（机械设计及理论专业论文）汽车平顺性仿真分析与悬架参数优化.pdf

汽车平顺性仿真分析与悬架参数优化 摘要 汽车平顺性是汽车n v h 性能的评价指标之一，人们对汽车平顺性的研究 越来越重视，通过调整汽车悬架的参数能够改善汽车平顺性。 本文阐述了汽车平顺性和多体动力学的发展概况以及a d a m s 软件的理论 基础，介绍了a d a m s c a r 的建模与仿真方法。 本文利用a d a m s c a r 建立包括悬架系统、轮胎系统、转向系统、动力总 成系统、人椅系统等子系统在内的整车动力学模型，对前后部分车身的固有频 率进行估计，对该车的行驶平顺性进行仿真，并对仿真结果进行评价，考查该 车的平顺性是否理想。 按照平顺性评价结果选择前后悬架的弹簧刚度和减振器阻尼为变量，对该 车的平顺性进行试验设计和优化设计，对优化结果进行可靠性分析，并对优化 后的结果进行平顺性仿真检验，进而与优化之前的结果对比，并阐明通过优化 能够在一定程度上改善汽车的平顺性。 关键词：多体动力学a d a m s 平顺性悬架i s i g h t 优化设计 s i m u l a t i o na n da n a l y s i so fv e h i c l er i d ec o m f o r ta n d o p t i m i z a t i o no fs u s p e n s i o np a r a m e t e r s a b s t r a c t v e h i c l er i d ec o r n f o r ti so n eo ft h ee v a l u a t i o ni n d e x e so fv e h i c l en v h p e r f o r m a n c e ，n o wp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ev e h i c l er i d ec o m f o r tr e s e a r c h w ec a ni m p r o v et h ev e h i c l er i d ec o m f o r tt h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fv e h i c l e s u s p e n s i o np a r a m e t e r s t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ee v o l u t i o np r o c e s so fv e h i c l er i d ec o m f o r ta n d m u l t i - b o d yd y n a m i c sa n d t h eb a s i ct h e o r yo fa d a m s s o f t w a r e ，a n di n t r o d u c e st h e m e t h o do fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fa d a m s c a r t h i s p a p e r b u i l d s u p aw h o l em u l t i - b o d y d y n a m i c s m o d e li n c l u d i n g s u s p e n s i o n ，t i r e s ，s t e e r i n g ，p e o p l e s e a ta n de t c t h ea u t h o re s t i m a t e st h en a t u r a l f r e q u e n c yo ff o r e a f t e rb o d y , a n ds i m u l a t e s t h er i d ec o m f o r ta n dd o e st h e e v a l u a t i o n ，a n dt h e nc h e c k sw h e t h e rt h i sv e h i c l e sr i d ec o m f o r ti si d e a lo rn o t t h ea u t h o rs e l e c t st h es t i f f n e s so fs p r i n ga n dt h ed a m po fd a m p e ro f s u s p e n s i o na st h ev a r i a b l e s ，a n dd o e st h ed e s i g no fe x p e r i m e n ta n do p t i m i z a t i o n t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sf o rt h er e s u l to fd e t e r m i n a t eo p t i m