（机械电子工程专业论文）双横臂独立悬架系统的整车虚拟实验研究.pdf

分类号：堕垒鱼z u d c ： 工学硕士学位论文 l 咖唧帅咖删咖吣帅 y 2 13 2 5 5 1 密级： 单位代码： 1 0 0 7 6 双横臂独立悬架系统的整车虚拟实验研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 口 ：工日日 ：王南教授 ：工学硕士 ：机械设计及理论 ：机电工程学院 ：河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo nv e h i c l ev i r t u a ie x p e r i m e n to f d o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n s y s t e m c a n d i d a t e ：w a n gj i n g s u o e r v i s o r ：p r o f w a n g f r oa n g 、i n l a n ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 一 一 ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ：c o l l e g e o fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g h e b e i u n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g m a y , 2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名： 高 签字日期：山j 2 年f 月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦三猩盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑皇垦墨猩盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 己高 签字日期：砂i 】年f 月同 导师签名： 图 签字日期：五胁年r 月 摘要 摘要 随着物质生活水平飞速提升，人们对汽车的要求越来越高，更加注重汽车的 舒适性和安全性能。如何能经济高效的提高汽车稳定性和平顺性能，是摆在汽车 制造商面前的一大挑战。悬架系统是汽车中最关键的系统之一，起到缓和外部冲 击振动的作用，对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和使用寿命方面都影响较大。 本文基于多体动力学基本理论，运用机械系统动态仿真软件a d a m s ，以某 汽车有限公司小型轿车为原型进行了虚拟模型的建模与仿真分析。通过修改其参 数关键点的位置，建立了占用空间尺寸较小的双横臂悬架系统，并对其各定位参 数进行分析比较。建立了后悬架系统、转向系统、轮胎系统、横向稳定杆、车身 系统等子系统进行装配得到该车的整车动力学模型。对整车动力学模型进行蛇 形、角阶跃、角脉冲、稳态圆周、转向轻便性等仿真试验，将实车操纵稳定性试 验数据与a d a m s c a r 整车模型仿真数据进行对比，验证所建立整车动力学模型 的正确性。 将整车模型与虚拟四柱试验台装配成整车平顺性虚拟样机。在随机生成的b 级路面上使该车以不同的车速匀速行驶，测试驾驶员座椅处的由路面不平度传递 来的振动加速度。在6 0 k m h 的车速下，整车分别在不同等级路面上行驶，得到 垂向振动加速度及其相应的加速度功率谱曲线，汽车在受到脉冲输入时得出垂向 加速度响应曲线。通过这些曲线来测试人的主观感受，以此来评价整车的平顺性 能。 关键词：多体动力学；a d a m s ；双横臂悬架；平顺性 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fp e o p l e sm a t e r i a ll i v i n gs t a n d a r d s ，p e o p l ea r e i n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n d sf o rc a r s ，t h e yp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ec o m f o r ta n ds a f e t y p e r f o r m a n c eo ft h ec a r h o wc a nc o s t e f f e c t i v e