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基于仿真技术的鼓式制动器效能研究 摘要 随着汽车性能的提高，对汽车安全性能的要求也越来越高。制动器是汽车 制动系统中最重要的安全部件，对汽车的安全性有着重要的作用，因此对制动 器的制动性能进行分析研究有着重要的意义，而由于经济性、时间和安全性的 考虑，往往无法进行试验验证，此时可以通过系统仿真的方法来实现。 本文应用a d a m s 软件根据制动器试验台模型建立了制动器的仿真模型。文 中介绍了制动器试验台的设计原理及相关参数的计算，说明了相关软件的使用 方法和建模过程中的注意事项，创建了制动器仿真模型。并利用仿真模型对某 型号鼓式制动器的制动效能进行了仿真分析，利用仿真结果一一飞轮组和制动 鼓的减速度、制动力矩、效能因数等参数随时间的变化曲线对此制动器的制动 效能进行了分析研究。通过仿真得出了制动效能因数随摩擦系数的变化情况， 分析了其产生变化的原因并提出了相关的改进措施。在建立制动器仿真模型的 过程中考虑了部分零部件的弹性变形对仿真精度的影响，并采用了有限元分析 的方法对其进行了处理。 文中建立制动器仿真模型的方法具有通用性，这就为分析各种类型的制动 器的制动性能提供了便利。 关键词：鼓式制动器制动效能仿真试验台 4 r e s e a r c ho nd r u mb r a k e b a s e do ft h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t a l o n g 、 ，i t ht h ei m p r o v i n go ft h ea u t o m o b i l ec a p a b i l i t y , t h es e c u r i t yo f t h ea u t o m o b i l e b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b r a k ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts e c 嘶t yc o m p o n e n t s i n t h ev e h i c l ea n di tg r e a t l yc o n t r i b u t e st ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，s ot h er e s e a r c ho n b r a k ei sv e r yi m p o r t a n ta n dn e e d e d b u ts o m e t i m e si tc a nn o tb et e s t e dt h r o u g he x a m i n a t i o n b e c a u s eo ft h ee c o n o m y 、t i m eo rs e c u r i t y , a tt h i st i m e ，t h eb r a k ec o u l db et e s t e db y s i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , as i m u l a t i o nm o d e lo ft h eb r a k ei se s t a b l i s h e db a s e do ft h eb r a k et e s t - r i g i na d a m s ，i nt h i sp r o c e s s ，t h ed e s i g nt h e o r yo ft h eb r a k et e s t - r i gi si n t e r p r e t e da n dt h e w a yh o wt od e t e r m i n es o m er e l a t i v ep a r a m e t e r si sa l s oe x p l a i n e d ，i nt h em e a n w h i l e ，t h e u s a g em o d eo fs o m es o f t w a r ea n dm a t t e r sn e e da t t e n t i o ni nm o d e l l i n gp h a s ea l ei l l u s t r a t e d u s e dt h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h eb r a k i n ge f f i c i e n c yo fo n eb r a k ei sa n a l y z e d , a n da st h e c o n c l u s i o n ，w eg e tt h ev a r i e t yo fa c c e l e r a t i o n 、t o r q u ea n db r a k i n ge f f i c i e n c yf a c t o ra l o n g w i t ht h et i m e w ea l s og e tt h ev a r i e t yo fb r a k i n ge f f i d e n c yf a c t o ra l o n gw i t ht h ef r i c t i o n f a c t o rt h r o