i z a t i o ni sd o n eb yu s i n g m o n t ec a r l om e t h o d a n dt h e nt h ea u t h o rc h e c k su pt h er e s u l to fo p t i m i z a t i o nb y d o i n gt h ev e h i c l er i d e c o m f o r ts i m u l a t i o n ，a n dc o m p a r e si tw i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l ta b o v e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eo p t i m i z a t i o nc a ni m p r o v et h er i d e t o m f o r tt os o m ee x t e n t k e yw 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 ：r i d ec o m f o r t ；s u s p e n s i o n ；i s i g h t ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 插图清单 图1 1 “人一汽车一路面 框图2 图3 1 独立悬架类型1 6 图3 2 前悬架模型18 图3 3 前悬架拓扑结构图18 图3 - 4 前悬架垂向刚度1 8 图3 5 前悬架侧倾刚度1 9 图3 6 后悬架模型及拓扑结构图1 9 图3 7 后悬架垂直刚度2 0 图3 8 后悬架侧倾刚度2 0 图3 - 9 转向系统模型及拓扑结构图2 l 图3 1 0 轮胎模型2 2 图3 1 1b 级和c 级路面模型2 3 图3 1 2a d a m s c a r 中整车模型2 4 图4 1 人体坐姿受振模型2 7 图4 2 整车仿真模型2 9 图4 3x 、y 向频率加权函数平方曲线3 0 图4 4z 向频率加权函数平方曲线3 0 图4 5 驾驶员座椅x 方向加速度时域曲线及其功率谱密度曲线3 0 图4 6 驾驶员座椅y 方向加速度时域曲线及其功率谱密度曲线3 l 图4 7 驾驶员座椅z 方向加速度时域曲线及其功率谱密度曲线3 l 图5 1i s i g h t 的主界面3 4 图5 2i s i g h t 使用流程3 5 图5 3i s i g h t 探索工具3 5 图5 4 任务计划的综合探索示意图3 6 图5 5i s i g h t 优化工具包3 7 图5 - 6i s i g h t 优化策略o 3 7 图5 7 试验设计模型3 8 图5 8 试验设计数据流示意图3 9 图5 - 9 前后悬架弹簧刚度和减振器阻尼正交试验结果3 9 图5 1 0 变量灵敏度分析4 0 图5 1 1 前悬架减振器原有的数据曲线4 0 图5 1 2 后悬架减振器原有数据曲线4 1 图5 1 3i s i g h t 与a d a m s c a r 联合仿真优化界面4 1 图5 1 4 优化设计数据流示意图4 2 v i 图5 1 5i s i g h t 优化驱动器4 2 图5 16 目标值随前悬架弹簧刚度变化曲线4 3 图5 1 7 目标值随前悬架减振器阻尼变化曲线4 3 图5 1 8 目标值随后悬架减振器阻尼变化曲线4 3 图5 一1 9 目标值随后悬架弹簧刚度变化曲线4 4 图5 2 0 前悬架减振器阻尼优化前后曲线4 4 图5 2 1 后悬架减振器阻尼优化前后曲线一4 4 图5 2 2 加速度均方根值分布情况4 5 图5 2 3 前悬架上行程分布情况4 5 图 图 图 图 图5 2 8 图5 2 9 图5 3 0 图5 31 图5 3 2 图5 3 3 图5 3 4 图5 3 5 图5 3 6 图5 3 7 前悬架下行程分布情况4 6 后悬架上行程分布情况4 6 后悬架下行程分布情况4 6 前悬架垂直刚度4 7 前悬架侧倾刚度4 7 后悬架垂直刚度4 7 后悬架侧倾刚度一4 8 驾驶员座椅x 处加速度时域曲线及其功率谱密度曲线4 8 驾驶员座椅y 处加速度时域曲线及其功率谱密度曲线4 9 驾驶员座椅z 处加速度时域曲线及其功率谱密度曲线4 9 优化前后x 向加速度值变化情况5 0 优化前后y 向加速度值变化情况5 0 优化前后z 向加速度值变化情况5 1 优化前后加速度均方根值变化情况5 1 v i l 表格清单 表2 1 驾驶员控制方式1 3 表3 1 路面不平度8 级分类标准2 2 表4 1 各轴向振动分量的加权系数值和频率加权函数定义2 7 表4 2 丸值对应表中的人的主观感受2 9 表4 3 整车平顺性仿真结果3 2 表5 1 优化后各个工况下座椅处加速度均方根值4 9 表5 2 优化前后加速度值的比较5 0 v i i i 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 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。 