l yi m p r o v e v e h i c l es t a b i l i t ya n d s m o o t hp e r f o r m a n c e ，i sab i gc h a l l e n g ei nf r o n to ft h ec a rm a n u f a c t u r e r s o n eo ft h e m o s tc r i t i c a lc a rs y s t e m si st h es u s p e n s i o ns y s t e m t h es u s p e n s i o ns y s t e mp l a yar o l e o fr e l i e v ee x t e r n a ls h o c k sa n dm a k eag r e a t e ri m p a c tt ot h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y , r i d ep e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f e b a s e do nm u l t i b o d yd y n a m i c st h e o r y , w i t ht h eu s eo fm e c h a n i c a ls y s t e m d y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，a s m a l lc a rv i r t u a lm o d e lo fam o t o rc o l t d 。 h a db e e ne s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d b ym o d i f i e dt h el o c a t i o no ft h ek e yp o i n t so fi t s p a r a m e t e r s ，t h e s m a l l e rs p a c ed o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d a n di t sv a r i o u sp o s i t i o n i n gp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d w ee s t a b l i s h e d r e a rs u s p e n s i o ns y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m ，t i r es y s t e m ，h o r i z o n t a ls t a b i l i z e rb a ra n d b o d ys y s t e mt ob ea s s e m b l e dt og e tt h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e lo ft h ec a r t h e v e h i c l ed y n a m i c sm o d e lh a db e e ns i m u l a t e db ys e r p i f o r mc o n d i t i o n ，a n g l es t e p ，a n g l e p u l s e ，s t e a d ys t a t et h ec i r c u m f e r e n c e ，s t e e r i n gp o r t a b i l i t ye x p e r i m e n t c o m p a r e dt h e r e a lv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yt e s td a t aa n dt h ea d a m s c a rv e h i c l em o d e l s i m u l a t i o nd a t at ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r e v i o u s l ye s t a b l i s h e dv e h i c l e d y n a m i c sm o d e l v e h i c l em o d e la n dv i r t u a lf o u r - p o s tt e s tr i gw e r ea s s e m b l e di n t ot h ev e h i