（光学工程专业论文）多连杆悬架系统性能仿真研究.pdf

独创性声明 1 1 1 11 1i it iii it iii i iu i y 18 8 0 3 5 8 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已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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：日期丝丝：丝 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，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车悬架系统是传递车身与轮胎之间各种力和力矩的连接装置。汽车悬架系 统基本上是由弹性元件、减振器和导向机构三大部分组成。这三部分分别起缓冲、 减振和导向作用，共同承担传递轮胎与车身之间的各种力和力矩的任务。悬架作 为上述各种力和力矩的传动装置，其性能的好坏是影响汽车行驶平顺性和操纵稳 定性最重要、最直接的因素。由于多连杆悬架良好的性能，现在越来越多的家用 轿车在后悬架上采用多连杆悬架。从发展趋势上看，多连杆悬架正在往普通轿车 上普及。本文主要是利用a d a m s 软件，对某轿车多连杆悬架进行仿真研究。 本文首先从评价指标和评价方法两个方面对评价独立悬架运动学和弹性运 动学的特性进行了阐述。从反映车轮定位参数、转向操纵性、悬架纵向和侧向刚 度、车身纵倾和侧倾等四个方面归纳了独立悬架运动学和弹性运动学特性的悬架 性能参数指标，给出了它们的定义，并尽力阐述了这些参数对汽车操纵稳定性等 重要性能的影响及其合理的变化趋势或范围。 对某多连杆独立后悬架的结构进行了详细分析，并详细叙述了在 a d a m s a 娘中该悬架模板开发的整个过程。包括：建立硬点、建立一般部件 和安装件、添加几何实体、添加铰链约束和轴套约束、添加力元、设置悬架特性 参数、建立输入和输出信息连接器，最终开发出多连杆独立后悬架的模板，建立 该悬架子系统。 通过a d 削s q r 软件平台，对多连杆式独立悬架模型进行了左右车轮平 行跳动的悬架运动学仿真试验及外加制动力、侧向力和回正力矩的悬架弹性运动 学仿真试验。利用a d 气m s q r 后处理模块对多连杆独立悬架在仿真试验中所 表现出的运动学和弹性运动学特性给予分析评价。 建立某轿车包括前后悬架、横向稳定杆、轮胎、发动机、车身等子系统在 内的整车动力学模型。根据整车操纵稳定性试验标准g b 椰3 2 3 9 4 的规定，对 所建整车模型进行了稳态回转试验、转向盘角阶跃试验、转向盘角脉冲试验仿真 分析并对结果进行了评价。 关键词：多连杆后悬架，悬架性能，a d a m s c a r ，仿真分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi sac o n n e c t i n gd e v i c e ，w h i c ht r a n s m i tv a r i o u s f o r c ea n dm o m e n tb e t w e e nb o d ya n dt i r e t h ev e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi sm a i n l y c o n s i s t e do fs p r i n gc o m p o n e n t s ，d a m p e rc o m p o n e n t sa n do r i e n t a t i o nm a c h i n e t h e t h r e ep a r t sr e s p e c t i v e l yp e r f o r m st h ef u n c t i o n so fc u s h i o nd a m p i n ga n do r i e n t a t i o n , a n dc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e rt of i n i s ht h et a s kt h a tt r a n s f e r sa l lk i n d so ff o r c e sa n d t o r q u e sf r o m t i r e st ov e h i c l eb o d y a st h i sk i n d o fe q u i p m e n tt h et r a n s f e r r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h es u s p e n s