u g hs i m u l a t i n gt h em o d e l ，a tt h es a m et i m e ，w ea n a l y z et h er e a s o nw h yt h e s e p h e n o m e n ah a p p e na n dp r o p o s es o m em e t h o d st oi m p r o v ei t i nt h ep r o c e s so fm o d e l i n g t h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fs o m ef l e x i b l eb o d yt ot h ep r e c i s i o no ft h es i m u l a t i o n i sa l s oc o n e e m e d ，a n dt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt os o l v et h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h ew a yo fs e t t i n gu pt h es i m u l a t i o nm o d e li su n i v e r s a l ，s oi ti sv e r y c o n v e n i e n tt oa n a l y z eo t h e rb r a k es y s t e m 、i md i f f e r e n ts t r u c t u r eo rd i f f e r e n tc o n t a c t m o d e l s k e yw o r d s ：d r u m b r a k e b r a k i n ge f f i c i e n c y s i m u l a t i o n t e s t - r i g 插图清单 图2 1 虚拟样机技术与传统c a d c a e c a m 技术比较一6 图2 2 传统产品开发流程一7 图2 3 虚拟产品开发流程一一7 图2 4 传统设计方法和虚拟样机设计方法之比较一一8 图3 1 车轮在锖0 动时的受力情况一一2 0 图3 2 制动过程中地面制动力、制动器制动力及附着力的关系一2 1 图3 3 缈。一s 关系曲线一一一2 3 图3 4 试验台结构示意图一一一2 6 图4 一l 制动器仿真模型 图4 2 摩擦片柔性体网格模型 图4 3a n s y s 到a d a m s 的接口界面 图4 4 参数定义界面 图4 5 哑物体与制动鼓接触函数的定义 图4 6 摩擦系数与滑动速度曲线 图4 7i m p a c t 函数示意图 图5 1 汽车的制动过程 图5 2 初速度为3 0 k m h 时的制动减速度变化曲线 图5 3 初速度为3 0 k i n h 时的制动力矩变化曲线 图5 4 初速度为3 0 k m h 时的效能因数变化曲线 图5 5 摩擦系数为0 3 8 时的减速度变化曲线 图5 6 摩擦系数为0 3 8 时的制动力矩变化曲线 图5 7 摩擦系数为0 3 8 时的效能因数变化曲线 图5 8 摩擦系数和效能因数关系曲线 图5 9 初速度为5 0 k i n h 时的效能因数变化曲线 图5 一1 0 初速度为7 0 k m h 时的效能因数变化曲线 9 弘弘船们虬鸽钙钙钙盯钉钙镐的鼬 表3 一l 表3 2 表3 3 表5 1 表5 2 表格清单 乘用车制动规范对行车制动器制动性能的部分要求 两个车型的原始数据 两车型惯量值 摩擦片材料参数 不同摩擦系数时制动情况的对比 l o 1 9 2 5 2 8 4 4 4 8 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 ：金月曼工些太堂 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。 学位做作者签名：寸弓删 签字日期：游岁月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、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 权金自壁王些盔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) 学位论文作者签名：勺弓1 q 1 ) 导师签名： 签字日期：沙。g 年岁月妒日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：a 州扩年厂月厂日 电话： 邮编： 致谢 在论文成稿之际，我首先要感谢我的导师张洪潮教授和刘志峰教授，两位 老师都为我倾注了大量心血。他们严谨的工作作风、执着的学术追求，特别是 对学科发展方向的敏锐洞察力，令我由衷钦佩。两位老师不仅在理论学习和科 研中为我授业解惑，而且在日常生活中也给了我热情的关怀和支持。在此，向 两位老师表示忠心的感谢! 感谢谢峰教授，在完成论文的过程中，谢老师给了我很多帮助。在工作中， 谢老师身体力行、刻苦钻研的科研品质也深深感染了我，是我永远学习的榜样! 感谢林巨广教授、刘波师兄，感谢王建中、周强等高工以及江淮自动化装 备有限公司的全体员工，他们在学习上都给予我了很大的帮助，让我在知识方 面有了很大的提高。 在论文的准备过程中，也得到了许多朋友、同学的热心帮助，有田莹莹、 安吉阁、刘欣、卞世春、李冰、陆平等等，在此向他们说声谢谢! 