c l e sr i d e c o m f o r tv i r t u a lp r o t o t y p e t h ec a rw a sc o n t r o l l e dw i t had i f f e r e n ts p e e da tac o n s t a n t s p e e di nr a n d o m l yg e n e r a t e dc l a s sb r o a dt o t e s tt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o nb yt h e r o a dr o u g h n e s si nd r i v e rs e a t a tt h es p e e do f6 0 k m h ，v e h i c l et r a v e l l e di nt h e d i f f e r e n tl e v e l so nt h er o a d st og e tt h ev e r t i c a l v i b r a t i o na c c e l e r a t i o na n dt h e a c c e l e r a t i o np o w e rs p e c t r u mc u r v e t h ev e r t i c a la c c e l e r a t i o nr e s p o n s ec u r v ew e r e o b t a i n e db yt h ep u l s ei n p u t t h e s ec u r v e sc a ns h o wp e r s o n ss u b je c t i v ef e e l i n g s ，i n o r d e rt oe v a l u a t et h ev e h i c l e ss m o o t hp e r f o r m a n c e k e ) a v o r d s ：m u l t i - b o d yd y n a m i c s ；a d a m s ；w i s h b o n es u s p e n s i o n ；r i d ec o m f o r t 1 1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 。1 前言1 1 2 本课题研究的目的和意义1 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状2 1 3 2 国内研究现状4 1 4 本课题的研究内容6 1 5 本章小结6 第2 章多体系统动力学理论及a d a m s 软件应用7 2 1 多体系统动力学简介7 2 。1 1 多体系统动力学的研究方法7 2 1 2 多体系统动力学理论的优点9 2 2a d a m s 软件简介1 0 2 2 1a d m a s 软件特点1 0 2 3a d a m s 软件计算方法1 0 2 4 本章小结。1 1 第3 章双横臂悬架的建模与仿真分析1 6 3 1 双横臂独立悬架简介1 6 3 1 1 双横臂独立悬架特点1 6 3 2 双横臂独立悬架的建模17 3 2 1 对前悬架进行建模前的简化17 3 2 2 建立硬点17 3 2 3 建立悬架试验台及轮胎仿真模型1 8 3 2 4 悬架总成1 9 3 3 运动学仿真分析1 9 3 3 1 前束角2 0 3 3 2 车轮外倾角。2 1 目录 3 3 3 主销后倾角和后倾拖距2 2 3 3 4 主销内倾角和主销偏移距2 4 3 3 5 转向角2 6 3 3 6 悬架刚度2 7 3 3 7 制动点头量和加速抬头量2 8 3 4 本章小结2 9 第4 章整车模型的建立及验证3 0 4 1a d a m s c a r 建模步骤和方法3 0 4 。2 整车仿真模型的参数准备。3 1 4 3 整车模型的建立3 1 4 3 1 前悬架模型3 1 4 3 2 后悬架模型3 2 4 3 3 转向系统模型3 2 4 3 4 横向稳定杆模型3 3 4 3 5 轮胎模型3 3 4 3 。6 车身模型3 4 4 3 7 路面模型3 4 4 。3 7 。1 随机路面不平度理论3 4 4 3 7 2 随机路面的生成3 6 4 3 8 整车模型3 7 4 4 整车模型验证3 8 4 4 1 蛇形工况验证3 8 4 4 2 角阶跃验证4 0 4 4 3 角脉冲工况验证4 1 4 4 4 转向轻便性试验验证4 3 4 4 5 稳态回转试验验证4 5 4 5 本章j 、结。