学位做作者擀徐映字日期细净物f 户 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 垦王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目墨王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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) 籼名：徐缎 撕期：细7 年川净 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话： 邮编： 日 致谢 时间过的很快，短短的三年不到的研究生阶段即将过去，我们将走上各自 的工作岗位，在过去的这些日子里，在学习方面、工作方面、生活方面都得到 了同学和老师的帮助，无论走到哪里我都将铭记于心。 首先，我想感谢我的导师陈剑教授，在攻读硕士的这段时间内，陈老师在 学习和工作上都给了我极大的帮助和指导，在陈老师的指导和帮助下我掌握了 许多专业知识，顺利完成硕士研究生阶段的学习。在此我向陈剑老师致以衷心 的感谢和崇高的敬意。 其次，我想感谢这三年里面一直关心和培养我的合肥工业大学噪声振动工 程研究所以及所内的陈心昭老师、毕传兴老师等。三年来噪声振动工程研究所 给了我不少锻炼实践的机会，所内各位老师渊博的知识、严谨的治学态度以及 敏锐的学术思维都深深的感染着我。在此我向噪声振动工程研究所内所有的老 师表示衷心的感谢。 我要感谢我的同学夏海、李家柱、宋恩栋、张丰利、李灿、雷达、王彦博 和程吴等，他们在学习上、生活上和工作上都给了我极大的帮助，同时也要感 谢给了我很多帮助的师弟师妹们，谢谢你们! 最后我要感谢我的父母和家人，我所有的一切都离不开他们无微不至的关 怀和不知疲倦的付出，在父母和家人的支持下，我的学业才能顺利完成。这短 短三年在我的人生旅途中只是一小部分，但我所学到的、所感受到的将受用终 身。 再次感谢我的老师、同学和家人，谢谢你们! i i i 作者：徐陈夏 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 课题来源与研究目的和意义 随着汽车的普及，人们对汽车的要求越来越高，在获得良好的动力性和经 济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性、行驶平顺性和乘坐舒适性。汽车 的n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) 性能直接影响着人们对于汽车的主观 感受，噪声会使乘客产生疲劳感，振动则影响乘坐舒适性，车内座椅的振动将 直接影响汽车乘坐舒适性，方向盘和换档手柄的振动将影响操作等等【1 1 。这些 振动不仅影响部件使用寿命，而且直接影响乘客乘坐的舒适性以及行车的安全 性。通过调整汽车中的一些结构的可变参数可以改善车内座椅、方向盘等的振 动。对于这些要求，可以通过对汽车系统的动力学进行深入的研究来实现。在 这一领域，用模型分析，建立数字化虚拟样车是一种重要的方法。 悬架系统是底盘的最重要组成部分，汽车悬架系统对整车行驶动力学( 如 操纵稳定性、行驶平顺性等) 有举足轻重的影响，是汽车总布置设计、运动校 核的重要内容之一。利用多体动力学理论及软件对悬架及整车系统进行动力学 仿真，可以缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品 质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品。对提高自主品 牌，增强自主研发能力具有重要作用。 本课题来自国家8 6 3 重大科技专项，课题的主要内容是对某车的行驶平顺 性进行分析计算并对该车的悬架参数进行优化设计。通过建立该车的整车动力 学模型，以路面激励为输入对该车的行驶平顺性进行仿真分析，采用加权加速 度均方根值评价方法对该车的平顺性进行评价；选择悬架系统的弹簧刚度和减 振器阻尼为变量对该车的平顺性进行优化设计，进而对优化结果进行可靠性分 析，并提出改善该车平顺性的措施。 通过对本课题的研究可以改善某车悬架系统的隔振性能，提高乘坐的舒适 性，同时对悬架系统弹簧刚度和减振器阻尼的设计可以为汽车的正向设计提供 可靠的技术支持。 1 2 国内外汽车动力学仿真研究概况 1 2 1 汽车平顺性研究概况【z j 汽车平顺性研究的是“人一汽车一路面”振动系统，如图1 1 所示。路面 不平度、车速及发动机激励形成了对振动系统的“输入”，此“输入”通过由轮 胎、悬架、动力总成悬置系统、坐垫等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构 成的振动系统传递，得到振动系统的“输出一传至人体的振动加速度，此加 速度通过人体振动的反应一舒适性来评价汽车的平顺性。 