最后要感谢我的家人，感谢我的爸爸妈妈，感谢我的姐姐，我能够走到今 天与他们在背后默默地支持是分不开的，他们的期望也是我继续努力的不竭动 力1 6 冯刚 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 自1 8 8 6 年第一辆以内燃机为动力的汽车诞生以来，汽车工业经历了百余年 的发展过程。由于社会需求不断增长和科学技术发展进步的有力推动，汽车的 设计日臻精巧，其运输能力和各项性能都得到很大提高。现代汽车已成为世界 各国社会生活中不可缺少的一种运输和交通工具。汽车产业也成为许多国家的 支柱产业，汽车工业的规模和汽车产品的质量已经成为衡量一个国家科技发展 水平的重要标志之一。 汽车制动系是汽车的重要组成部分，是保证汽车安全行驶的必要系统。一 般来说，任何一辆汽车的制动系都由供能装置、控制装置、传能装置和制动器 组成。所有这些装置必须协调工作，以保证汽车能以所需要的减速度减速行驶 直至停车，且车辆在制动过程中运行平稳。许多交通事故的发生都直接或间接 的与制动系统无法有效工作有关，汽车的制动性能一直是人们关注的焦点之一。 1 1 制动器的定义与分类 制动器是制动系中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的部件，后一提法适 用于驻车制动器。它吸收汽车的动能，使之转变为热能散失到大气中，迫使汽 车车速迅速降低，直至停车。制动器可分为鼓式和盘式两大类。 鼓式制动器也叫块式制动器，是靠制动块在制动轮上压紧来实现刹车的。 鼓式制动器有内张型和外束型两种，前者的制动鼓以内圆柱面为工作表面，后 者的制动鼓的工作表面则是外圆柱面，外束型鼓式制动器目前只有极少数汽车 用做驻车制动器。鼓式制动是最早设计的制动系统之一，其刹车鼓的设计1 9 0 2 年就已经使用在马车上，1 9 2 0 年左右开始在汽车工业中广泛应用。现在鼓式 制动器的主流是内张型，它的制动块( 刹车蹄) 位于制动轮内侧，在刹车的时候 制动块向外张开，摩擦制动鼓的内侧，达到刹车的目的。 盘式制动器又叫做碟式制动器，其摩擦副中的旋转元件是以端面为工作表 面的金属圆盘，此盘称为制动盘。盘式制动器一般是由液压控制。在相同的制 动工况下，盘式制动器和鼓式制动器有显著的特性差异。常规制动时鼓式制动 器的减速度在达到峰值后会有所下降，这是由于载荷增加时各部件变形带来的 制动衰退，而盘式制动器制动时的减速度是稳定提高的，汽车减速度与制动管 路的压力呈线性关系，这意味着制动过程更加平顺。而且由于没有如鼓式制动 器的增力作用，因此摩擦系数的变化对制动效率没有多大影响。和鼓式制动器 相比，由于盘式制动器的制动盘暴露在外，散热快，所以基本上无热衰退现象， 连续多次使用制动力矩变化小，热稳定性要比鼓式制动器要好；盘式制动器的 单位工作压力较高，易于把侵入其间的水挤出，并且由于衬块对盘的擦拭作用 和旋转离心甩水作用，使得盘式制动器比鼓式制动器排水容易得多，浸水后制 动效率降低不多比1 ，所以水稳定性比鼓式制动器也要好。 相对于盘式制动器来说，鼓式制动器散热性能较差，在制动过程中会聚集 大量的热量，使制动块和轮鼓在高温影响下容易发生极为复杂的变形而产生制 动衰退和抖振现象，引起制动效率下降。鼓式制动器的制动力稳定性也较差， 在不同路面上制动时，制动力变化很大，不易控制。另外，鼓式制动器在使用 一段时间后，要定期调整刹车蹄与制动鼓之间的空隙，甚至要把整个刹车鼓拆 下清理累积在内的刹车粉。 但是，鼓式制动器也具有其本身的优势。因其构造简单，造价较低，且便 于加装驻车制动机构，故广泛应用于中、重型载货汽车和客车的前、后轮以及 轿车后轮的制动器中。四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负荷 通常占汽车全部负荷的7 0 一8 0 ，前轮制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作用。 因此，轿车生产厂家为了降低成本，通常采用前盘后鼓的制动方式。对于重型 车来说，由于车速一般不是很高，且鼓式制动器刹车蹄的耐用程度优于盘式制 动器，而且其机构紧凑，制动功率大，所以鼓式制动器是其最常采用的制动装 置。 1 2 制动器的研究现状 随着公路交通系统的迅速发展，车辆速度的提高以及车辆密度的日益增 加，为了保证行车的安全性，制动系统的制动性能以及可靠性就显得更加重要。 提高制动器的设计和制造水平，改善汽车的制动性能，已成为汽车领域里越来 越重要的课题。 1 制动噪声成为汽车领域中越来越重要的课题各种研究和经验表明，汽 车制动时的共振、制动器各个部件的变形是振动、噪声以及制动器不正常磨损 的原因。国外对制动器的研究集中在降低制动器的噪音上，而且依据频率的不 同将噪音分为两类，即低频噪声和高频噪声。低频噪声的频率在1 0 0 1 0 0 0 h z 范围内；高频噪声通常又称尖叫声，其频率范围在1 1 2 k h z 内，而且通常发生 在制动器动作的最后阶段。 随着社会现代化的进步以及汽车工业和交通运输业的发展，城市机动车辆 拥有量日益增加。据国外资料统计，机动车辆所包括的总功率，比其他各种动 力( 飞机、船舶、电站等) 的总和大2 0 倍以上。它们所辐射的噪声，约占整个 环境噪声能量的7 5 。各种调研和测量结果也表明，城市交通噪声是目前城市 环境中最主要的噪声源。因此，降低机动车辆本身的噪声，是减少城市环境噪 声的最根本途径口1 。 迄今为至，人们已经把全息照相、激光多普勒分析、有限元分析以及试验 模态技术等引入到制动器的振动和噪声研究中，并取得了大量的成果。