（光学工程专业论文）某矿用越野车辆的悬架系统设计.pdf

硕士论文某矿用越野车辆的悬架系统设计 摘要 矿用防爆越野车是矿藏开采行业迫切需要的生产设备之一。从2 0 0 8 年4 月起，国 家安全监督局已下文明令禁止井下使用非防爆车辆。本文所研究的矿用防爆越野车具 有整车尺寸相对较小、驱动力强、承载质量大、工作可靠等特点，在替代进口，结束 国外公司的垄断，研发具有自主知识产权的矿用越野车等方面具有重要的意义。 本文从悬架系统总体方案设计入手，利用a d a m s c a r 建立整车动力学模型，通 过整车仿真试验结果分析来评价悬架系统结构的优劣；同时分析不同工况下重要受力 杆件支架处的衬套弹性力和扭矩，并通过有限元等效载荷分析对其材料性能、结构参 数提出技术要求。主要研究内容有： ( 1 ) 完成了该特种车悬架系统的总体设计。前、后悬架均采用多连杆螺旋弹簧 非独立悬架结构形式。后悬独特的交叉纵臂使得后悬侧倾角刚度较小，避免了前、后 悬侧倾角刚度分配不合理的问题，而且通过避免多杆系悬架运动干涉尽可能的增加了 后轮反跳动行程。 ( 2 ) 以该特种车为对象，进行了整车弯道和直线制动试验，以此分析结果为依 据来评价整车制动稳定性，并对多杆系悬架纵臂和车架连接点位置的变化对整车性能 的影响变化做了定量分析。 ( 3 ) 通过动力学仿真试验，研究了在各种工况下前、后悬重要受力杆件的受力 状态。 ( 4 ) 根据受力分析结果，通过有限元等效载荷分析得出：前、后悬纵臂支架在 某种工况下峰值应力较大，设计安全系数偏低，为工程设计提供依据。 本文设计的悬架系统满足整车总体布置要求。针对提高越野车的通过能力，增加 车轮跳动行程的问题，本文首次提出了交叉纵臂结构并对其进行了动力学分析，其研 究结果可以为类似悬架的研究提供参考。 关键词：防爆车，螺旋弹簧，非独立多连杆悬架，运动干涉，交叉纵臂 a b s t r a c t m i n i n gs u ve x p l o s i o n - p r o o fv e h i c l e si so n eo fu r g e n t l yn e e d e dp r o d u c t i o n e q u i p m e n ti nc o a lm i n i n gi n d u s t r y s i n c e0 4 2 0 0 8 ，t h en a t i o n a ls e c u r i t ya g e n c yh a sb a n n e d t h eu s eo fu n d e r g r o u n du n e x p l o s i o n p r o o fv e h i c l e s t h em i n i n gs u ve x p l o s i o n - p r o o f v e h i c l es t u d i e di nt h i sp a p e rh a sr e l a t i v e l ys m a l l e rs i z e ，s t r o n g e rd r i v i n g ，b i g g e rl o a da n d r e l i a b l eq u a l i t ya n ds oo n i ti ss i g n i f i c a n tt h a tr e p l a c i n gf o r e i g nc o m p a n y m o n o p o l yw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t so fm i n i n gs u v i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h eo v e r a l l d e s i g no ft h es u s p e n s i o ns y s t e m ，b u i l dt h e d y n a m i c sm o d e lb yt h ea d a m s c a r , e v a l u a t et h es u s p e n s i o ns y s t e mb yt h ee n t i r ec a r a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ；a tt h es a m et i m e ，a n a l y z ee l a s t i cf o r c ea n dt o r q u eo ft h e i m p o r t a n tp a r t si nt h eb u s h i n gp i e c e su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t si sp r e s e n t e df o ri t sm a t e r i a lp e r f o r m a n c e ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sb yt h e e q u i v a l e n tl o a da n a l y s i sb yt h eu s eo ff i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e s t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t ： ( 1 ) t h eo v e r a l ld e s i g no fs u s p e n s i