i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n ta n dd i r e c tf a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ev e h i c l er i d ep e r f o r m a n c ea n dh a n d l i n gp e r f o r m a n c e f o rm u l t i - l i n k i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nh a v i n gag o o dp e r f o r m a n c e ，s om o r ea n dm o r em u l t i - l i n k s u s p e n s i o n sa r eu s e di nt h er e a l s u s p e n s i o n so ff a m i l yc a r sn o w f r o mt h et r e n do f d e v e l o p m e n t ，m u l t i - l i n ks u s p e n s i o n sa r es p r e a d i n gt oo r d i n a r yc a 墙u s i n gt h e a d a m s ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h em u l t i - l i n ki n d e p e n d e n ts u s p e n s i o no fac a l t h ea r t i c l ee l a b o r a t e so nt h ev e r d ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nk i n e m a t i c sa n d e l a s t i c i t yk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c se v a l u a t i o np a r a m e t e r sa n dt e s t i n gm e t h o d h e r e e v a l u a t i o np a r a m e t e r sa n dt e s tm e t h o d sw a sr e s p e c t i v e l yd i s c u s s e d a tt h e e v a l u a t i o n p a r a m e t e r sp a r t ，t h ea r t i c l ep o i n to u ts u s p e n s i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st oe v a l u a t e i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nk i n e m a t i c sa n de l a s t i c i t yk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dg i v e t h ee x a c td e f i n i t i o n so ft h e s ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a tt h es a m et i m et h ea r t i c l e e n d e a v o r st od i s c u s st h ec h a n g e a b l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ep a r a m e t e r sa n dt h e i r i n f l u e n c e st ot h ev e h i c l eh a n d l i n gp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h em u l t i - l i n k r e a l s u s p e n s i o ns t r u c t u r ei nd e t a i l ，a n d d e s c r i b e st h ew h o l ep r o c e s so fd e v e l o po fm u l t i l i n kr e a rs u s p e n s i o nt e m p l a t e ， i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fh a r d p o i n t ，g e n e r a lp a r ta n dm o u n tp a r t ，g e o m e t r y , j o i n t a n db u s h i n g , f o r c e ，p a r a m e t e r , i n p u tc o m m u n i c a t o ra n do u t p u tc o m m u n i c a t o r a tl a s t ， e s t a b l i s h e st h em u l t i l i n kr e a rs u s p e n s i o nt e m p l a t e ，a n db u i l d st h es u b s y s t e mo f m u l t i l i n kr e a l s u s p e n s i o n w i t ha d a m s c a rs o f t w a r e ，t h ea r t i c l es i m u l a t e st h es e v e r a ld i f f e r e n t e x p e r i m e n t sf o rt h em u l t i l i n ki n d e p e n d e n ts u s p e n s i o na s s e m b l ys y s t e m s t oe v a l u a t e 武汉理工大学硕士学位论文 t h es u s p e n s i o nk i n e m a t i c sa n de l a s t i c i t yk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea r t i c l ep l o t sa l l k i n d so fc l t l l v e $ w i t ha d a m s c a r p o s t p r o c e s s o r , m e a n w h i l ea n a l y z e sc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em u l t i - l i n ki n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n e s t a b l i s h e st h ed y n a m i c sm o d e lo fac a r , i n c l u d i n gt r a c kr o d , f r o n ta n dr e a r s u s p e n s i o n ，s t e e r i n g , t i r e s ，e n g i n e ，b o d y , a n do t h e rs u b - s y s t e m s a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n t so ft h ec u r r e n ts t a n d a r d sg b t 6 3 2 3 - 9 4o fo u rn a t i o n s f o rv e h i c l e c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt e s t ，t h i sp a p e rs e t su pv e n u e se n v i r o n m e n t a ln e e d e db y t h es i m u l a t i o na n dc a r r yo u ts i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o rv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y s u c ha ss t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t ，s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u tt e s t ，a n ds t e e r i n g w h e e la n g l ep u l s ei n p u tt e s t a n a l y s i sa n de v a l u a t e ss t a b i l i t yc o n t r o lp e r f o r m a n c eo f t h e c a r k e yw o r d ：m u l t i - l i n kr e a rs u s p e n s i o n ，s u s p e n s i o np e r f o r m a n c e ，a d a m s c a r ， s i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究内容和意义。