直前 感谢简式国际汽车设计( 北京) 有限公司的有关领导提供我一个很好的学 习机会。在公司做课题的一年多时间里，公司的副总吴阳年老师、马恒永老师 和整车部的领导和同事从学习、生活和工作上所给予我很大的帮助。他们的渊 博的学识和丰富的实践经验以及解决分析问题的思路，严谨的工作态度，使我 永远受益，终生难忘在此向他们表示崇高的敬意和衷心的感谢。 真诚感谢0 4 级2 4 班的全体同学在我课程学习和论文撰写期间，给予我的 大力支持，是他们伴随我度过了这人生中最美好的三年，祝愿我们的友谊地久 天长 同时，感谢河北工业大学硕士生崔士斌、中国农业大学硕士生彭昌坤、北 京航空航天大学硕士生洪四华、北京林业大学硕士生程铭和许春雷、师弟关长 明、葛雄飞和董金富，在公司成立a 也科室期间，是他们支持我的工作。克服 种种难关，认真完成各项艰巨任务。 对我的父母、亲人和所有关心我的老师、朋友们在我攻读硕士学位期间给 予的帮助、支持和鼓励，在此表示深深的谢意。 作者：黄伟 2 0 0 7 年5 月1 2 日 第一章绪论 1 1 引言 当今世界汽车工业迅猛发展，汽车已经成为人们日常生活和工农业生产中 不可缺少的重要交通工具而随着汽车的普及，人们对汽车要求也越来越高， 在获得良好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，只有通过对汽车系统动力学的深入研究才能实现，在这一领 域中，用模型分析是一种重要的方法，尤其在计算机工业高度发达的今天，在计 算机上进行仿真分析是一种既现实又经济的方法。而我们所建立的汽车模型【l 】应 该说也经历了一个从简单到复杂、从粗糙到精确的过程【2 】。因此，各国学者在 这一领域中研究的传统方法是通过试验或人为地把汽车各个子系统加以简化， 抽取出能够代表系统或总成特性的本质因素，建立起较简单的数学和力学模型 进行求解，并把求得结果进行验证。经过学者们的努力，力学模型逐渐由线性 模型发展到非线性复合参数模型，模型的自由度由两个发展到数十个。但这类 模型中，许多总成是通过试验或人为简化的，获得的参数一般都是系统的静态 和准静态试验参数，与汽车实际运动状态中的动态参数有一定的误差，所以， 要想得到高精度的模型，就要经过反复试验、修改和验证，但是工作周期较长 近2 0 年来发展起来的多体系统动力学理论为建立多自由度汽车动力学模 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，将汽车悬架系统 的每一部分看作是刚性体或弹性体。整个模型自由度可达上百个，更全面的描 述了汽车各个子系统的运动及相互耦合作用，可用于汽车操纵性、动力性、舒 适性等研究。以多体系统动力学理论为基础编写的大型通用软件为工程技术人 员提供了方便快捷的建模手段。应用大型通用软件能自动生成运动学和动力学 方程，并利用软件内部的求解器准确求解，不需要人工建立求解方程，因而可 以节省大量时间，提高工作效率 3 1 。 1 2 车辆动力学国内外研究现状 近年来，随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，在机械系 统仿真o a s s ) 领域，国外研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软 件，如a d a m s 和d a d s 等所谓m s s 技术，即把分散的零部件设计与分析 技术结合在一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的 反馈信息来指导设计。其中由美国机械动力公司开发的a d a m s 软件最有代表 性，它采用虚拟样机技术，将大位移、非线性分析求解与使用方便的用户界面 相结合，并提供与其他c a e 软件如控制分析软件m a t l a b 、有限元分析软件 a n s y s 等的集成扩展设计手段a d a m s 是当前求解机械系统空间位移运动学 的主要软件，在汽车、航空、机器人等领域有广泛应用。其在汽车行业的使用 率达到了4 3 t 4 ；，该软件在为客户提供的通用平台( a d a m s v m w ) 同时，还专 门提供了用于车辆分析的专门模块( a d a m s c a r ) ，使用起来非常方便。 国外早就开始应用虚拟样机技术，并形成了一系列商用化和功能化的虚拟 样机仿真系统软件，这就是汽车领域运用功能化虚拟样机新技术的大趋势。