o ns y s t e mo ft h es p e c i a lv e h i c l ei sc o m p l e t e d f r o n t a n dr e a rs u s p e n s i o n sa r eb o t hh e l i c a ls p r i n gm u t i l i n kd e p e n d e n ts u s p e n s i o n t h ec r e a t i v e c r o s s i n ga r n lo ft h er e a rs u s p e n s i o nm a k et h er o l ls t i f f n e s so fa n g l es m a l l e r , i th a sa v o i d e d t h eu n r e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nf r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n ，a n da l s oa v o i d e dt h e n e g a t i v ei m p a c t o np e r f o r m a n c er e s u l t e df r o mam u l t i l i n k s u s p e n s i o nm o v e m e n t i n t e r f e r e n c e ，a tt h es a n l et i m e ，i n c r e a s e dt h eb u m pt r a v e ld i s t a n c ea sm u c ha sp o s s i b l e ( 2 ) t h ev e h i c l eb r a k i n gi n - t u r na n db r a k i n gi n - - l i n et e s tw i t ht h es p e c i a lv e h i c l ea r e c o m p l e t e d a n db a s e do nt h er e s u l tt h eb r a k i n gs t a b i l i t yh a sb e e ne v a l u a t e d ，w i t hc h a n g e s i nt h ep o s i t i o no ft h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h el o n g i t u d i n a ll i n ka n dt h ec a rf r a m e ，t h e c h a n g e so fv e h i c l ep e r f o r m a n c eh a sb e e na n a l y z e d ( 3 ) b a s e dt h er e s u l to ft h ed y n a m i c st e s t ，t h ef o r c ea n dt o r q u eo ft h ei m p o r t a n tp a r th a v e b e e ns t u d i e d ( 4 ) b a s e dt h ea n a l y s i sr e s u l to ft h et e s t ，i ti ss h o w e db yt h ee q u i v a l e n tl o a da n a l y s i s ：t h e w o r k i n gp e a ks t r e s so ft h el i n k i n gp a r tb e t w e e nl o n g i t u d i n a ll i n ka n df r o n ta n dr e a r s u s p e n s i o ni sal i r l eb i gs ot h a tt h ed e s i g ns a f e t yf a c t o ri sr e l a t i v e l yl o w e r t h es u s p e n s i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rs a t i s f i e st h eo v e r a l ll a y o u tr e q u i r e m e n t s f o rt h ep r o b l e mo fi n c r e a s i n gt h ec a p a c i t yo f p a s s i n ga n dt h eb u m pt r a v e ld i s t a n c eo ft h e m i n i n gs u vv e h i c l e ，t h ec o r s s i n g l o n g i t u d i n a la r mi sd e s i g n e df i r s t l y , a n dt h ed y n a m i c s a n a l y s i so ft h es u vh a sb e e nd o n e ，a n dt h er e s e a r c hr e s u l t sc a nb eu s e da sar e f e r e n c ef o r i t 硕士论文 某矿用越野车辆的悬架系统设计 s i m i l a rs u s p e n s i o n k e y w o r d