4 7 第5 章整车平顺性仿真分析4 8 5 1 平顺性概念4 8 5 1 1 平顺性的评价方法4 9 5 1 2 汽车行驶平顺性的影响因素5 0 5 2 平顺性仿真模型的建立5 1 5 3 随机路面平顺性仿真5 2 5 3 1 随机路面的建立5 3 1 1 目录 5 3 2 在特定路面不同车速下的平顺性仿真5 4 5 3 3 在特定车速不同路面下平顺性仿真5 8 5 4 脉冲输入路面平顺性仿真6 1 5 5 本章小结6 2 结论与展望6 4 致谢6 6 参考文献6 7 作者简介7 0 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果7 0 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 汽车自1 9 世纪8 0 年代诞生以来，一直被认为是推动现代化工业的重要组成 部分。尤其是近几十年，人们的物质生活水平飞速提升，汽车作为生活生产中最 便利的交通工具也随之迅速发展。现在，人们更关注汽车的经济性和舒适性，汽 车正朝着安全、舒适、智能的方向发展i i j 。 汽车系统包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征，运动部件多且受力复杂，组 成汽车的各子系统之间的具有相互耦合的作用【2 】。底盘设计在汽车设计中占核心 位置，悬架安装在车轮上，传递着路面带给车轮的力和力矩，悬架设计的好坏直 接影响了汽车行驶的稳定性和平顺性，因此，悬架在底盘中起到了关键的作用， 在对汽车的各项性能进行改良优化时，对悬架的设计优化是设计人员的首选部件 专一【3 】 o o 由于在实践中存在各种外在激励和内控，汽车受到一系列不确定干扰因素， 其本身所承载的力均已发生变化1 4 j 。以往分析一般都采用简化图形的办法，但车 身这种复杂的空间结构，给简化也带来了很大难度，因此，对于复杂系统的运动 学和动力学分析，传统的方法既耗时，误差也大。 1 2 本课题研究的目的和意义 随着计算机工业的高度发达，各国学者建立起简单的数学和力学模型并在计 算机中进行求解，把汽车各个子系统加以简化，进行仿真分析，并把求得结果进 行验证。汽车数学模型的精确性取决于各子系统的零部件，零部件的运动越多， 所建立的力学方程越多，但是求解也越复杂，误差也随之越大。因此，在研究驾 驶性能方面，解决的关键在于汽车模型建立、方程求解以及方案验证上。 传统的汽车设计过程主要采用实验评价方法。2 0 世纪9 0 年代以前，新产品 在开发过程中，汽车厂商还是采用传统的设计思路和方法，基于已有物理样车的 前提下，多采用简化条件下的图解法和分析计算法，需要经过反复的试验和修正 才能对车辆操纵稳定性和平顺性进行评价。这种方法设计周期较长、开发成本高、 容易产生误差。随着计算机技术的高速发展和多体系统动力学的不断完善，出现 了虚拟样机技术，这使得汽车动力学的建模与仿真进入了高速发展阶段。利用计 算机软件建立整车模型，不仅缩短了设计周期，降低了设计成本，节约了大量的 河北：l ：程大学硕士学位论文 人力物力资源，使得复杂难解的数学问题变得通俗易解，通常只需要设置好一定 的程序或者输入相应的公式即可高效准确的得出结果。用计算机来对汽车模型进 行操纵稳定性和行驶平顺性仿真分析只需要在计算机上反复的进行试验和修正 即可。对于汽车而言，a d a m s 中有专业的分析模块a d a m s c a r ，研究人员根 据研究需求在a d a m s c a r 中可以建立汽车的各子系统模型，组装并进行仿真试 验。更全面的描述了汽车各个子系统的运动及相互耦合作用，还可以在不同工况 下对整车虚拟样机进行平顺性和操纵稳定性试验，根据要求反复试验，得出来的 数据与理论值相比较，若不满足预定的稳定性、安全性、舒适性等性能再进行优 化整合，修改不合理数据，直到得出预期目标相同的整车数据，这一系列的试验 均是在虚拟样机上进行的，既经济又实用，缩短了汽车的开发周期，有效准确的 提高了产品的性能，这对汽车工业的发展起到了至关重要的最用。因此本课题的 研究具有理论意义与实际应用价值。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 车辆动力学是在现代工程技术的基础上发展起来的，与刚体力学、分析力学 和计算机共同作用形成了新的学科。车辆动力学主要研究车辆各个部件刚体组成 的整车系统运动和受力的规律和联系的问题，研究对象一般比较复杂，每个构件 都有各自独立的运动形式和约束，将它们组合在一起，就要考虑到各个构件之间 的相互配合、相互作用。若机构中有弹性构件，还要考虑弹性系统的作用力。一 般运用离散法、模态分析法、虚位移法、形函数法和有限元法等对机械系统进行 处理，本文主要讨论的是车辆多刚体系统动力学研究。传统的车辆动力学是基于 经典力学发展起来的，而随着现代科学技术的发展，需要研究由大量刚体组成的 机械系统。而数字计算技术的发展使得对复杂系统的大规模数字仿真成为现实。 计算机使得车辆动力学在机械工程中得到广泛应用。 