美 国福特公司早在2 0 世纪7 0 年代就已在其开发的轻型车上采用了这样的技术， 之后，通用公司、克莱斯勒公司以及德国、日本等国的汽车公司，都纷纷开始 研究与运用虚拟样机技术各大汽车公司已经拥有二次开发的a d a m s c a r 系 统用于整车的设计与开发。目前，这些先进的汽车设计公司都已将虚拟样机技 术广泛应用在新产品开发，该技术已从研究和支持发展成为产品开发中的成熟 技术【4 】。 国内从七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的 研究，研究工作集中在平顺性、操纵稳定性能指标的评价方法、实验方法及操 纵稳定性的模型建立、模型的计算、性能预测和优化设计方法等。力学模型从 七十年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转 向在内的三至五自由度乃至十三自由度的非线性模型，其功能也从对汽车操纵 稳定性的稳态和瞬态响应的分析，发展到汽车转向制动性能的分析 5 1 。 从八十年代中后期开始，我国的部分高等院校相继将多刚体系统动力学方 法，引入到汽车运动学和动力学研究中，其中在应用多体动力学开展汽车动力 学研究较多的著名高校有吉林工业大学、清华大学、上海交通大学、北京理工 大学、同济大学等。至今为止，研究领域也从开始的刚体系统的运动学研究扩 展到包含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国的汽车制造 企业在开发具有自主知识产权的汽车中起到了指导性作用，并在每两年举行一 次的车辆界最高学术会议一际车辆动力学会议上发表了许多有价值的论文。 1 9 8 6 年，吉林工业大学的温吾凡等人利用多刚体系统动力学方法，对二维 刚体系统进行运动学分析，并编制了一个人机对话型的分析程序 6 1 1 9 8 9 年，吉林工业大学的林逸利用r - w 方法，建立了对汽车悬架中的单横 臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序【7 】 1 9 9 2 年，清华大学的张海岑采用多刚体动力学的n e w t o n - e u l e r 方法，建立 了汽车列车的七十四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，深入研究了汽车列车的操纵稳定性和制动性【引。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多刚体系统动力学方法，应用a d a m s 软 件，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车 中柔性元素( 橡胶减振元件) 对动力学性能的影响【们 2 0 0 2 年，中国农业大学王国权采用两种方法建立了车辆平顺性分析的动力 学模型：8 自由度车辆平顺性分析的微分方程模型，考虑了驾驶员和车身的侧倾， 2 结合随机路面激励的时域模型，在h 级路面输入条件下，进行了时域仿真求解， 得到车辆和驾驶员在汽车坐标系中各个方位上随时间历程的运动位移；利用 a d a m s 软件建立了5 9 6 个自由度的卡车虚拟汽车模型，全面地考虑了影响平 顺性的各种因素，然后通过对路面功率谱的变换生成适合于a d a m s t i r e 的路 面文件，实现了整车样机在随机输入激励下，车辆振动模型的时域仿真求解【l 。 为了降低产品的研发费用，尽量早的占领市场，要求汽车的开发周期越来 越短。物理样机的制造及试验已经成为新产品开发的主要瓶颈，克服这个瓶颈 的方法是，在一个全新的汽车产品设计完成之后，在物理样机制造之前，有必 要对汽车的操纵性和平顺性有一个较为全面的了解，评价该车是否满足设计要 求，从而避免在制造出物理样机并对其进行试验后，发现该车性能不能满足设 计要求而重新更改设计所造成的试制费用和设计时间的巨大浪费。而数字化虚 拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的 重要途径。许多国际知名汽车企业为了降低产品开发风险，在样车制造出之前， 利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真，并优化其参数就显得十 分必要了。车辆动力学伺题本身是多体系统动力学问题，目前国外许多汽车企 业都己经大规模应用多体分析程序来进行车辆动力学仿真，并且利用系统仿真 的概念，从“设计试验改进设计再试验再设计”的设计理念转为“设计一仿真 试验”，使设计中的主要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解决。 