s ：e x p l o s i o n - p r o o f v e h i c l e s ， m o v e m e n ti n t e r f e r e n c e s ， h e l i c a ls p r i n g ，m u l t i l i n kd e p e n d e n ts u s p e n s i o n ， t h ec r o s s i n gl o n g i t u d i n a la r l l l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：土差熟扣年易月“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：上名投p 年6 月“日 硕士论文 某矿用越野车辆的悬架系统设计 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 目前，矿用防爆车是矿藏开采行业迫切需要的生产设备之一，国内大型矿藏井下 运输车辆( 包括人员运送车、货运车辆) 主要为4 x 2 防爆车辆，还有3 0 0 0 辆以上非防 爆车辆。从2 0 0 8 年4 月起，国家安全监督局已下文明令禁止井下使用非防爆车辆。 由于井下道路状况较差，形同越野路面，矿用越野防爆车对于提高井下劳动效率， 改善工人的劳动条件和减轻劳动强度显得尤为重要。我国目前尚未有此类产品，在用 矿用越野车均为进口产品，因此设计该款车在替代进口，结束国外公司的垄断，研发 具有自主知识产权的矿用越野车等方面具有重要的意义。国内矿用井下越野车辆基本 为澳大利亚的s m v 及德国的p a u s 垄断，购买和维护费用高昂，制约其大量推广使用， 自主开发一款适合中国国情的，具有自主知识产权的矿用越野车显得迫在眉睫。本论 文研究的特种防爆矿用越野车国产化程度高，无论在购买成本和使用成本等方面都将 大大低于进口产品，设计针对性较强，在性能上将更加适应我国井下作业，针对井下 作业车这一细分市场其前景非常看好。 虽然国内学者对普通汽车悬架的设计已经进行了大量的研究工作，如多连杆独立 悬架、双横臂独立悬架等。但对一些特种车辆的悬架设计研究很少，如该矿用作业越 野防爆车的多连杆非独立悬架。如果把普通汽车的悬架设计经验套加在此特种汽车悬 架设计的研究上，是不合适的。因此，有必要将其作为特殊对象来加以研究。该特种 矿用作业车是应我国某矿生产现场人员的强烈要求，为提高工作效率、减少安全事故 专门开发的4 x 4 防爆车辆。 该课题属于汽车系统动力学领域，课题源于实际工程项目。主要应用汽车动力学、 汽车试验学知识和基于虚拟样机技术的机械系统动力学仿真分析a d a m s ( a u t o m a t i c d 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 r n ) 中的a d a m s c a r 模块，对该特种矿井作业防爆 车辆建立仿真模型，根据国家标准和实际行驶工况进行仿真试验、分析仿真实验结果， 从而对该车提出悬架结构设计的结构优化分析方案和重要连接处零部件的设计技术 要求，并评价该特种车辆的悬架系统设计方案对整车性能的影响，优化悬架系统各定 位参数。 本课题研究所得到的结论可以为该特种防爆车辆的悬架设计以及整车性能的优 化提供参考，并且对于将来应用虚拟样机技术对悬架系统多杆系结构运动干涉对整车 性能的影响研究提供借鉴。 1 2 国内外研究现状 l 绪论硕士论文 在国外，汽车悬架运动学的研究起步较早，几乎是随着独立悬架的诞生就开始了， 而汽车悬架弹性运动学的研究是在上世纪8 0 年代兴起的。 德 耶尔森赖姆帕尔著的 汽车底盘基础对车轮定位参数做了准确的定义，着重分析了车桥运动学和弹性运 动学时轴距、轮距、侧倾轴线和前轮定位参数的变化对悬架性能的影响以及对整车操 纵稳定性的影响【1 】【2 】。阿达姆措莫托著的汽车行驶性能1 3 1 和安培正人著的汽车 的运动与操纵 4 1 介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，并对悬架弹性运动学对 汽车操纵稳定性的影响进行了较为系统的分析。 德国w o l f g a n gm a t s c h i n s k y 编写的车辆悬架从悬架的理论建模、橡胶支撑的 模型出发对悬架弹性运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。在悬架运动学分析 中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳动所引起的悬架变形；在悬 架弹性运动学分析中，则对悬架模型作了受力分析，推导出变形与力的关系，并将橡 胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧【5 】。 在国内，近几十年来才逐步开展对汽车悬架运动学的研究。中国工程院院士郭孔 辉所著汽车操纵稳定性对悬架运动学作了最为系统的分析，并且在国内首次提出 了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学。吉林大学的林逸教授等人在9 0 年代 也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基本性能，着重分析了独立悬架中橡胶元 件对汽车操纵稳定性的和平顺性的影响，并提出了处理弹性运动学问题的一般思路和 方法 6 1 。吉林大学工学博士杨树凯发表博士论文橡胶衬套对悬架弹性运动与整车转 向特性影响的研究，重点分析了影响悬架弹性运动的因素及本质原因( 橡胶衬套变 形) 。