4 1 3 1 研究内容。4 1 3 2 研究意义。4 1 4 本章小结。4 第2 章a d a m s 软件简介。5 2 1 虚拟样机简介5 2 2a d a m s 简介6 2 3a d a m s ( ：a r 概述7 2 4 本章小结9 第3 章独立悬架性能评价指标及研究方法1 0 3 1 悬架概述。1 0 3 1 1 麦弗逊悬架1 0 3 1 2 双横臂悬架1 1 3 1 3 多连杆式悬架1 2 3 2 独立悬架性能评价指标1 4 3 2 1 反映车轮定位的参数1 4 3 2 2 反映转向操纵性的指标。1 7 3 2 3 反映悬架纵向和侧向刚度的指标2 0 3 2 4 反映车身纵倾和侧倾的指标。2 0 3 3 研究独立悬架运动学和弹性运动学特性的方法2 2 3 3 1 研究独立悬架运动学和弹性运动学特性的仿真法2 2 3 3 2 研究独立悬架运动学和弹性运动学特性的台架试验法2 3 3 4 本章小结2 3 第4 章多连杆独立悬架建模及仿真分析2 5 4 1 多连杆独立悬架结构特点分析2 5 4 2 多连杆式后独立悬架模型创建2 6 4 2 1 多连杆后独立悬架模板的开发2 6 4 2 2 多连杆后独立悬架模型3 2 4 3 多连杆式后独立悬架仿真分析。3 2 4 3 1 左右车轮平行跳动引起的悬架运动学仿真分析。3 2 4 3 2 外加载荷引起的悬架弹性运动学仿真分析3 8 4 4 本章小结。4 5 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章整车操纵稳定性试验仿真。4 6 5 1 整车模型的建立4 6 5 1 1 前独立悬架建模4 6 5 1 2 转向系统建模4 7 5 1 2 横向稳定杆建模4 7 5 1 3 车身建模 5 1 4 轮胎建模4 8 5 1 5 动力系统建模4 9 5 1 6 制动系统建模4 9 5 1 7 整车模型装配5 0 5 2 操纵稳定性试验仿真5 0 5 2 1 稳态回转试验仿真分析5 1 5 2 2 转向盘角阶跃输入试验仿真分析5 3 5 2 3 转向盘角脉冲输入试验仿真分析5 5 5 3 本章小结5 6 第6 章全文总结5 7 6 1 总结：；7 6 2 展望5 7 参考文献。5 8 致谢 附j 畏6 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 近几年，我国的汽车业得到了飞速的发展，汽车销售量已经排名全球第一。 与此同时，越来越多的家庭期望拥有私家车，但人们对汽车的要求也越来越高。 人们希望汽车经济实惠，舒适安全，还追求一定的驾驶乐趣。汽车悬架是汽车的 重要组成部分。作为汽车各种力和力矩的传动装置，悬架的性能直接影响汽车的 舒适性和操纵性。所以加强对悬架的研究，是汽车设计师一直关注的问题和工作 重点。他们期望通过提高悬架的性能来提升整个汽车的操纵稳定性和平顺性。悬 架性能的研究，自然需要有关于悬架的评价指标。目前对于悬架的评价，由于方 法的不同，而没有统一的标准，需要在悬架动力学和弹性动力学的系统的评价指 标做进一步探索和研究。期望有比较系统的归纳和分类来进行悬架性能的研究。 借助良好的市场，国内汽车企业都有了很好的成长，可喜的是部分汽车企业 越做越强，有了较强的市场竞争力。但还是与国外先进汽车企业有不小差距。目 前，国内企业加大对自主品牌和合资自主品牌汽车研发的投资力度，从而缩小与 外国企业的差距。在研发手段上，国外先进汽车企业已经使用了比较成熟的虚拟 样机技术，利用该技术全面开展对汽车的仿真研究开发，他们的经验表明，汽车 的虚拟样机技术将是一个大趋势。国内汽车企业也采取新的技术手段来加强对汽 车的研发。其中，a d a m s 软件是应用最广的机械系统动力学发展工具。 除了研发手段，为了提升产品的竞争力，越来越多的汽车企业开始采用结构 形式更为优秀的多连杆式独立悬架。多连杆式悬架是目前最先进的悬架，它不仅 可以保证拥有一定的舒适性，而且由于连杆较多，可以允许车轮与地面尽最大可 能保持垂直、尽最大可能减小车身的倾斜、尽最大可能维持轮胎的贴地性，因此 它们的操纵性良好。可以说，从理论上讲，多连杆悬架是目前解决舒适性和操纵 性矛盾的最佳方案。现在中高级轿车上一般都采用了多连杆后悬架。从发展趋势 上看，多连杆悬架正在往普通轿车上普及。而事实上，现在越来越多的家用轿车 在后悬架上采用多连杆悬架，由于采用了多连杆式后悬架，使它们的操纵性在同 级车中占有一定的优势。市场的需求，生产成本的下降，企业竞争力的提高，都 要求我们开始关注多连杆悬架，加强对它的研究，特别是采用先进的虚拟仿真技 术来快速，准确，反复进行研究。