1 3 课题来源与研究内容 本课题来源于北京简式国际汽车设计有限公司的“a 2 0 0 越野车设计项目”。 研究确定以虚拟样机技术为核心，以机械系统动力学仿真分析通用软件a d a m s 为开发平台，考虑前后悬架、转向系统和车身等系统的详细几何结构参数及各 部件实际约束情况，对于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，考虑其非线性特性，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，建立汽车整车动力学模型，根据与汽车实验的中国国家 标准及 s o 标准，对样车进行操纵稳定、平顺性等仿真分析，并且按照国标要 求给出整车的评分值，从而在真正意义上提高国内汽车设计的水平和能力。 该课题研究为整车设计开发开拓了更加科学的方法，结合汽车设计中的相 关理论，解决运动学及动力学上的一些难题问题，从而提高设计质量。此课题 研究也为提高我国汽车工业产品自主开发能力做出一定的贡献。 第二章虚拟样机技术概述 2 1 虚拟样机技术基本概念与特点 虚拟样机v p ( v m u a lp r o t o t y p e ) 技术是在c a d c a m c a e 技术及多体系 统m b s ( m u l t i - b o d ys y s t o r m ) 动力学基础上发展起来的系统级的产品建模、仿真 与分析技术，这项技术自产生后就迅猛发展，并得到广泛的应用，引起了人们 的极大关注【l l t “】 制造业是国民经济的重要支拄，其创新能力、技术水平已成为我国提高经 济实力和综合国力的根本。2 l 世纪是数字化和信息化的时代，也是经济全球化 和竞争全球化的时代。随着加入w t o 后国内市场的不断开放，市场竞争更加 激烈，作为国民经济支柱产业的制造业首当其冲我国已经成为制造大国，但 还不是制造强国，多数企业仅能从事“简单”制造，缺乏自主开发的核心技术， 尤其在许多重大原创性核心技术方面的开发几乎是空白这种局面严重制约我 国国民经济的快速发展，因此，研究开发实用高效的功能化虚拟样机系统，可 为制造业提供一种支持复杂产品创新设计的技术手段，能显著提高产品设计质 量，缩短产品开发周期，这对增强我国制造业尤其是汽车业的产品设计水平， 提升制造业企业的核心竞争力具有重要意义。用虚拟样机来代替物理样机验证 设计，可以大大地简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期， 大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能， 从而获得最优化的和创新的设计产品【4 】。 2 2 虚拟样机技术形成与发展 2 0 世纪6 0 年代，古典刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支一多 体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了，建立复杂机械系统运动学 和动力学程式化的数学模型【心】目前系统动力学已形成了比较成熟的研究方法。 其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法，以牛顿一欧拉 方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等【l 引 虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学和动力 学建模理论及其技术实现。作为应用数学一个分支的数值算法及时地提供了求 解这种问题的有效的快速方法计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技 术提供了友好的界面。c a d c a m c a e 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提 供了技术环境目前，虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术，它改变 了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。 