输入： 振动系统：输出： 评价指标： 路面不平度 入 弹性元件 k 振动加速度 h 加权加速度均方根 车速 阻尼元件悬架动绕度 值 j 发动机激励 l 车身、车轮质量 y 车辆动载荷 y撞击悬架限位 行驶安全性 图1 1“人一汽车一路面”框图 通常进行汽车平顺性研究的方法分为实验方法和理论方法。汽车平顺性的 实验方法包括室外道路试验、试验场试验和室内模拟试验。而理论研究方法是 力求建立能完全反应客观实际的动力学仿真模型，通过计算得到振动的基本规 律，求解出平顺性分析所需要的振动相应量，并将其进行数据处理，与相应的 平顺性评价指标相比较，从而预测和分析汽车的平顺性，理论方法的优点是研 究不受实验条件限制、建模设计分析周期短、可预测动力学性能等。因此各国 工程技术人员在理论研究方法方面做了大量的研究工作，并取得了一定的研究 成果。 1 9 4 8 年，j a n e w a y 提出了人体舒适性评价指标，并给出了计算评价指标j 值的计算公式；19 7 2 年，德国米奇克提出用座椅垂直加速度均方根值和整车纵 向加速度均方根值来评价汽车的平顺性。2 0 世纪6 0 年代，国际标准化组织着 手制定“人体承受全身振动的评价指标”并于1 9 7 4 年颁布了i s 0 2 6 3 1 1 9 7 4 ( e ) ， 经过修订成为国际标准i s 0 2 6 31 19 8 5 ，进而形成了i s 0 2 6 31 1 9 9 7 ( e ) ，其中的 1 3 倍频带评价方法和总加权值评价方法及其评价指标目前被普遍采用【3 】。 我国在这个方面起步较晚，2 0 世纪8 0 年代初，长春汽车研究所、清华大 学等单位首先采用了i s 0 2 6 3 1 国际标准进行了汽车道路行驶平顺性的研究； 1 9 8 5 年制定的“汽车平顺性随机输入行驶试验方法 和“平顺性脉冲输入行驶 试验方法”，以及近几年的“客车平顺性评价指标及限值”等，初步构成了我国 较为完善的汽车平顺性评价方法体系。 1 9 9 9 年，同济大学张庆才等人采用多刚体系统动力学建立7 自由度振动模 型，并利用该模型对某汽车的平顺性进行了研究【4 j 。 2 0 0 2 年，中国农业大学王国权等人建立了8 自由度的汽车乘坐动力学模型， 并利用m a t l a b 对其在b 级随机路面上的行驶平顺性进行了仿真分析【5j 。 1 2 2 多体系统动力学及动力学仿真发展概况 汽车是一个复杂的机械系统，外界载荷的作用复杂、多变，人、车、环境 三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难 题。传统的汽车系统动力学分析是将汽车系统中各部件、总成看作集中质量块， 它们之间的联系抽象为弹簧和减振器，即将汽车系统抽象为集中质量一弹簧一 阻尼系统。这种模型有平面的也有三维的，其自由度从几个到十几个以至数十 个。然而，这种抽象显然只能满足特定工况下近似分析的需要，往往为模拟不 2 同工况需要建立不同的分析模型。因为事实上系统中各部件、总成本身是个分 布质量的物体系，它们不仅有移动自由度而且还应计算其转动自由度，并且各部 件之间的联结都是通过复杂的构件和运动副( 转动副、移动副、万向节、球铰 等) 构成的，它们在汽车运动中是相互制约、彼此耦合的，因此很难找到一种适 合任意工况的当量系统作为汽车系统的动力学分析模型。 多体系统动力学是在经典力学基础上发展起来的新学科，是研究多体系统 ( 一般由若干个刚体和柔性体物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多刚体 系统动力学的发展又为振动研究提供了新方法。 多刚体动力学是在2 0 世纪中期诞生的，是古典的刚体力学、分析力学与电 子计算机相结合的力学分支。它目前已经形成了比较系统的研究方法，其中主 要有工程中常用的常规经典力学方法( 以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方 法和以拉格朗日方程为代表的分析力学方法) 、图论( r w ) 方法、凯恩方法、 和变分方法。以上几种主要的研究方法，虽然风格迥异，但共同目标是要实现 一种高度程式化，适用于编制计算程序的动力学方程建模方法。多体系统动力 学各种方法的数学模型可归纳为纯微分方程组和微分一代数混合方程组两种类 型。对于数学模型的数值方法也有两种，即直接数值方法和符号一数值方法。 c h a c e 以拉格朗日方程为基础，应用g e a r 的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。 1 9 6 0 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件一d t n a ，该软件 主要是解决多自由度、无约束的机械系统动力学问题。1 9 6 4 年，i b m 公司为汽 车工业研制了运动学分析软件k a m ( k i n e m a t i ca n a l y s i sm e t h o d ) ，该软件采 用t m a c h a n c e 矢量代数方法，对单运动链单自由度机械进行位置、速度、加 速度分析。