有关车辆行驶振动分析的理论研究，最早可以追溯到1 0 0 年前。在开发的早 期阶段，车辆动力学处于起步阶段，没有高超的研究技巧和水平，只能单调的研 究汽车的子系统零部件单一性能1 5 j 。2 0 世纪2 0 年代，人们对车辆行驶中的振动 问题才有了初步的了解，1 9 2 5 年初步发现振动对汽车的影响，有了舒适性的概 念。1 9 3 0 年欧洲国家开始对影响汽车稳定性最大的悬架做研究，悬架对振动能 起到缓冲作用，悬架的好坏直接影响到汽车的平顺性和人体的舒适感觉，从悬架 入手做各种转向试验，分析各种路况下汽车的稳定性能。1 9 3 2 年，“k 2 ”实验台 在凯迪拉克公司诞生，这个试验台具有真实的车架，通过更换悬架来测定悬架种 第l 章绪论 类对汽车的前后车轮相位差影响1 6 j 。车身振动、固有频率、俯仰固有频率及其与 前后悬架刚度匹配关系等有关行驶平顺性的重要问题的讨论一直延续到2 0 世纪 3 0 年代末。 1 9 5 0 年之前对汽车的研究一般都是只针对单一的零部件或者由其延伸出来 的周边部件的研究，没有形成统一的理论体系。在2 0 世纪5 0 年代，基于之前人 们对汽车的研究，建立了比较完整的以悬架为基础的线性理论体系，形成了一定 的行驶平顺性理论。1 9 5 6 年，卡纳实验室的威廉和莱纳德对汽车进行了定量分 析，形成了关于操纵稳定性的一些理论，对操纵稳定性的发展起了至关重要的作 用，至今还对人们的研究起到了很大的帮助。随后，英国汽车研究所( m i r a ) 对行驶动力学的发展作出了重要贡献，包括路面特性的测量、主观评价和客观测 试的关系、行驶平顺性测量仪的开发以及率先采用了模拟计算机，随后是电子计 算机的动力学计算研究等。再复杂的理论研究也需要实践来证明，基于理论不断 的反复试验并改进创新是车辆动力学的发展的助推剂【7 1 。 在1 9 9 3 年的i m e c h e 会议上，s e g e l 发表了关于车辆动力学的重要演讲，对 车辆动力学的早起成就做了三个阶段的总结8 1 。如表1 1 所示。 表1 1 车辆动力学早期成就总结 t a b l e1 - 1v e h i c l ed y n a m i c se a r l ya c h i e v e m e n t ss u m m a r y 随着人们的物质生活水平飞速提升，对汽车的要求也越来越高，更加注重汽 车的舒适性和安全性能。如何能经济高效的提高汽车稳定性和平顺性能，是摆在 汽车制造商面前的一大挑战。车辆动力学也随之发展起来，操纵动力学的研究逐 渐向高侧向加速度的非线性作用域扩展，车辆动力学仿真模型变得更加的复杂而 河北： 程大学硕士学位论文 真实。2 0 世纪8 0 年代初期，制造出了第一辆装有主动悬架的原型样车，车辆动 力学建模过程发生了很大的改变。当时不仅有许多通用的软件( 如a d a m s 、 m e d y n a 、d a d s 、a u t o s i m 和s i m p a c k 等) 适用于汽车分析，还有专门针 对汽车的特定分析软件，软件当中有庞大的经验数据库，可以建立参数化模型， 不仅有对局部子系统零部件某一问题的专用分析系统，还有针对整车的求解分 析，还能根据自己的需求建立特殊模型，重点研究特殊问题。车辆动力学方面的 软件涉及面很广泛一j 。8 0 年代中期，多体系统动力学软件被安装在了c a d 系统 中，在汽车工程应用上是一个质的飞跃。利用其多种接口与c a d 等图形软件进 行图形共用，实现不同软件之间的格式转换，互相兼容使得用户能更加准确的进 行分析试验研究，与有限元分析等构成了有机的整体。 独立悬架的问世标志着汽车悬架运动学研究的开始，随着悬架研究的发展， 学者开始深入研究悬架的弹性运动学分析，在刚体的基础上加入弹性元件，更真 实地反映了运动特性，车辆悬架一文对悬架弹性运动学作了理论研究，在理 论上对悬架的建模和弹性元件橡胶支撑进行了分析和深入研究。在建模时，将悬 架简化成多连杆机构，加入弹性元件后，分析轮跳所引起的振动变化，并对模型 进行受力与变形分析，推导出其存在的相应关系，最后由变形和力的关系将弹性 元件衬套简化成位置相互垂直的弹簧元件。 现阶段发展的较好的通用软件有a d a m s 、d a d s 和s i m p a c k ，这些软件 成熟度高，通用性强，更适合求解复杂有难度的仿真模型。在分析时这些软件工 具能使模型更加通用、高效和精确并能进行多自由度、非线性的仿真。 1 3 。2 国内研究现状 国内从2 0 世纪7 0 年代初开始研究汽车动力学，较之国外，我国在这方面的 分析发展较晚，但国内许多高校学者和汽车制造商已经开始注重这方面的研究， 相继将多刚体系统动力学引入到汽车运动学和动力学研究中，多刚体系统的研究 已经得了一定的突破。目前针对汽车中存在的弹性元件、阻尼元件，我国学者开 始涉及多柔体系统动力学的研究，这些研究所形成的文章和理论对后期研发和制 造高性能汽车具有重要的指导作用。 