2 3 虚拟样机技术在汽车设计中应用 a l t a r u m 研究院汽车研发中心总裁d a v i dc o l e 博士认为：虚拟样机技术是减 4 少对物理样机依赖的关键，也是降低成本及研发时间的关键。汽车制造商都清 楚，他们必须实施仿真技术加入设计流程，这将为汽车制造商及零部件厂商带 来巨大的效益【1 4 1 。 目前。国内外所有主要的汽车制造商都已经开始通过计算机仿真及优化进 行虚拟样机的评价和设计，由此降低对物理样机试验的依赖。目标不是完全取 消物理样机试验，而是减少样机试验数量，改变完全依靠经验的设计流程，引 导设计朝正确的方向进行。 福特汽车公司对b r o n c o l l 进行整车操纵稳定性模拟分析，当时速为7 2 k m h 时，o 4 s 内输入阶跃激励下，仿真得出的横摆角速度和侧向加速度值与试验结 果具有很好的一致性【1 5 】。 福特和克莱斯勒公司与m m 合作开发的虚拟制造环境应用于其新型汽车研 制中在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其它诸多设计缺陷并及时予 以解决，缩短了研制周期。由于实施了虚拟产品开发策略，福特和克莱斯勒公 司将他们新型汽车的开发周期由3 6 个月缩短至2 4 个月【1 6 1 华中科技大学武汉天喻软件有限责任公司承担的国家8 6 3 计划重点项目： 奇瑞数字化虚拟样机动力学仿真分析平台( i n t e d y n a c h r e y ) 及工程应用。 i n t e d y n a 是由华中科技大学武汉天喻软件有限责任公司在8 6 3 计划支持下研究 开发的新一代虚拟样机建模与仿真软件，是国内第一个完全自主版权的商品化 动力学仿真分析平台。 上海同济同捷公司在开发全新车型时，也运用虚拟样机仿真技术悬架系 统是底盘设计的灵魂，悬架的性能直接关系到整车的操纵稳定性和行驶平顺性 等主要性能，通过悬架及整车虚拟样机的运动学和动力学仿真分析，实现整车 性能匹配和系统优化，以实现高速度高质量低成本的产品开发。 北京吉普汽车有限公司早在1 9 9 7 年就开始应用系统动力学仿真软件 a d a m s 对新车进行动力学仿真，以便预测新车的性能，论证系统所选结构是 否合理。将b j 2 0 2 2 虚拟样机模型的操纵稳定性仿真结果与整车样机制造完成 后的操纵稳定性试验结果迸行对比表明：仿真结果与试验结果变化趋势相同， 具有较高的精度，可以作为整车性能量化评价的依据 t 2 1 。 综上所述，虚拟样机技术在汽车设计中的应用是汽车设计理念和方法的发 展趋势。为了能尽快缩短与国外先进汽车公司设计水平的差距，我们更应该重 视和推广虚拟样机技术在我国汽车自主开发中的应用，即可缩短产品周期，又 可节省开发成本，提高产品质量，会大大提升中国汽车工业的竞争力。 第三章整车多体动力学模型建立 本论文所研究的越野车a 2 0 0 机械系统整车动力学模型是在a d a m s c a r 模块里建立起来的。 a d a m s c a r 是美国m d i 公司与a u d i 、b m w 、f o r d 、r e n a u l t 和v o l v o 等 公司合作针对车辆建模仿真开发的专业化模块，集成了他们在汽车设计和开发 方面的专家经验，在车辆建模和仿真数值计算方面功能强大，具有较高的精度 和可靠性，它在建模方法上具有面向对象的性质，主要用于对轿车( 包括整车及 各个总成) 的动态仿真与分析。应用a d a m s c a r 进行建模，原理相对比较简 单，模型原理与实际的系统一致性较高【4 l 。 3 1a d a m s c a r 建模思路 考虑到汽车上大部分构件和系统是关于纵向对称的，软件模块预先对建模 过程进行了处理，产品设计人员只需建立左边或右边的1 2 模型，另一半将会 根据对称性自动生成，当然我们也可以根据实际车型的要求建立非对称的分析 模型。在建立分析总成的模型过程中，a d a m s c a r 的建模顺序是自下而上的， 所有的分析模型都是建立在子系统基础之上，而子系统又是建立在模板的基础 上，其关系如图3 - 1 所示，模板是整个模型中最基本的模块，又是整个建模过 程中最重要的部分，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的 曩鬣莩两一一一 l 秘黼 ll 獭蠛慧纛 l 。 6 ： l 转蠛 i- l _ 皇黝蠛l h l 蜃魏l -l 叠墨髓藏i - 健 鼙 l 辘羹l- 1 蝴卜 纛 _ 聋 l- i 翰蠛卜 羹 悔喙 l i 。