全息照 相技术向人们展示了制动过程中振动的真实形态；有限元及模态分析的统一， 使得建立与实际相符合的振动的数学模型成为了可能，这些都对制动系统的设 计和分析提供了便利h 1 。 2 2 计算机仿真技术越来越多地用于汽车的研究开发和设计制造中，虚拟样 机技术得到快速发展。对于尚未完成或者处于经济性、安全性等因素的考虑， 无法通过试验进行验证的设计研究，往往需要借助系统仿真来实现这一要求。 随着计算机软硬件技术的发展，计算机对数据的处理能力有了突飞猛进的 提高，这也使得计算机仿真技术的运用成为可能，虚拟样机技术已成为解决工 程问题的一种快速、有效的手段。 采用仿真方法研究汽车的各项性能时，需对汽车作适当的简化，然后应用 简化模型进行计算分析。随着简化程度的不同，必然会使计算结果与实际情况 之间存在不同程度的偏差。 3 积极采用其它材料和新型材料如摩擦片采用不含石棉的新材料，西伯 瑞制动器公司生产的制动器采用德国美巴( m i b a ) 材料制作衬垫，它是一种铜 基烧结材料，可用于赛车和高速列车的刹车衬垫，具有很强的耐磨性和耐高温 性能。运用于制动器上，可以承受最大圆周速度8 5 m s ，最高制动盘温度8 5 0 。在6 0 0 时，其动态平均摩擦系数可稳定保持在o 4 0 5 之间隋1 。 4 制动器的热分析例如基于制动过程中能量耗散的研究，建立制动过程 中温度场分析的快速有限元仿真模型，获得瞬态温度场仿真结果，应用试验验 证仿真结果，确认快速仿真模型的正确性与实用性，从而为制动器的抗热衰退、 热疲劳设计提供系统的解决方案。 1 3 课题来源 江淮自动化装备有限公司受江淮汽车集团委托，为其搭建轻、中型卡车制 动性能试验平台，实验对象包括h f c l 0 2 0 k w l ( 轻卡) 至h f c l 0 8 3 k r l ( 中卡) 间 所使用的制动器，此试验台架的功能为对上述类型制动器的制动性能进行试验。 本文运用机械系统动力学软件a d a m s 对制动器试验台进行了简化建模，建立了 制动器的仿真模型，并应用仿真模型对制动器的制动效能进行了分析。通过仿 真，从中得到惯性飞轮组和制动鼓的角加速度、制动力矩、效能因数等随时间 的变化曲线，这既有助于对制动器的性能和工作情况的把握，为制动器的设计 和改进提供帮助，还可以对制动器试验台的工作过程和原理有一个直观形象的 展示。 1 4 本课题的研究意义以及主要研究内容 制动器是汽车制动系统中最重要的部件，其性能的好坏直接关系到整车的 安全性，所以对其性能进行深入的分析、研究和评价以便判断其是否满足设计 要求具有十分重要的意义。 制动器的工作环境复杂，影响因素很多，有些现象具有不可重复性，试验 研究虽然是最好的方法，但这要消耗大量的人力和物力，尤其是在产品的开发 阶段更是非常困难。而且所得到的结果只能告诉我们产品是否被破坏及其破坏 时的一些现象，并不能分辨出为何破坏，是哪些因素导致了产品的破坏，要将 各个因素逐个地隔离也很困难。但是随着计算机技术的发展，各种c a d c a m c a e 分析软件的开发，使得模型的建立更加准确、直观，也更能反映出产品的实际 情况，日益完善的算法也更加能保证计算结果的可信度。 本研究集合有限元分析理论和动力学分析理论，利用现有的有限元分析软 件和动力学分析软件，基于制动器试验台的设计，建立了制动器的仿真模型， 通过仿真的方法对制动器的制动效能进行分析研究，这就可以在不进行实际试 验的情况下对制动器的制动效能进行分析预测，即节省了费用又缩短了试验周 期，对制动器的设计和改进也有一定的指导意义。 利用仿真的方法可以对制动器的某些性能进行分析研究，在某种程度上可 以代替试验台架。由于在软件中可以快速地根据制动器的结构型式更改模型进 而对其进行仿真分析，所以这种方法具有通用性强，速度快的特点，仿真试验 的次数也不受限制，仿真结果具有可重复性。 主要研究内容： 1 根据相关的国家标准进行了制动器试验台的设计研究，并根据试验台 模型建立了制动器的仿真模型，为后面在a d a m s 中进行制动器的仿真分析做准 备： 2 在a n s y s 中建立了摩擦片的柔性体模型，生成了在a d a m s 中建立柔性体 模型所需要的模态中性文件。利用a d a m s v i e w 提供的宏命令开发扩展了 a d a m s v i e w 的基本功能，并利用宏命令自动建立了柔性摩擦片和刚性制动蹄的 连接以及和制动鼓的接触，从而建立了制动器柔性体仿真模型； 3 通过对制动器虚拟样机模型的仿真分析，得到了额定制动压力下飞轮组 和制动鼓的角加速度、制动力矩和效能因数随时间的变化曲线，并与制动器的 额定制动力矩进行了对比。通过比较验证了仿真模型的正确性和仿真方法的可 行性； 4 通过仿真得到了制动效能因数随摩擦系数的变化情况，分析了不同状况 下制动效能因数的变化情况及其产生的原因，并提出了一些相关的改进措施。 1 5 本章小结 本章首先对制动器的定义、分类和国内外的研究现状做了一个简要的描述， 指出对制动器进行各项性能分析，对提高整车的性能有着重要的意义。然后介 绍了本课题的来源、研究意义和研究的主要内容。 4 第二章虚拟样机技术和a d a m s 随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大 批量定制生产逐渐成为主导的生产形式。在这种情况下，企业要求得生存和发 展，就必须调整其产品开发和生产的组织模式，解决t ( 最快的上市时间) 、q ( 最好的产品质量) 、c ( 最低的产品成本) 、s ( 良好的产品服务) 和e ( 尽少 的环境污染) 等难题。