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 当独立悬架出现时，国外就开始了对悬架运动学和弹性运动学的研究。德国 耶尔森赖姆帕尔著的汽车底盘基础1 1 l ，详细分析了各种悬架的结构，总结 了它们的运动学及弹性运动学。对车轮定位参数做出定义，阐述了各个具体参数 的作用，分析它们是如何来影响汽车的操纵稳定性。分析了车轮定位参数随弹簧 变形而变化的规律。考虑到弹性元件和弹性连接的情况下，分析了车轮定位参数 随车轮和地面间力、力矩作用而变化的规律。通过一些实车试验，得到它们详细 的车轮定位参数的变化曲线，这些曲线可以直接用来评价整车的操纵稳定性。 德国人著的汽车行驶性能1 2 】、日本人著的汽车的运动与操纵【3 1 ，两 书均对悬架运动学和弹性运动学进行了介绍。比较全面地概述了悬架运动特性对 汽车行驶性能以及汽车操纵稳定性的影响。 德国m a t s c h i n s k yw r o l f g a n g 著的车辆悬架 4 1 ，以悬架理论模型、橡胶衬 套模型为基础，深入地研究了悬架运动学理论。在悬架运动学分析中，将一个个 悬架结构简化，使之成为便于理论分析的多连杆机构，利用具体的工况，车轮上 下跳动，来分析悬架的变形特性。在弹性运动学分析中，将弹性铰接抽象成三根 两两垂直的弹簧，加载力和力矩于悬架模型，推导出变形与外作用的关系，得到 悬架弹性运动学特性。 德国m 米奇克著的汽车动力学1 5 j ，系统全面地阐述了悬架性能和汽车 操纵稳定性之间的关系。依靠详细的实车试验数据，分析了汽车的各个组成部分 如悬架、的各个参数对汽车操纵稳定性的影响。 从八十年代开始，我国逐步开展对汽车悬架运动学的研究，取得了不少成果。 中国工程院院士郭孔辉所著的汽车操纵稳定性【酗，全面详尽地分析了悬架系 统运动学。提出全新的研究方向来研究悬架运动特性。吉林工业大学林逸【7 】【8 】研 究了橡胶元件的基本特性，重点阐述了悬架中弹性元件对汽车操纵稳定性和平顺 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。张越今著的汽车 多体动力学及计算机仿真【9 1 ，总结了几种悬架运动学的常用的研究方法：解析 方法、矢量法、多刚体动力学方法、多体弹性运动学方法。 吉林大学的孙海林【1 0 】，依据某多连杆独立悬架设计参数，利用a d a m s c a r 软件建立悬架模型，进行一系列的仿真分析，根据仿真结果对多连杆悬架性能进 行分析评价，总结它的优缺点，以及对整车操纵性和平顺性的影响。武汉理工大 学的张承海采取类似的思路，研究了双横臂悬架和刚柔混合多连杆扭杆弹簧式独 立前悬架系统模型，并对其性能进行了分析和评价。 上海工程技术大学的黄虎等根据某车型建立后多连杆悬架模型，基于模拟仿 2 武汉理工大学硕士学位论文 真要求，对模型施加边界条件，分析了车轮上下跳动对车轮定位参数的影响，并 提出了改进建议。 清华大学吕振华探讨了基于矢量分析原理进行五连杆悬架的刚体运动学和 受力分析的方法，进一步提出了一种考虑橡胶衬套弹性的悬架运动学迭代计算方 法。据此编制了相应的计算机程序，进行了某轿车五连杆后悬架刚体运动学模拟 分析，探讨了悬架橡胶衬套的弹性对车辆性能的影响。该方法有效简捷，可方便 地应用于五连杆悬架设计分析和参数优化。 北京理工大学的陈潇凯分析了针对五连杆悬架的特点，运用多体系统动力学 的理论建立了悬架运动学分析模型，基于遗传算法开发了优化器的核心单元，并 解决了它们之间的通讯和协调问题。实现了在车轮上下跳动过程中，以车轮外倾 角的运动学特性变化量与目标值之间的偏差最小作为优化设计的目标，概述了遗 传算法在五连杆悬架优化中的应用方法，并采用这种优化体系对某型轿车五连杆 悬架进行了实例优化分析。 吉林大学汽车工程学院的蔡章林，利用舢) - 气m s c a r 软件对悬架和整车动 力学进行了详细的研究。建立了某s u v 的前双横臂独立悬架和后四连杆独立悬 架系统，并对此进行了运动学和动力学仿真分析。对前悬架进行了总体评价，并 对推力杆调整方案进行了研究。在此基础上建立了包括发动机、转向系、前后轮 胎等在内的整车模型，对稳态回转、转向回正、阶跃输入和脉冲输入进行了仿真 分析并用试验结果进行验证。 武汉理工大学的刘进伟以多体系统动力学为理论依据，以a d a m s q 堰为 手段，结合r x 6 4 0 0 型s u v 升级车型开发项目，建立了麦弗逊独立悬架和五连 杆式非独立悬架的运动学动力学模型，揭示了各自的运动学动力学规律，探讨了 影响其性能的多种因素，并进行优化分析。建立了实车的前、后悬架及整车动力 学模型，按照中华人民共和国国标对整车的操纵稳定性做了多项仿真和实车试 验，验证了仿真模型，在此基础上对影响整车性能的若干因素进行了探讨 上海交通大学的杜翔【1 1 1 ，首先研究了某车辆的具体悬架结构，对其性能进行 理论分析，通过多种试验测得建模所需的数据，用理论分析和实车试验相结合的 方法，对对象车型进行仿真优化，从而提高独立悬架的性能，改善汽车的操纵性 和平顺性。