i 删i 卜 擞躐 i l l 删i - l 一 i 图3 - 1 整车系统建模示意图 在建立模板阶段，正确建立零部件之间的约束关系和信号通讯器是至关重 要的，因为这些数据在以后的子系统和总成阶段无法修改，而零部件的位置和 特征参数在后续过程中则可以更改另外需要注意的是零部件的惯量数据是相 6 对于零部件质心的，即零部件的主惯量。零部件之间的连接可以用铰链连接， 也可用橡胶衬套( 或弹簧) 连接，二者的区别在于铰链连接是刚性的连接，不允许 过约束的运动，橡胶衬套连接则是弹性的，有6 个方向的自由度。 模板建立以后，接下来是创建子系统，在子系统的平台上，用户只能对以 前创建的零部件进行部分数据的修改。 建立仿真模型的最后一步是建立总成在这一阶段，产品设计人员可根据 实际需要，将不同的子系统组合成为一个完整的总成模型。如悬架总成可以包 括悬架子系统、转向子系统和稳定杆子系统。整车虚拟样机模型分割成若干个 子系统，例如悬架、车身、转向系、制动系、车轮、动力总成等。各子系统之 间以及子系统与a d a m s c a r 提供的试验平台之间相互交换信息，组装成整车 虚拟样机试验系统在分析之前，还需输入轮胎径向刚度及相关的整车数据。 整车数据中的簧载质量和簧载质量质心高度是指被整个汽车悬架所支撑的质量 及质心高度。 运用a d a m s 软件建立的汽车整车、悬架、转向系统的多体力学模型，不 仅能详细描述悬架、转向系统各部分零部件及其连接关系，而且可考虑连接件 的柔性及局部零件的柔性，使整车模型能更真实地逼近实车。 当然汽车是一个非常复杂的机械系统，如果按照车辆的真实构造进行建模， 工作量非常大，也是无法实现的。因此根据研究目的，在建模时根据车辆的结 构进行了适当抽象和简化，本文对建立的整车动力学模型作了如下假设【玷】： ( 1 ) 簧载质量看作一个刚体，具有六个自由度； ( 2 ) 动力传动系统作相应简化，只考虑传动系半轴以后的动力传递，即驱动 力矩直接加在等速万向节处； ( 3 ) 对于刚体之间的连接柔性作适应当的简化，用线性( 非线性) 弹性橡胶衬 套( b u s h i n g ) 来模拟实际工况下的动力学特性； ( 4 ) 除了轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件以外，其余零件认为是刚体， 在仿真分析过程中不考虑它们的变形； ( 5 ) 各运动副内的摩擦力忽略不计 本文所研究的a 2 0 0 型越野车前悬架采用双横臂式独立前悬架结构；后悬架 采用钢板弹簧；齿轮齿条转向结构：四轮盘式制动；刚性底盘结构等组成。 首先将整车模型分割成悬架、车身、转向系、稳定杆系、制动系、车轮和 动力总成等子系统分别建立；然后建立各子系统之间以及子系统与 a d a m s c a r 提供的实验台之间相互交换信息的输入和输出信号器 “c o m m u n i c a t o r ”；最后按系统组装成整车多体动力学模型。建立虚拟样车的步 骤，其具体过程介绍如下： ( 1 ) 物理模型的简化：根据子系统中各个零件之间的相对运动关系，定义各零 件的“t o p o l o g i c a l 咖l c n l 一( 拓扑结构) ，对零件进行整合，把没有相对运动关系 7 的零件定义为一个“g e n e r a lp a r t ( 整合零件) ，以下简称为零件，也可在建立约 束时将这样的零部件锁定为一体。确定重新组合后零件间的连接关系和连接点 的位置 ( 2 ) 计算或测量重新组合后零件的动力学参数：零件的质量、质心位置以及绕 质心坐标系三个坐标轴的转动惯量。 ( 3 ) 确定零件的运动学参数：零件间连接处的关键几何定位点“h a r d p o i n t ”的 空间位置，在定位点的基础上建立零件的几何模型。g e o m e t r y ”，按照零件间的 运动关系确定约束类型，通过约束将各零件连接起来，从而构成子系统结构模 型。 “) 确定减振器阻尼特性和弹簧刚度特性，减振器中上下限位块的刚度。 ( 5 ) 定义主销轴线，输入车轮的前束角和外倾角。 ( 6 ) 建立子系统之间或子系统与实验台架之间进行数据交换的输入和输出的 信号器。 车辆坐标系采用固结于笛卡儿直角坐标系。当车辆在水平路面上静止状态 下，x 轴定义为平行于地面指向前进方向，z 轴为垂直地面指向上方，y 为轴驾 驶员左侧，坐标系的原点为车轮中心线与汽车前进面的交点。与操纵稳定性和 平顺性有关的的主要运动参数有：车厢角速度在z 轴上的分量汽车横摆角速度 m 。