而传统的设计模式要经过设计、样机试制、工业性试验、 改进定型和批量生产几个步骤。产品设计过程中早期的缺陷和失误往往需要反 复试验多次才能够发现，增加了新产品的研发周期和成本。另一方面，世界已 经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术得到了飞速发 展与广泛应用，这为t o c s e 难题的解决提供了机遇。在这样的背景条件下，虚 拟产品开发和虚拟样机技术应运而生。虚拟产品开发和虚拟样机技术的出现是 市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共同作用的结果口1 。 2 1 虚拟样机技术 2 1 1 虚拟样机的含义随1 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术是计算机辅助工程( c a e ) 中的一个 重要分支，它是人们开发新产品时，在概念设计阶段，通过学科理论和计算机 语言，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，达到提高设计性能、降低设计成 本、减少产品开发时间的目的。虚拟样机中所谓的“虚拟 是相对实际的物理 样机而言，体现了样机的数字化。 随着人类社会进步的加快，人们生活水平不断提高，相应地对产品的要求 也越来越高，同时社会竞争更加激烈，产品复杂程度越来越高，产品开发周期 越来越短，产品保修维护期望越来越高，生产计划越来越灵活，在现实中还有 一些客观的约束条件，例如昂贵的物理样机试验，严格的法律法规要求等，因 此要提高产品质量，缩短开发周期，并不是容易的事情。要克服以上困难，一 个行之有效的方法就是通过虚拟样机进行仿真模拟，在未真正生产出真实的产 品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷的存在， 提出改进意见。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是 利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及 其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定 引起系统及其构件运动所需的作用力及其反作用力等阳1 。 2 1 2 虚拟样机技术与传统c a x ( c a d c a e c a m ) 技术的比较和联系 从2 0 世纪7 0 一8 0 年代起，传统意义上的c a d c a e c a m 技术开始进入实用 阶段，它们主要关注产品零部件的质量和性能，通过采用结构设计、工程分析 和制造过程控制软件或工具，以达到设计和制造高质量零部件的目的。具体地 说，传统的c a d 技术基于三维实体几何造型技术，支持产品零部件的详细结构 设计和形态分析。传统的c a e 技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件的 结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。传统的c a m 技术旨在提高产品 零部件的可制造性，提供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等 方面更好的控制。 在过去的几十年里，传统的c a d c a e c a m 技术在主要的工业领域( 汽车、 航空、通用机械、机械电子等) 得到了广泛的应用，并且取得了巨大的成效。 以汽车工业来说，在1 9 9 5 1 9 9 9 的五年里，零部件故障率降低了4 0 ，与之相 伴的是产品开发和制造成本的相应降低。 但是，产品零部件的优化并没有带来期望的系统的优化。还以汽车工业为 例，在同样的周期内，虽然采用优化了的零部件，但整车制造商并没有取得与 之对应的效益的提升。这是因为产品零部件的形态特性、配合性、功能、制造 过程中的装配性等因素之间存在着依赖关系，其间的相互作用极大地影响了产 品的整体质量和性能。 虚拟样机技术与传统c a d c a e c a m 技术最大的差别正在于这一点，即前者 是面向系统的设计分析制造，以提高产品整体质量和性能并降低开发与制造 成本为目的，而后者是面向产品零部件的设计分析制造，以提高零部件的质 量和性能为目的。两者的对照和比较如图2 1 所示。 设计 一 分析 一 产品 面向系统的虚拟样机技术 虚拟物理样机虚拟样机技术虚拟产品 ( 数字化物理样机)( 功能虚拟样机)( 虚拟工厂仿真) 面向零部件的传统c a d c a e c d v i 技术 c a dc a ec a m 产品数据管理系统( p d m ) 产品全生命周期管理系统( p l m ) 图2 一l 虚拟样机技术与传统c a d c a e c a ( 技术比较 虚拟样机技术作为一种分析手段，既可单独使用，也可与其他c a x 软件集 成使用。以a d a m s 为例，当采用a d a m s 软件单独进行分析时，可用其a d a m s v i e w 模块建立待分析的系统模型，然后用其a d a m s s o l v e r 模块求解。