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究内容和意义 1 3 1 研究内容 本文的研究主要是以下几个方面： 一、独立悬架性能评价指标和研究方法。 本文主要研究悬架运动学特性，即悬架运动学和弹性运动学。从四个方面给 出悬架性能评价指标：反映车轮定位的参数、反映转向操纵性的指标、反映悬架 纵向和侧向刚度的指标、反映车身产生纵倾和侧倾的指标。对具体的特性参数一 一进行详细介绍。同时还指出了两种常用研究悬架性能的方法，即计算机仿真法 和台架试验方法。 二、多连杆独立后悬架模板开发。 分析某多连杆独立后悬架结构，在a d a m s q 讯建模器中开发了该结构悬 架通用模板，文章详细介绍了模板创建的步骤和要点。 三、多连杆独立后悬架性能的仿真分析。 利用创建的悬架模板，建立多连杆独立悬架子系统，并装配出悬架总成。对 对悬架进行仿真试验，包括左右车轮平行跳动，外加载荷。根据仿真结果，分析 悬架参数变化情况，评价该悬架性能。 四、整车模型的仿真分析。 创建某轿车完整的整车模型，根据国标中的操纵稳定性试验规定，对整车进 行了稳态回转试验、转向盘角阶跃试验、转向盘角脉冲试验，并对仿真结果进行 了评价。 1 3 2 研究意义 本文对影响悬架运动学和弹性运动学性能因素进行了系统的归纳和分类，便 于进行悬架的研究和评价。利用a d 剐s q r 建模器创建了多连杆独立后悬架 模板，丰富了悬架模板库。并对悬架进行了车轮跳动和外加载荷的仿真分析。开 发模板和仿真分析评价，有可借鉴性，可用于其他形式的悬架的性能研究。 1 4 本章小结 本文简要介绍了研究背景，国内外现状，及研究内容和研究意义。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a d a m s 软件简介 2 1 虚拟样机简介 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 作为一种新技术。在产品设计开 发过程中，它综合了零部件设计和计算机分析技术，把它们结合成新的技术，利 用计算机建立完整的产品模型，模拟产品的使用工况，进行一系列接近真实情况 的仿真分析，根据仿真结果可以得到所设计产品的性能特性。通过计算机结果反 馈，改进原有的设计，以达到提高产品性能的目的。 利用虚拟样机技术，设计人员可以直接使用c a d 系统提供的各个零部件的 模型和参数，定义它们的约束连接，并进行系统的组装，完成整体系统虚拟样机 模型。利用虚拟仿真软件，对所建模型在各个情况下的运动进行仿真分析，很直 观的，准确的得到系统的运动情况。进而根据结果，发现设计中的种种不足，按 照要求直接在计算机上修改设计，继续虚拟仿真。通过反复的修改和反馈，完成 最佳设计。与传统的设计相比，虚拟样机技术有诸多优点。通过虚拟样机的虚拟 仿真来代替物理样机的真实试验，开发时间短，节约成本，有效的节省人力、物 力，而且可以有效的保证产品质量。虚拟样机技术已经深入到人们的设计中，发 挥这巨大作用，推动着产业的快速高效发展。 虚拟样机技术基于多体系统动力学理论的。多体系统动力学通常包括两种： 即多刚体系统动力学、多柔体系统动力学。研究对象是多体系统。多体系统通常 是包括任意多个互相联系的柔性和刚性物体。多体系统动力学主要就是研究多体 系统的运动规律。 多刚体系统动力学研究的系统是由若干个刚体组成的整体，解决该系统的动 力学、运动学问题【1 2 1 。各个构件之间通过各种恰当的约束进行连接，从而形成 动力学系统。通常根据具体系统选择包括完整或非完整约束、定常或非定常约束 等各种方式的连接。除了连接形式，还必须对系统建立各种系统运动学、动力学 计算方程以便完成运算。 多柔体系统动力学研究的系统，不仅包括刚体还有许多柔体。但它的研究却 是以多刚体为根本的。研究方法是将其中的柔体进行特殊的处理【1 3 】。比较常用 方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。通过这些方法得到多柔 体的计算结果，进而把计算多刚体的方法与这些结果结合，可以得到多柔体系统 的计算方程，然后对系统进行动力学计算。 多体系统动力学的计算处理方法已比较完备，且计算精度也很高。其中主要 有常规经典力学方法( 以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日方 5 武汉理工大学硕士学位论文 程为代表的分析力学方法) 、图论( r w ) 方法、凯恩方法、变分方法。 由于理论基础的不同，这几种方法有所不同。但是它们都是实现高度程式化， 适于编制计算程序的动力学方程建模方法。 当前，世界上约有十多种商业化的多体动力学分析软件。