随着多刚体系统动力学的诞生和发展，l9 7 2 年，美国的w i s t o n s i m 大学的j j u i c k e r 等人研究出了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 ) 机械系统的自动动力学分析软件，它能分析二维、三维、 开环或闭环机构的运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统的动力学问题。 19 7 7 年，美国i o w a 大学的c a d 中心在e j h a u y 教授的引导下，研制了d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 动力学分析和设计系统。目前，世界上 己经有十几种基于不同方法的多体动力学运动分析软件问世。总之，多体系统 动力学的方法是一种高效率、高精度的分析方法。但是在解决实际问题时，如 果处理不当，不仅使工作量增加，而且也得不到满意的结果，应用中要根据具 体情况和所研究的问题性质选择最有效的分析方法，这一点对于较复杂的汽车 系统来说尤为重要。 目前国外先进的汽车公司有关“数字化虚拟样车 技术的理论研究已发展 成为产品开发中的成熟技术，所开发出的动力学仿真模块能够广泛应用于汽车 整车及零部件的新产品开发。国外有关系统能够实现轿车、载重汽车整车操纵 稳定性、平顺性、制动性的全面建模与仿真分析，仿真模型经试验数据标定和 校核能够达到一定精度的要求，仿真分析已确实成为在产品开发早期替代( 或 部分替代) 实车试验对产品性能进行校核与优化的有效手段。 国外开始“数字化虚拟样车 技术研究与应用的时间较早，并已形成了一 系列通用的商业化数字化虚拟样车系统软件，这是汽车领域运用数字化新技术 的大趋势。美国福特汽车公司早在7 0 年代末就已在其新开发的轻型车上采用了 这样的技术，之后美国通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司及德国、日本等国的 汽车公司都纷纷开始研究与应用“数字化虚拟样车 技术。各大汽车公司都投 巨资构建其高度自动化的虚拟仿真系统，如近3 0 家大汽车公司拥有经二次开发 的a d a m s c a r 系统并用于整车的设计开发。 多体系统动力学理论为建立多自由度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的各个部件看成刚性体或弹性体，同时也包括 刚体的所有节点。整个模型自由度非常多，能更全面的描述汽车各个子系统的 运动及相互耦合作用，可用于汽车操纵性，平顺性等研究。 汽车中的弹簧、减振器、缓冲块、橡胶衬套以及轮胎等均具有非线性特性， 同时悬架、转向系统的空间运动也具有典型的几何非线性特性。能够全面精确 表达和预测汽车各种非线性特性的多体模型是进行汽车的动态性能设计的先进 手段。多体动力学方法已成为车辆动力学研究的一种高效率、高精度的分析方 法。 国外在工程界，特别是汽车工程领域，在多体系统动力学方面的研究已比 较广泛和深入。我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展很快，并且在汽车 工程领域也出了不少成果。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今在其博士论文中建立了含柔性元素的8 0 自由 度整车多体系统模型，并利用该模型对汽车动力学进行了全面的仿真分析和优 化【6 1 。 2 0 0 4 年吉林大学的蔡章林运用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【7j 。 2 0 0 1 年上海交通大学的赵亦希、黄宏成、刘奋以s 型轿车前悬架系统为实 例，利用a d a m s c a r 模块，进行双轮反向激振动力学仿真，仿真结果是各种 侧倾特性参数，对照轿车标准系数，对s 型轿车侧倾情况有一个全面了解，为 设计和优化悬架系统提供了实用高效的方法【8 】。 2 0 0 4 年江苏大学的汤靖、高翔、陆丹以多体系统动力学理论为基础，应用 机械系统动力学仿真分析软件a d a m s 的c a r 专业模块建立某皮卡车麦弗逊式 前悬架多体系统模型，并采用a d a m s i n s i g h t 模块进行性能分析，找出磨损严 重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案， 4 较好地解决了轮胎磨损的问题【9 1 。 国内有吉林工业大学、清华大学、上海交通大学、同济大学、华中科技大 学、武汉理工大学等单位进行了“数字化虚拟样车方面的理论研究，还有长 春汽车研究所、东风汽车工程研究院、上海汽车集团、北京汽车集团等单位引 进国外软件进行了“数字化虚拟样车”方面的仿真分析和局部应用，但因缺乏 整车及零部件基础数据积累、实车试验验证及仿真建模方面的经验积累，在仿 真模型精确程度、建模与仿真分析的效率等方面都不足以完全满足产品设计的 要求，“数字化虚拟样车”还不能成为替代传统汽车设计方法的实用化手段。 