然而，为了使 仿真分析得以更加顺利地进行，常常采用多种软件协同工作，将机械动力学仿 真软件与c a d ，f e a 集成，如采用c a d 软件建模更加方便、准确，生成的图形更 6 加逼真，动态仿真效果更好；从准确的c a d 模型中可更方便地得到准确的质量 参数，如零件质量、质心位置、惯性矩等；机械动力学仿真软件建立柔体模型 的功能非常有限，可利用有限元分析软件生成模态中性文件，再输入到机械动 力学仿真软件中生成准确的柔体模型；尽管机械动力学软件能够确定零件间的 相互动力关系和作用力，但不能分析零件的应力，所以又要借助有限元分析软 件来完成n 0 。 2 1 3 虚拟产品开发流程 传统产品开发，在概念设计( 产品规划) 之后，是一个产品设计一样机建 造一测试评估一反馈设计的循环反复过程，这其中的每一次循环，都伴随有物 理样机的建造或修改，随之而来的是产品开发周期的延长和丌发成本的增长。 虚拟产品开发，将传统的产品设计一样机建造一测试评估一反馈设计的循 环过程采用虚拟样机技术来完成，避免了物理样机的建造，不仅有利于缩短产 品丌发周期，而且大大降低产品开发成本。 图2 3 虚拟产品开发流程 如图2 3 所示的虚拟产品开发流程可以看到，在虚拟产品开发过程中，起 到核心作用的是虚拟样机( v ir t u a lp r o t o t y p e ) ，它统一了产品开发过程中的 产品设计一样机建造一测试评估过程。 对比虚拟样机技术和传统的设计方法，可以发现虚拟样机技术具有如下特 点： 1 提供了一个全新的产品研发模式。虚拟样机技术以在计算机上构造数字 化产品为目标驱动，使得产品模型易于修改；通过可视化技术和虚拟现实技术， 可以直观、方便、迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数； 模拟各种真实工况下虚拟样机的性能，如不满足要求即可进行修改，修改过程 即数字产品模型再“制造一、再快速模拟分析过程，如此循环直至得到满足设 计要求的数字化产品模型； 2 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。不同于基于串行 工程的传统物理样机技术，基于并行工程的虚拟样机技术使得产品的设计可同 时由不同学科、不同领域的设计人员分工设计产品的不同部分；在产品的初步 方案确定后同时进行性能分析、机构运动学和动力学仿真、有限元分析、数控 仿真等工作，并根据各自的仿真分析结果提出改进措施。而且通过虚拟样机可 以完成无数物理样机无法进行( 由于成本和时间不允许) 的虚拟试验，从而无需 制造物理样机就可以获得产品级的优化设计方案。不仅缩短了开发周期，而且 提高了设计效率、设计质量和一次开发的成功率3 。 虚拟样机技术与传统的设计方式相比，各自在产品利润与开发周期之间的 关系如图2 4 所示。利用虚拟样机技术，有时只需要投入传统设计方式1 0 的费用，就可以达到传统设计9 0 的目标。 目 标 利 润 时间 图2 4 传统设计方法和虚拟样机设计方法之比较 2 1 4 虚拟样机技术的应用 虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都已得到广泛的应用， 应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国 防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等诸多方面。 美国波音飞机公司的波音7 7 7 ，是世界上首架以无图纸方式研发及制造的 8 飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研 发周期大大缩短，研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火 星探测器“探路号 和c a t e r p i l l e r 公司大型设备虚拟仿真是虚拟样机技术应 用的另外两个典型例子。 美国航空航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 成功地实现了火星探测 器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。j p l 工程师利用虚拟 样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段( 进入大气层、减速和着陆) 的工作过 程。在探测器发射以前，j p l 工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭 与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修 改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的 成功。 c a t e r p i l l a r 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。 由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以， 为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。c a t e r p i l l a r 公司 采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验 多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工 程机械的著名厂商j o h n d e e r e 公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现 象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了 原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了 产品的高速行驶性能与重载作业性能。 