其中最典型最具有 代表性的是美国m s c 公司的a d a m s 软件【1 4 】。 2 2 a d a m s 简介 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ，它是美国m s c 公司著名的虚拟样 机分析软件，也是当今应用最广泛最有代表性的机械系统动力学仿真分析软件。 a d a m s 软件使用以用户为中心的交互式图形环境，操作简单、直观。提供 丰富的零件几何图形库、约束库和力力矩库，便于用户快速建模。创建完全参 数化的机械系统几何模型，其求解器自动创建模型的动力学求解方程，对所建模 型可以进行静力学、运动学和动力学仿真计算，能够通过后处理导出仿真过程动 画以及各种仿真结果曲线【”l 。 利用a d a m s 软件可以建立机械系统的模型，并测试虚拟系统，直接在计 算机上对复杂机械系统的运动学和动力学性能能够进行接近真实情况的仿真分 析。另外，由于a d a m s 强大的二次开发功能，用户可以在软件上进行二次开 发，以扩展它的功能，达到特定功能的仿真分析。 随着计算机和虚拟样机技术的不断发展，a d a m s 软件会在更广的范围内得 到更多的应用。a d a m s 软件的广泛使用也将推动虚拟样机技术的快速发展。 a d a m s 软件主要的组成由基本模块、扩展模块、接口模块、专业模块及工 具箱1 1 6 1 。 1 基本模块：a d a m s v i e w ( 用户界面模块) 、a d a m s s o l v e r ( 求解器模块) 、 a d a m s p o s t p r o c c s s o r ( 专业后处理模块) 等。 2 扩展模块：d u r a b i l i t y ( 耐久性分析模块) 、i n s i g h t ( 实验设计与分析模块) 、 h y d r a u l i c s ( 液压系统模块) 、v i b r a t i o n ( 振动分析模块) 、a n i m a t i o n ( 高速动画模块) 、 l i n e a r ( 系统模态分析模块) 等。 3 接t ：l 模块：f l e x ( 柔性分析模块) 、e x c h a n g e ( 形接1 2 模块) 、c o n t r o l s ( 控制 模块) 等。 4 专业模块：c a r ( 汽车模块) 、t i r e ( 轮胎模块) 、r a i l ( 铁路车辆模块) 、d r i v e r ( 驾驶员模块) 、e n g i n e ( 发动机设计模块) 、e d m ( 经验动力学模块) 、d r i v e l i n e ( 动 力传动系统模块) 等。 5 软件工具箱：v i r t u a lt e s tl a b ( 虚拟试验工具箱) 、t r a c k e d w h e e l e dv e h i c l e ( 履带式车辆工具箱) 6 武汉理工大学硕士学位论文 a d a m s 以拉格朗日方程方法为计算理论基础，由该计算方法建立模型系统 的动力学方程，进而进行计算求解。a d a m s 采用笛卡尔坐标，来定义刚体的质 心位置，用欧拉角来定义刚体的方位。a d a m s 采用六个广义坐标来描述刚体的 位置和方位。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，导出以笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程。a d a m s 软件由于采 用了非独立的广义坐标，系统动力学方程是最大数量但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速求解，大大提高了求解速度。 总体来说，a d a m s 的整个计算步骤如下：输入数据，对数据的检验，组装 成整体，系统生成求解方程，求解方程，错误的检查和提示，最后输出结果。 下面以整车的仿真模型为例，大致介绍a d a m s 具体实例的运算步骤： ( 1 ) 提取整车系统的物理模型。( 2 ) 由模型的参数，利用a d a m s 相关模 块建立各个构件系统、并确定之间的连接形式。( 3 ) 考虑系统与外界条件的连接， 如道路，软件试验台，完成连接，从而创建整车动力学模型。( 4 ) 测试验证完模 型后，根据目标工况对模型进行仿真，由软件计算得到结果。( 5 ) 通过专业后处 理模块，进行相关的数据，变化曲线处理，进而分析评价整车性能。 2 3a d a m s q 堰概述 a d a m s a 慷是由原m d i 公司与奥迪、宝马、雷诺、沃尔沃等各大汽车 公司共同开发的设计软件包，它主要是针对轿车分析的。该模块包含了各大公司 在设计开发方面的先进技术经验，同时还集成a d a m s 的求解运算以及专业的 后处理模块。