1 2 3 汽车悬架系统研究概况 作为汽车的重要组成，悬架系统是车身与轮胎之间一切传递力的连接装置 的总称，路面的不平坦、空气动力的作用、牵引力和制动力的作用，使其受到 垂直反力，纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩的作用。这些力和 力矩都要通过悬架系统传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。 悬架系统的性能对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性等有着重要影响。s e g e l 在1 9 9 3 年i m e c h e 举行的题为“车辆平顺性和操纵稳定性 的会议上发表的论 文，对19 9 0 年以前的汽车动力学的发展做了较为全面的总结。主要研究成果是 从实际经验中观察和认识到车辆的动力学行为与轮跳现象，认识到乘座舒适性 是车辆性能的重要指标。 建模研究过程中，国内外众多的学者和研究人员提出了许多方法，并建立 了大量数学模型，用来仿真悬架的运动学和动力学特性。目前，在汽车悬架建 模理论中，最为典型的是基于侧倾中心或力矩中心的建模方法，和基于多体动 力学的建模方法【l o 】【l l 】。 1 9 9 6 年，武汉汽车工业大学的刘成等人提出了用两自由度非线性汽车模型 进行平顺性评价方法，但模型略微简单【l2 1 。 19 9 9 年，西安交通大学的徐国宇等人基于分析力学的基本原理并结合人 体、车辆、路面的实际状况，从动力学普遍方程推导出了人体一车辆一道路系 统的振动力学模型【l3 1 。该模型最主要的是对人体及座椅系统作了更为详尽的建 模，重点研究了对于不同的路面输入人体的振动响应。但该模型也是对半车模 型的二维建模。 1 9 9 8 年，哈尔滨工业大学的王连明等人应用模态分析技术建立了人体一座 椅一车辆系统的动力学模型，该模型分别研究了驾驶员座椅和轮胎刚度对汽车 平顺性的影响，可对汽车的行驶平顺性进行预测和评估。同时，该模型研究结 论表明，发动机与轮胎刚度对驾驶员座椅处的振动影响不大【1 4 】。 计算机技术和控制理论的发展推动了车辆悬架系统动力学的进一步研究， 人们开始应用多刚体系统动力学软件( 例如：a d a m s ，d a d s ) 建立车辆及悬 架系统的复杂动力学模型，并通过分析得出了许多有益结论。 2 0 0 0 年，同济大学的李智峰应用虚拟样机技术建立了整车动力学模型，对 其进行了脉冲输入平顺性仿真【”】。 目前，对悬架振动特性的研究主要也是针对改善汽车平顺性而进行的。根 据研究目的的不同，可将实际车辆系统进行不同程度的简化，建立相应的模型， 然后分析研究悬架的振动特性。 1 3 本课题研究的主要内容 我国汽车行业起步晚，与国外的研究水平还存在一定的差距，对于汽车振 动性能的研究需借鉴国外的经验，本课题主要是采用多体动力学软件a d a m s 建立某车整车的多体动力学模型，对汽车的平顺性进行仿真分析并对悬架参数 进行优化，主要完成如下工作： 1 ) 阅读国内外关于汽车振动分析研究的文献，掌握多体动力学的相关理论 和虚拟样机技术的发展情况，并掌握相关软件a d a m s 的分析原理和工程流程。 2 ) 掌握a d a m s c a r 模块建模的理论和方法，建立某车的整车动力学模 型。 3 ) 根据g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法的要求【l6 1 ， 在a d a m s c a r 中对整车在某些工况下进行平顺性分析计算以及评价，并分析 悬架系统的隔振状况。 4 ) 学习并掌握多学科协同优化设计软件i s i g h t 的基本运用，采用 a d a m s c a r 与i s i g h t 联合仿真计算的方式对汽车的行驶平顺性进行优化， 并进行可靠性分析，仿真对比优化前后的平顺性结果。 5 ) 根据平顺性分析和优化结果，提出可行的工程治理措施。 1 4 本章小结 本章着重阐述了本课题的来源、研究的目的以及国内外汽车平顺性和汽车 动力学仿真的研究状况，概述了本课题研究的主要内容。 6 第二章多体动力学理论基础i 7 1 1 1 8 1 1 1 9 | 机械系统动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的，多体 系统动力学是其理论基础。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，使得在二十世纪八十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。 2 1 多体动力学基本理论 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，可以用它的质心坐标系来确定位置，用质心坐标相对 地面坐标系的方向余弦矩阵确定方位。为了解析式地描述方位，需规定一组转 动的广义坐标表示方向余弦矩阵。