在分析悬架橡胶衬套工况特点和传统衬套模型不足的基础上，基于有限元与模 态综合理论建立了面向结构的橡胶衬套柔性体模型，并进行了试验研究【7 1 。 1 3 课题研究对象 ， 。 本文研究的对象是某矿用越野特种防爆车，其前后悬架都采用多连杆非独立悬架 的结构形式。考虑到该车载荷较大，且整车纵向长度有限制，在悬架设计时，采用螺 旋簧式的多连杆非独立悬架结构形式。 本文在a d a m s c a r 中建立了该车整车多体动力学模型，包括特种车辆前后悬 架、转向系、轮胎和地面、底盘等主要总成的动力学模型。模型的建立过程中参数的 获取由设计单位提供和通过对该车c a d 设计图纸数模测量获得。该车最高设计车速较 低，因此没有必要分析整车高速行驶操作稳定性，而把重点放在整车制动工况下，前 后悬架结构参数改变对整车制动效能的影响分析上和各重要受力杆件、支架的静强度 和刚度设计分析上。 考虑安全因素，该矿用越野车装备防爆发动机，4 x 4 驱动，车速 5 0 k _ m h ，前桥 为进口原装转向驱动一体式结构，前后悬架为非独立螺旋簧多连杆悬架，前悬导向机 顾论文某矿用越野车辆的悬桨幕统设计 构由两纵臂和一横臂组成，后悬导向机构采用独立的交叉纵臂设计和横臂组成。弹性 元件选用螺旋弹簧，附有缓冲块采用双向筒式减振器；整车设计整备质量4 7 0 0k g ， 满载设计质；1 7 8 0 0 k g ，整车主要设计技术参数及指标见表l3l ：三维结构图见图1 3 1 所示。 图i3 1 特种车辆三维模型 表】3 1 整车部分实车参数及指标 总长x 总宽x 总高( m m ) 5 5 0 0 ，c i $ 0 0 x 2 】0 0轴距( r a m )3 3 0 0 整车整备质量( k g )满载质量( k g ) 7 8 0 0 空载前桥轴荷( k g )满载前桥轴荷( 1 ( g ) 2 3 8 0 空载后桥轴荷( k g ) 2 3 8 0 满载后拼轴荷( k g ) 5 4 2 0 主销后倾( o ) 主销内倾( 。) 8 车轮外倾( o )请求自( m )各5 8 前簧中心距( m m )前轮距( m i l l ) 后簧中心距( m m )后轮距( m m )1 5 7 5 最高车速( k m h ) 5 5 0蔼载质心高( m i l l ) 车轮滚动半径( m m ) 1 4 课题研究目的和内容 在矿用越野车悬架设计中必须首先研究多连杆悬架系统的运动干涉对汽车性能 的影响。车辆在行驶状态下，多杆系结构运动干涉对汽车加减速时造成的车身俯伸现 象、悬架系统的刚度变化等都有重大影响。本课题利用多体动力学仿真软件a d a m s ， 建立了该矿用越野防爆车的整车多体动力学模型，对其进行整车性能仿真分析，优化 l 绪论 硕士论文 悬架模型。 本课题主要研究目的： 根据整车总布置要求，完成该矿用越野防爆车的悬架系统总体设计，并以多体动 力学基本理论和方法为基础，借助a d a m s c a r 、h y p e r m e s h 、a n s y s 等软件工 具，完成整车动力学模型建模和支架有限元模型建模，通过各项仿真试验结果分析评 价悬架系统的总体性能，通过有限元计算结果分析对悬架系统各零部件提出设计技术 要求。 本课题主要研究内容包括： ( 1 ) 悬架系统的总体方案设计，它包括对悬架系统结构形式设计和系统各零部 件的总体布置设计，并根据设计完成c a d = 维实体建模，在此基础上，完成悬架系统 的a d a m s 动力学模型的精确建模，为多连杆悬架系统的运动仿真，干涉分析做好铺垫。 ( 2 ) 悬架系统的弹簧元件性能设计和导向机构布置设计，根据整车总体布置方 案对平顺性提出的要求确定悬架系统弹性元件的刚度；根据行驶路面的状况来确定悬 架系统的动挠度；根据整车行驶的姿态和要求来确定弹性元件的自由长度等；根据悬 架导向机构设计要求确定导向机构布置参数；根据悬架总体布置方案来确定悬架导向 机构在汽车纵向平面、横向平面以及水平面内布置方案。 。( 3 ) 多连杆悬架系统运动干涉对平顺性的影响分析。通过动态仿真分析，分析 多杆系结构运动干涉对整车平顺性的影响，根据整车性能设计对平顺性提出的要求， 对悬架系统结构优化。着重分析多杆系结构运动干涉对悬架系统弹性元件所产生的附 加刚度，并讨论其对平顺性的影响。 ( 4 ) 多连杆悬架系统运动干涉对动力性的影响分析。所设计悬架系统属矿用井 下作业特种防爆车辆，动力性能主要考虑车辆的起步和爬坡性能。因其悬架系统结构 和布置的特殊性，驱动时或者爬坡时会出现“点头”反常现象，对其前后轮胎的附着极 限影响极大，故有分析其驱动性能的必要性。 ( 5 ) 多连杆悬架系统运动干涉对制动性的影响分析。因多连杆悬架系统前、后 悬架有特殊的杆系结构，整车制动时会出现抬头现象，故有分析其制动效能的必要性， 从而优化悬架系统的杆系结构，保证整车制动效能。 ( 6 ) 多连杆悬架系统运动干涉对操纵稳定性的影响分析。该特种车辆工作环境 恶劣，路面凹凸不平，情况复杂，多连杆悬架系统的运动干涉对整车操纵稳定性产生 一定的影响，但车辆主要工作在低速工况，故主要考虑车辆在复杂路况仍能维持直线 行驶的能力。 ( 7 ) 多杆系悬架系统运动干涉对悬架系统各零部件的设计影响分析。车辆在行 驶过程中，车身和地面间的所有力的传递都要靠悬架系统来完成，那么杆系的强度和 疲劳分析对车辆的安全性就显的尤为重要。分析主要受力零部件( 纵横臂、支架、衬 4 硕士论文 某矿用越野车辆的悬架系统设计 套等) 的受力和变形情况，进行强度和疲劳分析，从而对其材料性能、结构提出技术 要求。 1 5 本章小结 本章阐述了课题的背景及意义，介绍了特种车辆国内外研究概况，并说明本课题 的研究内容和研究方法。