清华大学联合长春汽车研究所就汽车行驶过程中的平顺性、操纵稳定性性能 指标的检验方法作了试验研究。初步建立了力学模型，整合了相应的计算方法， 根据理论数值预测汽车的行驶性能，在没有达到理想性能时对模型进行优化，总 结了一定的优化方法【l 。 1 9 8 9 年，吉林工业大学的林逸利用几何图论的概念和数学理论分析汽车各 构件之间的作用和受力情况，形成汽车刚体系统拓扑结构，对悬架的空间分析建 4 第1 章绪论 立了通用方法j 。 1 9 9 1 年，北京农业工程大学的周一鸣以计算机为工具，研制出了g m c a d s 软件，既能用于二维机构动力学分析，也能分析三维空间立体机构的运动特性。 1 9 9 2 年，清华大学的张海岑用牛顿欧拉方程研究多自由度的数学模型。整 车模型较完整精确，各子系统的约束较多，共建立了包含有七十四个自由度的整 车模型，用非线性的数学方法求解，深入研究了汽车的平顺性能。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多刚体系统动力学的理论方法，利用机械 系统动态仿真软件a d a m s ，分析了汽车中橡胶等减振柔性元件对动力学性能的 影响，进行了柔性系统分析。主要是加入了悬架中的橡胶减振元件和阻尼元件， 与未采用弹性元件相对比分析了加入柔性元件的悬架对汽车振动影响【1 2 】。 2 0 0 1 年，上海交通大学的赵亦希建立了某轿车前悬架模型，给车轮施加转 向激励，对定位参数随车轮跳动的变化分析了此轿车的侧倾状态，为以后研究汽 车转向激励对汽车的影响提供了帮助l l3 1 。 2 0 0 2 年，中国农业大学的王国权运用不同的方法建立了八自由度微分方程 模型，对汽车行驶平顺性的仿真延长到时域试验中。利用a d a m s c a r 车辆行驶平 顺性频域分析模型、固定测试和对结果进行后处理，输入详细的系统部件的参数， 可以在完成的基础上延伸事先定义的测试平台平稳过程。另外还建立了5 9 6 自由 度的虚拟样机模型，考虑了每个零部件的细节铰链约束情况，随机输入路面谱文 件，对整车进行时域仿真求解l l 引。 2 0 0 2 年，中国农业大学的王树凤编制了单双移线、蛇行、稳态回转等操纵 稳定性试验的控制文件，并对所建立的车辆进行了相应的操纵稳定性仿真分析 【15 1 o 2 0 0 3 年，重庆大学的褚志刚以某微型汽车为实例，选取麦弗逊悬架建立了 包含差速器、转向系统等在内的子系统分析模型，以胡克定律为原理研究了弹簧 等弹性元件对汽车的稳态影响，通过差速器研究了汽车两侧车轮耦合的关系，以 及车轮回正力矩的转向特性【1 6 1 。 2 0 0 4 年，吉林大学的宋传学运用a d a m s c a r 软件，对悬架和整车动力学几 个方面进行详细的研究。在论证模型可行性的基础上，讨论了悬架结构对操纵稳 定性的影响，对影响操纵稳定性的若干因素进行研究引。 2 0 0 7 年，合肥工业大学的黄伟利用a d a m s 建立了某越野车的动力学模型， 对车辆的悬架以及整车模型进行了相应的仿真分析，设计并实现了整车操纵稳定 性和平顺性仿真分析，并对车辆的各项性能指标进行了评价计分8 1 。 河北工程大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 ( 1 ) 本课题基于多体动力学，利用a d a m s 建立双横臂独立悬架三维参数 化动力学仿真模型，通过施加轮跳运动从而获得该车轮定位角的变化，对双横臂 悬架进行运动学分析，对悬架进行综合分析。 ( 2 ) 建立前后悬架、转向系统、横向稳定杆、前后轮胎、车身等子系统， 并进行装配得到该车的整车动力学模型，装配时需按整车的绝对坐标来进行，对 装配好的整车用稳定性试验进行验证，然后对整车进行动力学仿真试验，将实车 操纵稳定性试验数据与a d a m s c a r 整车模型仿真数据进行对比，验证所建立整车 动力学模型的正确性。 ( 3 ) 利用a d a m s c a rr i d e 对整车进行平顺性试验仿真。对整车加入虚拟 四柱试验台，通过四柱实验台施加各种路面激励，进行相应的随机与脉冲输入试 验，通过得出的加权加速度均方根值响应分析对人体的主观感觉，由此来评价整 车平顺性。 1 5 本章小结 本章主要介绍了车辆动力学国内外的发展现状以及存在的问题，说明了本课 题研究的目的、和意义，最后提出了本文要研究的主要内容和研究方法。 第2 章多体系统动力学理论及a d a m s 软件应用 第2 章多体系统动力学理论及a d a m s 软件应用 2 。1 多体系统动力学简介 多体系统动力学是基于多个物体( 柔性物体和刚性物体) 组成的系统，他们 之间相互作用产生了一定的规律，在现代工程技术的基础上发展起来的，与刚体 力学、分析力学和计算机共同作用形成了新的学科，包括多刚体系统动力学和多 柔体系统动力学，主要任务是发展适合计算机应用的通用方法建立系统的动力学 方程。 