a d a m s 软件用刚体最的质心笛卡尔坐标和 反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即g ，= i x ，y ，z ，少，0 ，驴】7 ，q = q 于，g ；，爵】7 。 由于采用了非独立的广义坐标，系统动力学方程虽然是最大数量，但却是高度 稀疏耦合的微分代数方程，适合用稀疏矩阵的方法求解。 2 。1 1 运动学方程 由以6 个刚性构件组成的系统的广义坐标数为，z c = 3 x n b ，则系统广义坐标矢 量可表示为q = q t ，秀，g 二 r 。利用a d a m s 建立机械系统仿真模型时，系统中 构件与地面或构件与构件之间存在运动副的联接，这些运动副可以用系统广义 坐标表示为代数方程，这里仅考虑完整约束。设表示运动副的约束方程数为砌， 则用系统广义坐标矢量表示的运动学约束方程组为： 膏( g ) = ；( g ) ，箩( g ) ，盏( g ) r = 0 ( 2 1 ) 考虑运动学分析，为使系统具有确定运动，要使系统实际自由度为零，要 给系统施加等于自由度( 刀c n h ) 的驱动约束： d ( g ，t ) = d ( 2 2 ) 在一般情况下，驱动约束是系统广义坐标和时间的函数。驱动约束在其集 合内部及其与运动学约束合集中必须是独立和相容的，在这种条件下，驱动系 统在运动学上是确定的，将作确定运动。 由式( 2 1 ) 表示的系统运动学约束和式( 2 - 2 ) 表示的驱动约束组合成系 统所受的全部约束： 晰，= i 耋蒜炉 式( 2 - 3 ) 为n c 个广义坐标的r t c 个非线性方程组， 对式( 2 - 3 ) 求导，得到速度约束方程： ( g ，毒，t ) = 。( g ，f ) 亩+ 西，( g ，t ) = 0 若令u = 一，( g ，t ) ，则速度方程为： ( g ，口，t ) = 。( g ，f ) 口一u = 0 对式( 2 - 4 ) 求导，可得加速度方程： ( 2 - 3 ) 其构成了系统位置方程。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 面( q ，口，牙，f ) = g ( 9 ，f ) 牙+ ( 西叮( g ，f ) 口) 叮香+ 2 g ，( g ，f ) 圣+ ，( g ，f ) = d ( 2 6 ) 若令叩= 一( 。毒) ，口一2 0 口一。，则加速度方程为： 面( g ，口，百，f ) = g o 口( g ，f ) 牙一叩( g ，亩，f ) = d ( 2 - 7 ) 矩阵。为雅可比矩阵，如果的维数为m ，g 维数为厅，那么。的维数为，l 玎， 其定义为( 。) 仃= 锄，o q 。在这里，为以c 玎c 的方阵。 2 1 2 动力学方程 a d a m s 利用每个刚体的连体坐标系相对于惯性坐标系的位置和欧拉角作 为广义坐标q t = 【五y ，z ，5 f ，0 ，妒】；，对于n 个刚体组成的多体系统其广义坐标为 g = 【g ；，g ；，q r 7 。系统中n u * - 与刚体之间存在运动副的联接，如常用的球面副、 移动副、圆柱副、万向节副等，运动副方程可以用系统广义坐标表达为非线性 代数方程。利用拉格朗日乘子法建立多体系统动力学方程，其形式为： j 旦d t 他k a i ) 2 一叫t 枷 ( 2 - 8 ) 【 g o ( q ，t ) = 0 其中： t 为系统动能； q 为系统广义坐标列向量； q 为系统广义力列向量； 入为对应于约束的拉氏乘子列向量； 应用a d a m s 软件建立的多体模型，其动力学方程一般为隐式、非线性的 微分代数混合方程( d i f f e r e n t i la n da l g e b r a i ce q u a t i o n s ，d a f s ) 。对于此类方程， 采用吉尔预测校正算法求解较好。通过求解该方程，可以得到系统中所有部件 的边界条件，即力、速度、加速度。为了快速准确地求解这类方程，a d a m s 利用刚性稳定的b d f 方法求解。 进行动力学分析时，a d a m s 软件的积分器可以分为两种：刚性的和非刚 性的积分器。 1 ) 功能强大的变阶、变步长刚性积分器：g s t i f f ( g e a r ) 积分器、w s t i f f 积分器、d s t i f f ( d a s s a l ) 积分器和s 1 2 g s t i f f 积分器。这四种积分器都 使用b d f ( b a c k d i f f e r e n c e f o r m u l a e ) 算法，前三种积分器采用牛顿一拉弗逊 迭代方法来求稀疏耦合的非线性运动学方程，这种方法适于模拟刚性系统( 特 征值变化范围大的系统) 。 2 ) 非刚性的a b a m ( a d a m s b a s h f o r t h a d a m s m o u l t o n ) 积分器，采用坐 标分离算法，来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于非刚性的系统，模拟 特征值历经突变的系统或高频系统。 