运用多体动力学软件a d a m s 对车辆进行动力学仿真，在产 品设计阶段对车辆的操纵稳定性、平顺性、动力性、制动稳定性以及零部件作业寿命 加以预测和评估，从而评价悬架系统的总体设计方案的优劣，及其对整车性能的影响。 这也是提高产品设计质量、降低产品研制成本的重要手段。 2 多体动力学及a d a m s 、a n s y s 软件介绍硕士论文 2 多体动力学及a d a m s 、a n s y s 软件介绍 2 1 多体动力学概述 多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，它是研究多体系统 运动规律的科学。这种多体系统一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成。多体系 统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于2 0 世纪6 0 年代。从2 0 世纪 6 0 年代n 8 0 年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数 值求解；到了8 0 年代中期，其研究己取得了系列成果，尤其是建模理论趋于成熟； 8 0 年代之后，其研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系 统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力 学的涵义p 儿引。 计算机技术自其诞生以来，渗透到了科学计算和工程应用的几乎每一个领域。数 值分析技术与传统力学的结合曾在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以 a n s y s 、n a s t r a n 等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。计算机技术在 机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在2 0 世纪8 0 年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以a d a m s 和d a d s 为代表的动力 学分析软件。两者共同构成计算机辅助工程( c a e ) 技术的重要内容。 多体动力学系统始于2 0 世纪6 0 年代，为了解决当时宇宙和机械领域的工程问题， 美国、德国、前苏联的一些学者开始了多体动力学的研究，至f j 2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初，他们就各自提出了较为系统的理论和方法。由于近些年来在航空航天领域、 地面车辆、机器人、精密机床等复杂系统的高性能、高精度的设计要求，加之高速度、 大容量、多功能现代计算机的发展及计算方法的成熟，多体系统动力学由早期的多刚 体系统动力学发展为多柔体系统动力学。多柔体动力学是分析力学、连续介质力学、 多刚体动力学、结构动力学等学科发展交叉的必然。这门边缘性学科以当代航天事业 的发展为标志，所研究的问题囊括了宏观世界机械运动的主要问题。 多刚体系统动力学的研究方法主要有工程中常用的经典力学方法( 以牛顿一欧拉 法为代表的矢量力学方法和以拉格朗日法为代表的分析力学方法) 、图论法、凯恩法、 变分法等。 下面将分别介绍这几种研究方法： ( 1 ) 牛顿欧拉方法 该方法简称n e 方法，也可称为旋量方法，是一种特殊的矢量力学方法，其特点 是将矢量与矢量矩合为一体，采用旋量的概念，利用对偶数作为数学工具，使n f _ 方 程具有极其简明的表达形式，在开链和闭链空间机构的运动学分析和动力学分析得到 6 硕士论文某矿用越野车辆的悬架系统设计 广泛应用。 ( 2 ) 拉格朗日方程法 由于多刚体系统的复杂性，采用系统独立的拉格朗日坐标十分困难，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和非完整约束系统，采用带 乘子的拉氏方程处理是一种格式化的方法。由其导出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。蔡斯( m a c h a e e ) 等人应用吉 尔刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编制了a d a m s 程序；豪格 ( e j h a u g ) 等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了d a d s 程序。 ( 3 ) 图论法( r o b e r s o n w i t t e n b u r g ) 该方法简称为r - w 方法。t l e r o b e r s o n 和j w i t t e n b u r g 仓j 造性的将图论引入多刚体 系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成功描述了系统内各刚体之间的联 系。这种方法的主要特点是利用图论的概念及数学工具描述多刚体系统的结构，以连 接刚体之间的相对位移作为广义坐标，导出适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力 学方程，并利用增广体概念对方程的系数矩阵作出物理解释。 ( 4 ) 凯恩方法 凯恩方法是在1 9 6 5 年左右形成的分析复杂系统的一种方法，其利用广义速率代替 广义坐标描述系统的运动，直接利用达郎贝尔原理建立动力学方程，并将矢量形式的 力学与达郎伯惯性力直接向特定的基矢量方向投影以消除理想约束力，兼有矢量力学 和分析力学的特点，即适用完整系统，也适用非完整系统。 ( 5 ) 变分方法 变分方法是不同于矢量力学或分析力学的另一类分析方法，高斯最小拘束原理是 变分方法的基本原理，波波夫和里洛夫从一原理出发开发了两种不同风格的计算方 法。该方法有利于结合控制系统的优化进行综合分析，而且由于其不受铰链的约束数 目的影响，适用于带多个闭环的复杂系统。 多刚体系统动力学理论的优点在于： ( 1 ) 适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计算机按程式化方法自动建模 和分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种联接方式的系统进行计算，因 此其通用性强，同一程序可对各类复杂系统进行分析。 ( 2 ) 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础 上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合 系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便，能够使计算结果更精确。 ( 3 ) 模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考 虑推导公式的难易程度。所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三 维空间模型。例如对汽车悬架动力学分析而言，可将垂直方向、前后水平方向及横向 7 2 多体动力学及a d a m s 、a n s y s 软件介绍 硕士论文 的运动分析统一在同个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影响 综合起来研究。这为整个汽车系统的优化设计提供了理论基础。 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，其逆运动 学是不确定的；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藕合；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。 多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动力 学可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。二十多年来多柔体系统动力学一直是研 究热点，并产生了大量的概念和方法，有浮动标架法、运动弹性动力学方法、有限 段方法以及最新提出的绝对节点坐标法等。相比于多刚体系统，对于柔性体和多体与 控制混合问题的考虑是其重要特征。其具体任务为： ( 1 ) 建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学 模型的软件系统，用户只需要输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进行 程式化处理。 ( 2 ) 开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法，自动得到运 动学和动力学响应。 ( 3 ) 实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理结 果。 计算多体系统动力学的产生极大改变了传统机构动力学分析的面貌，使得工程师 只需根据实际情况建立合适的数学模型，就可以利用计算机自动求解，并可以提供丰 富的结果分析手段。随着计算机科学技术的发展，动力学分析软件提供了与其他工程 辅助设计或者分析软件的强大接口功能，完善了计算机辅助工程( c a e ) 技术。 2 2a d a m s 软件 2 2 1a d a m s 软件概述 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( 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 l s y s t e m ) ，该软件是美国m d i 公司开发的虚拟样机分析软件。目前，该软件已经被全 世界各行各业的数百家主要制造商采用，占据了机械系统动态仿真分析软件国际市场 的大部分份额。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木式方法建 立三维机械系统参数化模型，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运动学、静力学、准静力学分析， 以及线性和完全非线性动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 8 硕士论文某矿用越野车辆的悬架系统设计 软件具有五十多种连接副、力和运动发生器组成的库，并具有强大的函数库，供用户 自定义力和运动发生器；具有二维和三维建模能力，可进行刚体和柔体分析，其仿真 可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及有限元的输入载荷 等，同时因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机 械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。 