多刚体系统动力学主要研究多个刚体组成的系统运动的规律问题，研究对象 一般比较复杂，每个构件都有各自独立的运动形式和约束，将它们组合在一起， 就要考虑到各个构件之间的相互配合、相互作用。若机构中有弹性构件，那么此 系统可以归为多柔体系统动力学1 19 1 ，他是对多刚体系统动力学的补充，分析其构 成特点和作用力时，基于多刚体动力学，对弹性部分单独做不同的研究。目前， 多刚体系统的研究比较深入。一般运用离散法、模态分析法、虚位移法、形函数 法和有限元法【2 0 】等对机械系统进行处理，本文主要讨论的是多刚体系统动力学研 究。 1 9 7 0 年欧拉建立了刚体绕固定点运动的动力学方程，奠定了刚体动力学的 理论基础。这个被称为欧拉方程的非线性方程组的求解问题曾是经典力学的一个 重要命题。三种可积情形的解析解分别于1 7 6 5 ，1 7 8 8 和1 8 8 8 年由欧拉、拉格朗 日和科瓦列夫斯卡娅获得。其中欧拉和拉格朗同情形的研究结果可成功地解释一 些重要的力学现象，如地球和陀螺仪的进动和章动。随着现代科学技术的发展， 需要研究由大量刚体组成的机械系统。而数字计算技术的发展使得对复杂系统的 大规模数字仿真成为现实。因此从2 0 世纪7 0 年代起多刚体系统动力学得到了快 速发展，在航天器、机器人、空间机构、车辆等技术中被广泛应用。多刚体系统 也作为人体模型用于运动生物力学的研究。考虑系统内可能存在弹性体和液体， 发展为更具广泛意义的多体系统动力学。 2 1 1 多体系统动力学的研究方法 多刚体系统包含多个部件，各部件之间的结构和连接方式和受力不同，建立 力学方程比较复杂。而系统的动力学方程多为高阶非线性方程，求解也具有难度 且容易产生误差，因此动力学方程的建立和求解都必须利用计算机去完成。以下 河北工程大学硕士学位论文 是多体动力学的七种研究方法【2 1 i 。 ( 1 ) 牛顿一欧拉方法。推导动力学方程时，应用动量定理和动量矩定理列 出作为分离体的单个刚体的牛顿一欧拉方程，以书面形式列写隔离刚体的牛顿欧 拉方程，多个刚体联接共同作用铰链约束使方程当中自, j m i j 体的未知量的数目显著 增加，系统更加杂糅，解决更加困难。直接利用牛顿欧拉法，必须设计成旨在 促进计算机程序化识别的方法来描述刚体系统，并致力于自动不识别刚体的铰链 系统约束。德国s c h i e h l e n 在研究系统牛顿欧拉方程时，将不是相互独立的广义 坐标转换为独立变量的笛卡尔坐标。用a l e m b e r t 原理和完整的约束机制来消除 约束反力，非完整系统运用j o u r d a i n 原理的约束力消除获得相同的动力学方程和 系统的数量的自由度。 ( 2 ) 拉格朗日方程法。单独用拉格朗日坐标求解动力学方程很困难，数值 方程也很难建立，笛卡尔坐标较拉格朗日坐标而言采用了不独立的坐标，这就使 得创建方程和求解比较容易。般用带乘子的拉格朗日方程式来处理标准约束和 具有多余坐标的各个子系统。导出的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，由于没有约束方程，因此这是一个开放 式的系统，需要加入广义坐标的代数约束方程来将其封闭。1 9 7 3 年，美国m i c h i g a n 大学h a c e 与o r l a n d o 等采用g e a r 的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术提高了计算 效率，编制了a d a m s 程序。1 9 7 7 年，h u g 等研究了广义坐标分类和奇异值分 解等算法，编制了d a d s 程序。 ( 3 ) 图论( r w ) 方法。在介绍罗伯逊和维特伯格的多体动力学时，利用 几何图论的概念和数学理论分析刚体各构件之间的作用和受力情况，形成多刚体 系统拓扑结构。对于具有树结构的多刚体系统，r w 方法可以很容易很完美的 处理其结构。而对于非树系统，一般可以先将其转化为树形系统，再用r w 方 法分析。r w 方法运用数学工具逐一解决刚体内部的结构，主要运用运动微分 方程解决树形系统，形成了统一的树形系统数学方法。 ( 4 ) 凯恩方法。凯恩方法不同于r w 方法，他没有形成适合所有的多刚体 系统的统一的数学方法，只是将上述方法中的广义坐标替换成了广义速率。用 a l e m b e r t 原理创建一个动态的方程，用投影的力和向量形式与a l e m b e r t 惯性力 对具体方向向量上投影，用来消除多余的约束力。此方法先分析结构的力学特性， 再以矢量力学方式分析，两者的特点兼有。无论对完整的体系还是不完整的体系， 这种方法都适用。