2 2a d a m s 软件概述 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 fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是美国m d i 公司的支柱产品，在世界范围内享有盛誉，是公认的机械系统仿真( m m s ) 技 术中的领导者，拥有全世界2 3 以上的该类用户。它是专门对机械系统进行运 动学、动力学分析和仿真的软件。这套完整的分析工具使工程师、设计人员能 够建立机械系统“虚拟样机”( v i r t u a lp r o t o t y p e ) ，并能在建造物理样机前，分 析其工作性能。a d a m s 软件能够帮助用户更好地理解系统的运动，解释子系 统或整个产品的设计特性，比较多种设计方案之间的工作性能差异，精确预测 载荷变化，计算其运动轨迹、速度和加速度分布图等。 a d a m s 己广泛应用于汽车行业、航空航天、国防工业、机电行业、铁路 车辆制造、通用机械制造甚至生物力学和人机工程学领域。在汽车工业中， a d a m s 已成为机械系统动力学仿真的标准软件。北美、欧洲和亚洲的所有汽 车制造商和零部件、轮胎供应商都广泛地使用该软件。a d a m s 将强大的分析 求解功能与方便的用户界面相平衡，使该软件使用起来既直观又方便，还可以 用户专用化。它自身具有一定的三维实体建模能力，用户既可以直接在a d a m s 的交互式建模模块a d a m s v i e w 下建立系统模型，也可以使用a d a m s 的分析 求解模块a d a m s s o l v e r 的建模语言编写建模程序( 以文本文件的形式) ，还可 以利用其他软件建立的模型通过相应的接口程序转换成a d a m s 接受的文件格 式，如a m d 文件、i g e s 、d x f 、s t e p 等文件格式，然后由a d a m s 用i m p o r t 命今导入。 在a d a m s 建模时，a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库和力 库，用模块的方法建立三维机械系统参数化模型并通过对其运动性能的仿真分 析来研究虚拟样机的可供选择的设计方案。它将多体动力学的建模方法与大位 移、非线性分析求解功能结合，并提供与其它c a d ，( 如u g 、p r o e 软件) ，有 限元分析软件的集成模块扩展设计手段。其中，建立反映产品结构特征和属性 数据的虚拟样机模型。它是进行仿真、分析、优化的基础。 a d a m s 具有建模、施加运动约束的功能。对于复杂的产品，其三维几何 模型的建立、产品预装配通常在c a d 软件( 如u g 、p r o e 等) 中完成。然后 9 通过格式转换，导入a d a m s 环境。同时，也可以将力学模型与几何模型脱离， 我们只需知道各部件( p a r t ) 的质量，质心位置，转动惯量等参数，在a d a m s 建立抽象的力学模型。模型受力分析和运动分析中a d a m s 仿真可用于估计机 械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。它 提供了多种可选模块，核心软件包，其中包括交互式图形环境a d a m s v i e w ( 图 形用户界面模块) 、a d a m s s o l v e r ( 仿真求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 专 用后处理) 。此外还有a d a m s i g e s ( 与c a d 软件交换几何图形数据) 、 a d a m s c o n t r o l ( 控制系统接口模块) 、a d a m s f l e x ( 柔性体模块) 、 a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压系统模块) 等许多模块，尤其是它的a d a m s c a r ( 轿 车模块) 、a d a m s e n g i n e ( 发动机模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎模块) 等使a d a m s 软件在汽车行业中的应用更为广泛。 2 3a d a m s 建模基础 1 模型元素类型 复杂机械系统模型主要由部件、约束、力( 驱动) 、力元等要素组成。a d a m s 中的模型元素基本由这四类组成。 1 ) 部件：也称作构件。部件分为刚性部件和柔性部件。刚性部件其几何形 体在任何时候都不会发生改变，有质量属性和惯量属性。刚体的一种特殊形式 是点质量体，即仅用质量，但没有惯量属性。柔性部件与刚性部件唯一不同的 是其几何形体会发生改变； 2 ) 约束( 驱动) ：将不同的部件联接在一起的模型元素。如各种铰链、运 动副等。驱动有位移驱动和旋转驱动； 3 ) 力：力有单分量力和多分量力，还包括力偶； 4 ) 力元：包括弹簧、梁、衬套等。 2 创建部件 创建部件