目前，虚拟样机技术在我国也得到了应用与推广，主要在汽车、航天航空、 武器制造、机械工程等领域。但从我国目前的情况来看，虚拟样机技术主要在 汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛，但也只停留在初步应用阶段。 在其它行业应用较少，主要在专业研究机构和高校研究机构中应用，可见我国 对于虚拟样机技术的应用水平还不高。 作为一种先进的设计方法，虚拟样机技术有助于企业做出前瞻的决策，实 现产品总体优化目标，为企业赢得用户和市场提供有利条件。在2 l 世纪里，虚 拟样机技术势必会成为将来产品研发的主流，特别是在成本高、系统复杂、不 可能制造多台物理样机的行业前景看好。结合我国的特殊情况，这项技术可以 优先应用于国民经济的骨干行业，像汽车工业、工程机械行业、军事工业和重 点机械投资项目等，这些行业对国民经济的发展会带来可观的经济效益u 羽。 随着汽车的运行速度越来越高，能量消耗要求越来越高，最大限度地减轻 汽车质量，提高零部件寿命和乘员安全性、舒适性等，已成为汽车市场激烈竞 争的焦点。在九十年代初。西方国家的许多汽车公司，都把考虑汽车零部件的 柔性对整车系统的平顺性、操纵稳定性、主动和被动安全性以及噪声等动态特 性的仿真分析，作为虚拟样车设计与制造的重要研究课题。考虑汽车零部件的 9 柔性以提高仿真分析的精度，己成为开发新产品的关键。由于计算机软硬件技 术的发展，利用柔性多体系统动力学来建模和仿真分析成为可能。例如，1 9 9 2 年，福特公司采用柔性多体系统建模方法，将多刚体动力学软件与有限元软件 结合，分析了汽车样车操纵运动特性3h 3 。 2 2m s c a d a m s 软件介绍 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商 业化虚拟样机软件实现的。m s c 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 ) 软件是美国m s c s o f t w a r e 公司的系列软件产品之一，为 世界各行业的数百家主要制造商所采用，占据了机械系统动态仿真分析软件国 际市场的主要份额。 m s c a d a m s 软件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，其求解器的工作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，最后输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。m s c a d a m s 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。m s c a d a m s 软件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。 m s c 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。基本模块包括用户界面模块( a d a m s v i e w ) 、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 ) ，提供最基本的建模、 求解和观察仿真结果的工具。扩展模块包括液压系统模块( 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 t i o n ) 、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 ) 等，提供针对特定领域的通用性扩展功 能。接口模块包括柔性分析模块( 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 ) 、 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 ) 等，提 供与其他领域软件的接口。专业领域模块包括轿车模块( a d a m s c a r ) 、悬架设 计软件包( s u s p e n s i o nd e s i g n ) 、驾驶员模块( a d a m s d r i v e r ) 、动力传动系统 模块( a d a m s d r i v e li n e ) 、轮胎模块( a d a m s t i r e ) 、发动机设计模块 ( a d a m s e n g i n e ) 、铁路车辆模块( a d a m s r a i l ) 等，提供针对特定领域的专用 模块。工具箱包括软件开发工具包( a d a m s s d k ) 、虚拟试验工具箱( v i r t u a lt e s t l a b ) 、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 ) 、履带轮胎式车辆工具箱( t r a c k e d w h e e l e dv e h i c l e ) 、 齿轮传动工具箱( a d a m s g e a rt 0 0 1 ) 等。