，汽车质心速度在y 轴上的分量侧向速度v 、汽车质心加速度在y 轴上的 分量侧向加速度掣1 6 1 ，见图3 - 2 所示 图3 - 2 整车坐标系 3 2 模型参数获取和确定 建立车辆仿真模型所需的参数，可以总结归纳为四类：运动学( 几何定位) 参数、质量参数( 质量、质心与转动惯量等) 、力学特性参数( 1 目j j 度、阻尼等特性) 与外界参数( 道路谱、风力等) 获取模型参数有数种方法：查阅图纸法、试验法、 估算法、c a d 建模法等【埘 在本课题的研究中，运动学参数基本都是通过查阅设计图纸所获得或由技 术部门提供的，零部件的质量参数和惯量数据是根据三维建模软件p r o e 计算 得到的。整车参数见表3 1 所列 力学特性参数一般指系统的刚度、阻尼等特性。这些零部件的特性对汽车 的各项性能、特别是操纵稳定性和行驶平顺性等具有决定性的影响。车辆有关 零部件的刚度、阻尼等特性，主要是从厂家及试验获得。对于轮胎和橡胶元件 等动态特性参数，由于试验条件和研究时间所限，主要是通过对比国内外同类 车辆的参数以及参考a d a m s c a r 中的相关参数获得。外界参数主要是道路谱 ( 忽略风力影响) ，对于水平面的路谱，可以参考相关格式编写路面文件，但对 于随机输入路面，则需要自己编写相关计算程序获得。 表3 - 1a 2 0 0 越野车的整车参数表 车型代号 a 2 0 0 轴距 2 6 3 0 前轮距 m m1 5 0 0 后轮距 1 5 0 0 满载质量 2 1 0 6 k g 满载前后轴荷前：8 4 8 后：1 2 5 8 非簧载 前悬 8 7 2 k g 质量 后悬 2 1 3 前悬架 双横臂式、螺旋弹簧( k - - 6 6 酬 i 】n 悬架 后悬架 板簧( 1 ( = 4 3 9 n m m ) 车轮及轮胎轮胎规格 p 2 1 5 7 0 r 1 6 3 3 前悬架仿真模型建立 a 2 0 0 前悬架选用独立悬架，独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地 与车架或车身弹性连接，因而只要具有以下优点： ( 1 ) 在悬架弹性元件一定的变化范围内，两车轮可以单独运动而互不影响， 这样在不平道路上行驶时可以减少车架和车身的振动，而且有利于消除转向轮 不断偏摆的不良现象。 ( 2 ) 减少了汽车的非簧载质量，在道路条件和车速相同的情况下，非簧载 质量越小，悬架受到的冲击载荷也越小，故采用独立悬架可以提高汽车的平均 行驶速度 在建模时抽象出上摆臂、下摆臂、主销、转向节、轮轴等刚体主销、转 向节、轮轴因无相对运动，建模时可视为一体，上、下摆臂与主销以球铰联接， 与车身以衬套( b u s h i n g ) 联接，转向节与转向拉杆以万向节铰联接。本文采用 9 弹性衬套是为了提高了模型的精度册，弹性衬套定义了两个零件间的六个自由 度的力的关系，即定义了两个零部件的平动和旋转方向的刚度和阻尼特性 经结构上述的简化分析，建立如图3 - 3 所示的双横臂式悬架模型，其约束 类型及数目见表3 - 2 表3 - 2 前悬架约束类型及数目 约束的自由度( d o f ) 约束类型约束副的数量 。平动 转动 固定副3 3 1 2 转动副 326 移动副2 3 2 万向副 3l4 圆柱副2 2 3 球副3o6 等速副3l6 平面副 l2l 驱动ll 由于模型中有2 个g r u e b l e r - c o u n t ，前悬架( 不包括转向系统) 的自由度 1 0 - 3 l x 6 + 2 - 6 x 1 2 5 x 6 - 5 x 2 - 4 x 4 - 4 x 3 - 3 x 6 - 4 x 6 3 x l - i x l = 2 ( 个) ，2 个自由 度为车轮的上下跳动，若考虑转向系则增加2 个自由度，即车轮绕主销轴线的 转动。 图3 - 3 前独立悬架简化模型 横向稳定杆常用来提高悬架的侧倾度或是调整前后侧倾刚度的比值作为刚 度模型时，横向稳定杆建模时抽象为中间断开的两个圆柱，其两部分分别与车 身、下摆臂( 叉形臂) 联接，两圆柱之间用圆柱副约束，只允许产生相对转动， 然后用t o r s i o n 联接这两部分，再修改其参数为实际横向稳定杆的参数即spring 可，建立好的模型如图3 4 所示，其扭转力为：f = k ( 妒一纯) ，其中k 为横向 稳定杆扭转刚度，矿为转动副运动角度，为初始扭转角 1 0 图3 4 横向稳定杆简化模型 减振器抽象为联接车身与下摆臂的阻尼弹簧，根