工程师可以快速建造高精度的汽车各个子系统虚拟原型，并如同试 验真实样机一样对其进行计算机仿真分析，利用仿真过程的动画再现，可直观地 显示出汽车在各种仿真工况下的响应，自动生成表示操纵稳定性、行驶平顺性和 安全性的汽车各个性能参数变化情况【1 7 】。利用a d a m s c a r 仿真分析，减少对 物理样机的依赖性，并且大大缩短了仿真时间，降低了成本，提高了质量。 c a r 作为a d a m s 一个专业模块，它主要是用来对轿车各个总成与整车进 行动态仿真与分析1 1 8 j 。比如，利用a d a m s c a r 建立各种悬架形式的模型，通 过模拟各种工况，来仿真计算。由计算结果曲线可以对悬架合性能进行评价和分 析。 a d a m s c a r 中的数据文件类型主要有四类，分别是：属性文件( p r o p e r t y f i l e s ) 、模板( t e m p l a t e ) 、子系统( s u b s y s t e m ) 和集成模型( a s s e m b l y ) 1 9 l 。 图3 - 1 所示为a d a m s c a r 的一个内部文件关系。 7 武汉理工大学硕士学位论文 甲甲 图2 - 1a d a m s c a r 内部文件关系( 前悬为例) ( 1 ) 属性文件( p r o p e r t yf i l e s ) 。属性文件是定义部件参数的a s c i i 格式文 件，模型中各个组件( 如弹簧、轴衬等) 的数据都存储于此。由于属性文件采用 纯文本格式，所以可以根据需要修改、创建和保存。 ( 2 ) 模板( t e m p l a t e ) 。a d a m s c a r 的主要特点就是基于模板。所谓模板 就是定义了车辆部件、组件拓扑结构的参数化模型，一个模板的构建除了定义模 板内部部件如何连接外还要考虑该模板如何与其他模板或试验台连接。可以利用 模板来定义、组成需要的子系统，它定义了子系统的几何拓扑结构、主要角色、 默认参数、连接关系等。模板中的部分部件可受参数驱动。这样就可以用一个模 板涵盖诸多同类子系统，为建立各种类似子系统提供了便捷的方法。 ( 3 ) 子系统( s u b s y s t e m ) 。子系统是以模板为基础的零部件组合，包括悬 架、底盘等。子系统包含模型组件描述信息：设计数据，引用的属性文件，引用 的模板。 ( 4 ) 集成模型( a s s e m b l y ) 。它是子系统和试验台的组合体，是一个可用 a d a m s s o l v e r 分析的系统。只有包含试验台的装配组合才可以进行仿真分析。 一般来说，c a r 模块的建模顺序都是自下而上。各种总成或整车必须以相 关子系统为基础，子系统又必须是建立在各自的模板基础之上1 2 0 1 。所以说，模 板是建模的主要基础。 8 武汉理工大学硕士学位论文 下面以悬架模板的创建为例，讲解其建模大致过程i ”】： ( 1 ) 简化物理模型。依据悬架中各个构件的真实的运动情况，确定它们之 间拓扑结构，连接方式和连接位置，简化部件模型。 ( 2 ) 确定硬点。建立部件前必须确定其空间位置，这通常是有硬点来完成。 硬点是指连接点或固定点在坐标系的几何位置，它是没有方向的。 ( 3 ) 创建部件的模型。部件可以分为刚性部件、弹性体、地面、支承件和 转接件。定义部件相关物理参数，添加其质量特性。通过硬点等其他元素来确定 部件的空间位置和方向，完成部件的创建。 ( 4 ) 添加部件的几何实体。几何实体功能可对部分规则形体部件进行快速 创建，并基于其几何尺寸自动计算质量。部件的几何形状能够更直观的反映部件 的轮廓。通过硬点和其他元素，在创建的部件基础上，添加其几何形状。 ( 5 ) 定义连接。定义部件之间的连接是重要的步骤。一方面，它是各个部 件的连接，通过它组合成系统，另一方面，它可以定义部件与部件，或者系统与 系统之间的运动，各个单元是如何运动，如何限制其他单元的运动。 ( 6 ) 创建模板参数变量。对于模板中某些参数，它们往往需要在后续建模 中改动。对于这些参数，可以定义成参数变量。这样既简化了建模，又便于修改 更新。如悬架模型中需对车轮定位参数进行定义。 ( 7 ) 定义通讯器，并测试。通讯器是一种基于模板模型的关键元素，用于 子系统、模板、试验台之间数据的相互传递。通讯器需要以成对的方式实现数据 的双向传递。在模板界面，通讯器的创建、测试、检查信息是非常重要的。作为 系统与其他系统连接，定义后是不能修改的。 模板建立后，接下来是创建各个子系统。最后，将不同的子系统与试验台装 配，组合成为一个完整的分析模型。此时模型已经全部完成，就可以开始执行各 种仿真分析。 2 4 本章小结 a d a m s 软件是本文进行研究的重要工具，通过本章的介绍，了解了虚拟样 机的特点，a d a m s 软件的基本模块和理论基础，特别是掌握了a d a m s c a r 创建模板、建模的思路和方法，为后面的创建多连杆后独立悬架的