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 1 0 快速有效的建模与仿真分析n 钉。 2 2 1m s c a d a m s 软件的主要特点 1 具有强大的分析求解功能 a d a m s 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使得求解快速、准确， 分析类型包括运动学、动力学、静力学和准静力学，包含刚体分析和柔性体分 析。a d a m s 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型在某一个过程变化的 能力，可预测机械系统的性能，如运动范围、峰值载荷等。 2 具有开放式结构 在a d a m s 中允许用户自定义函数，包括自定义编译函数( 属于设计过程函数 和自定义子程序( 属于运行过程函数) 两种。用户自定义的函数在编译、连接 和激发后就可以像运用系统提供的函数一样去使用它。同时a d a m s 支持同大多数 c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通信。如可以将c a d 软件中的实体模型导 入a d a m s 中，从而弥謇i a d a m s 建模能力的不足；a d a m s 与限元软件如a n s y s ，n a s t r a n 之间的通信可以充分考虑柔性部件对整个系统运动的影响，从而得到精确的动 力学仿真结果。 3 具有方便用户使用的图形界面 利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，用户可以快速建立机械系 统的三维参数化模型，a d a m s 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动。仿 真结束后，可以自动输出位移、速度、加速度和反作用曲线，仿真结果可以显 示为动画和曲线图形n 引。 2 2 2m s c a d a m s 在工程中的用途 a d a m s 软件可以帮助改进各种机械系统的设计，从简单的连杆机构到车辆、 飞机、卫星，甚至复杂的人体。例如，在航空和国防工业中，a d a m s 能够仿真分 析飞机起落架、货舱门以及载重车辆和武器的动力学问题；在航天工业中，它 能用于太阳能电池板的展开和回收过程的运动、动力分析；在汽车工业中，能 用于卡车、越野车以及其他车辆的动力学分析；在生物力学和人机工程学领域， a d a m s 能用于人机界面设计、事故重建、车辆乘员保护以及产品的人机工程学设 计；在机电产品中，它能用于磁盘和磁带驱动器的设计，传真机以及电路断电器 的设计；在健身娱乐产品中，它能用于健身自行车以及其他健身运动器材的设 计；在一般机械中，如电动印刷机、家用电器、电梯等都可以用a d a m s 进行设计 和分析；在制造业中，机器人、材料加工设备、包装机械以及食品加工设备的 设计也都能够应用a d a m s ：在铁路系统中，a d a m s 能够用于车轮与铁轨的相互作 用分析以及车厢之间耦合的动力学问题n ”。 2 3a d a m s 的分析和计算方法 a d a m s 采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程 方法，建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考坐标系 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儿广义坐标，用带乘 子的拉格朗日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 以笛卡儿广义坐标为变量的运动学方程。a d a m s 的计算程序应用了吉尔( g e a r ) 的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率。 2 3 1 广义坐标的选择 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯 性空间中的一般运动时，可以用它的连体基的原点( 一般与质心重合) 确定位 置，用连体基相对惯性基的方向余弦矩阵确定方位。为了解析地描述方位，必 须规定一组转动广义坐标表示方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本 身的元素作为转动广义坐标，但是变量太多，同时还要附加六个约束方程；第 二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标，它的算法规范，缺点是在逆问 题中存在奇点，在奇点位置附近数值计算容易出现困难；第三种方法是用欧拉 参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角时不存在奇 点。a d a m s 软件用刚体f 的质心笛卡几坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐 标，即鼋；= b ，y ，z ，目，伊f ，孽= b f ，g ；，g ：f 。由于采用了不独立的广义坐标， 系统动力学方程虽然是最大数量，但是却是高度稀疏耦合的微分代数方程，适 用于稀疏矩阵的方法高效求解。 2 3 2 动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： 丢嘲一7 咖咖= q磊l 副一隋j +