a d a m s 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱等五类 模块组成，如表2 2 2 1 所示。 用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块 针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真【8 1 。 隶2 2 1 1a d a m s 软件模块 用户界面模块 a d a m s ，v j e w 基本模块求解器模块a d a m s s o l v e r 后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r 液压系统模块 a d a m s h y d r a u l i c s 振动分析模块a d a m s ，v i b r a f i o n 扩展模块 试验设计与分析模块 a d a m s i n s i g h t 耐久性分析模块 a d a m s d u r a b i l i t y 柔性分析模块a d a m s f l e x 控制模块 a d a m s c o n t r o l s 接口模块 c a t i a 专业接口模块c a t a d a m s p r o e 接口模块 m e c h a n i c a l p r o 轿车模块 a d a m s c a u r 铁路车辆模块 a d a m s r a 1 驾驶员模块 a d a m s d r i v e r 专业领域模块轮胎模块a d a m s t i r e 悬架软件设计包 s u s p e n t i o nd e s i g n 动力传动系统模块 a d a m s d r i v e l i n e 发动机设计模块 a d a m s e n g i n e 软件开发工具包 a d a m s s d k 虚拟试验工具箱 v i r t u a lt e s tl a b 工具箱包括 钢板弹簧工具箱 l e a f s p r i n gt o o l k i t 飞机起落架工具箱 a d a m s l a n d i n gg e a r a d a m s 利用带拉格郎日乘子的第一类拉格朗日方程导出最大数量坐标的 9 2 多体动力学及a d a m s 、a n s y s 软件介绍硕士论文 微分一代数方程( d a e ) 。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐 标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格郎日第一类方 程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标为变 量的动力学方程蚓。 a d a m s 用刚体f 的质心笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作 为广义坐标。采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程如下： 鲁( 争7 一( 争+ 巾，乒p = q ( 2 1 ) 完整约束方程：巾( g ，t ) = 0 ，非完整约束方程：0 ( g ，口，t ) = 0 。其中：丁二系统动 能、g 一系统广义坐标列阵、q 一广义力列阵、p 一对应于完整约束的拉氏乘子列阵、 一对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 2 2 2a d a m s c a r 的建模方法 a d a m s c a r 是m d i 公司与a u d i 、b m w 和v o l v o 等公司合作开发的整车设计 软件包，集成了他们在汽车设计、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。该模块被称之为“基于模板的产品”( t e m p l a t e b a s e dp r o d u c t ) 。利 用a d a m s c a r 来建立车辆的动力学模型具有可视化强，建模概念清晰，可利用标准 模板种类多等优点。整车虚拟样机划分为众多的子系统，包含：车身、前悬架、后悬 架、转向器、前轮、后轮、动力总成、制动器和横向稳定杆等子系统。各子系统之间 为相互独立的模块，调用这些模块组装整车虚拟样机，完整的建模如图2 2 2 1 示。 模板设计创建子系统 整车或悬架模型 车t p l 丰s u b 幸a s y 图2 2 2 1 建模顺序 a d a m s c a r 采用的用户化界面是根据汽车工程师的习惯而专门设计的。 a d a m s c a r 中包括整车动力学模块( v e h i c l ed y n a m i c s ) 和悬架设计模块( s u s p e n s i o n d e s i g n ) ，其仿真工况包括：方向盘角阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇形穿越试验、漂移 试验、加速试验、制动试验和稳态转向试验等，同时还可以设定试验过程中的节气门 开度、变速器档位。 一个完整的悬架或整车装配由下列四个层次构成：特性文件( p r o p e r t yf i l e s ) 、 模板文件( t e m p l a t e s ) 、子系统文件( s u b s y s t e m s ) 和装配文件( a s s e m b l i e s ) 。 ( 1 ) 模板( t e m p l a t e s ) ：模板是参数化模型，包含默认的几何体的参数和构件的拓 扑结构以及用于子系统之间通信的c o m m u n i c a t o r 连接器。通过修改模板参数，可利 用相同模板迅速建立不同子系统，从而达到比较优化的目的 ( 2 ) 子系统( s u b s y s t e m s ) ：子系统在标准界面( s t a n d a r di n t e r f a c e ) 下建立，子系 “1 硬士论文 某矿用越野车辆的悬槊系统设计 统中包古下列设计参数： a ) 设计数据：例如轮胎剧度、前轮定位参数、硬点位置、质量属性等； b ) 特性文件规定的数值。包括轮胎、弹簧、衬套、减振器的剐度与阻尼特性等。 子系统中有两种作用模式：运动学( k i n e m a f i o ) 和弹性动力学( c o m p l i a n t ) 。在 这两种模式中，运动副和村套分别起作用。每个子系统均需赋予一个特定的属性 ( m i n o rr o l e ) ，这决定了a d a m s c a r 在创建装配文件时该子系统如何装配。子 系统共分四种属性：任何的( a a y ) 、前( f r o m ) 、后( r e a r ) 、挂车( t r a i l e r ) 。 ( 3 ) 装配( a s s e m b f i e s ) ：在a d a m s c a r 中，有两种测试平台；m d is u s p e n s i o n _ t e s t r i g 和皿l s d i _ t e s t r i g ，分别是悬架和整车测试平台。装配是子系 统和测试平台( t e s tr i g ) 的集合。在悬架测试平台中，我们可使用两种轮胎：刚性 轮胎( r i g i d和实际轮胎 ) 。_ w h e e l ) ( l i v e t i r e ( 4 ) 特性文件( p r o p e r t yf i l e s ) ：特性文件用于描述弹簧、减振器、弹性衬套、发 动机万有特性等。特性文件的格式为文本文件，存放在相应的目录下供用户调用。特 性文件使使用者方便的将某种属性或参数赋予众多的零部件，而不需要重复输入，同 时可通过曲线编辑器方便的创建和修改特性文件。 下图2222 说明了一个完整的前悬架的装配过程： 雷2 2 22 a d a m s 装配的文件结构 c o m m u n i c a t o r 数据连接器使得子系统之间以及子系统与试验台之问能够交换信 息，包括装配信息和仿真时动态信息的交换。正确建立通信数据连接器是物理样机动 2 多体动力学及a d a m s 、a n s y s 软件介绍硕士论文 力学模型建模的关键。通信数据连接器分为两种： ( 1 ) i n p u tc o m m u n i c a t o r ：输入数据连接器，向其他子系统或者测试平台请求信息， 为该子系统服务。 ( 2 ) o u t p u tc o m m u n i c a t o r ：输出数据连接器，向其他子系统或者测试平台提供信息， 为其他子系统提供服务。 建立通信数据连接器需要定义该连接器的属性( m i n o rr o l e ) 。属性的作用类型 有：a n y 、f r o n t 、r e k r 、t r a i l e r 和i n h e r i t 。 需要特别注意的是，在t e m p l a t e s 模块的创建过程中，不能直接创建类型为m o u n t 的输脯出数据连接器，只能通过创建一个无质量零件( m o u n tp a r t ) ，系统自动产生 一个输入数据连接器( i n p u tc o m m u n i c a t o r ) ，此时，在相对应的其他子模块中创建相 互匹配的输出数据连接器( o u t p u tc o m m u n i c a t o r ) ，才能正确装配子系统，从而交换 信息。 同一个输入数据连接器只允许有一个输出数据连接器与之对应，同一个输出数据 连接器可以为众多的输入数据连接器提供信息服务。 若输入数据连接器没有和输出数据连接器正确匹配，系统将会报错，若输入数据 连接器类型为m o u n t ，在仿真时，输入数据连接器默认将固结在地面上，导致仿真失 败【1 0 】 1 1 】。 2 3a n s y s 软件 a n s y s 是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。它拥有功能完备的预处理 器和后处理器，强大的图形处理能力以及得心应手的实用工具。目前，a n s y s 已经 广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、国防军工、生物 医学、水利等工业及科学研究。它含有多种分析能力，包括简单线性静态分析和复杂 非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含 了预处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机技术相结合， 己成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。 a n s y s 具有多种多样的分析能力。主要分析类型包括：结构静力分析、结构动 力分析、结构非线性分析、结构屈曲分析、热力学分析、电磁场分析、声场分析、压 电分析、流体动态分析 9 1 。 随着计算机技术的发展，有限元分析在车架、车身、