该方法不具有动态的功能，没有要求计算求导，只进行向量积 的运算，计算简单，结算的结果误差也小，因此它具有高效率的特点。 ( 5 ) 变分方法。变分方法比上述r w 方法和凯恩方法适用的范围更广，是 基于经典理论力学发展的学科。结合高斯最小拘束原理，采用最优化理论寻求功 第2 章多体系统动力学理论及a d a m s 软件应用 能极值，观察系统结构的运动形式即可求解多刚体系统。变分方法最大的特点就 是适用于复杂的多刚体系统，不受结构约束数目的制约。在计算机发展之前，传 统的变分方法计算是通过理论公式里的动力学方程来求解，现在只需将数值输入 到计算机中去，编制好相应的程序便会自动求解，计算效率大幅提高。 ( 6 ) 旋量方法。变分方法适用于闭环复杂系统，而旋量方法适用于开环空 间机构。旋量方法是一种特殊的矢量力学方法，利用旋量的概念，将力和力矩结 合在一起，采用对偶数将牛顿欧拉方程用数学形式表达出来。 ( 7 ) 笛卡尔方法。传统的研究方法主要是上述6 种方法。基本可以解决复 杂的对象组合的多体系统动力学分析问题。但是，由于计算机的发展，上述方法 研究的建模和求解的自动化程度还很低，有限元分析法借助计算机数值分析将其 划分成各个小单元，有效地提高了其求解的自动化的程度。由有限元方法的分析 思路推出，美国c h a n c e 和h u g 利用计算机深入研究多刚体建模，提出了笛卡尔 坐标系的建模方法。将多刚体分解为多个小单元，对每个小单元进行分析，将其 固定在整个刚体的坐标系上，起到一个参考系的作用，整个笛卡尔坐标系是以其 基点为坐标，运用理论数据和约束建立整个多体系统的动力学模型。 2 1 2 多体系统动力学理论的优点 用多刚体系统动力学分析系统构成时，具有以下特点： ( 1 ) 具有广泛适用性 自动建模和分析，综合采用多体动力学方法由计算机编程方法输入少量的信 息对多体动力学系统的各种结构体系进行计算。同样的程序可以对各种各样的复 杂的系统进行多功能分析。 ( 2 ) 适用于大位移运动 在推导公式的基础上，综合采用多体动力学的有限位移或系统给出一个轻微 的振动分析，而且是大位移运动分析。这种大位移分析是基于实际的状态进行的， 对于非线性的问题也能很好的解决。 ( 3 ) 模型精度高 由于多体动力学系统构件多，约束和作用力多且复杂，用传统的方法对其建 模和求解的困难程度也就越高，需要有经验和理论知识丰富的人进行，有时会无 法实现。随着计算机的发展，在计算机内编制好程序和公式，用户根据自己的需 要填入信息即可，对于复杂的模型尤其适用，对工作人员并没有高深的理论知识 的要求。使用计算机分析求解模型，不仅效率高，而且计算精度也高【2 2 1 。 河北工程大学硕士学位论文 2 2a d a m s 软件简介 a d a m s 是一种自动动态分析的机械系统软件，由美国机械动力公司开发， 可以对各种机械系统进行动态仿真。目前，a d a m s 已经占据了一大半的国际市 场份额，大部分的机械制造商都采用此软件进行产品的性能分析与试制，权威性 较高。a d a m s 软件具有多种模块，适合不同行业的机械系统模型分析。用户可 以在制造实际零件之前，在a d a m s 中建立模拟的仿真模型，施加与实际相同的 约束、力和位移等条件，或者模拟真实的使用环境，利用动态仿真功能对模型进 行分析，演示虚拟动画，得出分析数值，将分析数值与理论数值相比较，对模型 或约束做出相应的调整进行优化，得出性能更好的产品。有助于商家实现创新、 提高生产效率。a d a m s 软件适用范围极广，包括图形、汽车、铁路、飞机、特 种车辆等机械领域。 a d a m s 自身带有庞大的数据库，有各种零件图形以及约束和力的程序库， 可以自动的创建参数化模型。自带的求解器也是基于拉格朗日方法建立的动态方 程，输入需求值对系统模型进行运动学分析，还可以输出位移、速度、加权加速 度均方根值等作用曲线和数值【2 3 1 。 a d a m s 除了自身能建模并求解分析以外，还可以作为平台，利用其开放性 的程序结构为高端稀缺行业进行仿真分析提供二次开发工具【2 4 1 ，利用其多种接i = 1 与c a d 等图形软件进行图形共用，实现不同软件之间的格式转换，互相兼容使 得用户能更加准确的进行分析试验研究。 2 2 1a d m a s 软件特点 ( 1 ) 数值分析能力强，对于复杂的积分等数学公式求解方便，动态适应性强。 ( 2 ) 选择合适的分析类型，静力学分析方法包含多个层次的级别积分。当系 统检测到一次积分运算错误时，会自动开始第二次运算。对于计算错误的矩阵也 能自动检测到并改正。 ( 3 ) 不仅能建立二维图形，还能建立动态的三维模型。 ( 4 ) 拥有庞大的经验图形数据库，包括约束、力、位移等。 ( 5 ) 可以装配子系统，动画演示力的作用过程，分析模型的不同变化等。 ( 6 ) 具有开发功能，用户可以根据自己的研究对象或行业进行相适用的