（车辆工程专业论文）基于adams的悬架系统动力学仿真分析与优化设计.pdf

摘要 本文以悬架系统为研究对象，运用多体动力学理论和软件，从新车型开发中 悬架系统优化选型的角度，对悬架系统进行了运动学动力学仿真，研究悬架系统 对整车操纵稳定性和平顺性的影响。 本文提出建立悬架快速开发系统平台的构想，并以新车型开发中的悬架系统 优化选型作为实例加以阐述。首先简要介绍了汽车悬架系统的基本组成、设计要 求。概述了多体动力学理论，并介绍了利用a d a m s 软件进行运动学、静力学、 动力学分析的理论基础。 基于a d a m s c a l 模块分别建立了麦弗逊式和双横臂式两种前悬架子系统， 多连杆式和拖曳式两种后悬架子系统，以及建立整车模型所需要的转向系、轮胎、 横向稳定杆等子系统，根据仿真要求装配不同方案的整车仿真模型。 基于整车操纵稳定性，从理论上分析悬架系统与操纵稳定性的关系，对前后 独立悬架模型进行了运动学、动力学仿真计算，在后处理模块中分析在左右车轮 上下跳动时车轮外倾角、前束角、主销后倾角、主销内倾角等车轮定位参数和制 动点头量、办速抬头量昀变化规律，汽车侧倾运动时悬架刚度、侧倾刚度、侧倾 中心高度等侧倾参数的变化规律，对前后悬架系统进行初步评估。 基于整车行驶平顺性，从理论上分析悬架系统与整车平顺性的关系，然后对 不同整车模型在不同的工况下进行动力学仿真，在后处理模块中分析各轴向的加 速度变化曲线，利用曲线处理功能，计算总的加权加速度均方值，分析悬架系统 对平顺性的影响，并在此基础上得出悬架系统选型的优化方案。 在论文中通过动力学仿真，得到的新车型悬架系统优化选型方案，有效地缩 短了汽车研发周期，降低了开发成本，对提高产品设计和制造质量探索了新的途 径。 关键词：a d a m s 动力学仿真悬架系统 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t a k i n gs u s p e n s i o ns y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t ，u s em u l t i - b o d y s y s t e md y n a m i c st h e o r i e sa n ds o f t w a r e f r o mt h ev i e wo fo p t i m i z a t i o ns u s p e n s i o n s y s t e mt y p ei nd e v e l o pan e wc a r 9c a r r y i n gk i n e m a t i c sd y n a m i c ss i m u l a t i o na n d d y n a m i c ss i m u l a t i o no nt h es u s p e n s i o ns y s t e m ，s t u d yt h ee f f o r t so fs u s p e n s i o ns y s t e r n o nt h ev e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e sa n dh a n d l i n gp e r f o r m a n c e s t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ee s t a b l i s h m e n ta u t o m o b i l es u s p e n s i o nr a p i dd e v e l o p m e n t s y s t e mp l a t f o r mc o n c e p t i o n ，a n dp e r f o r m st h es u s p e n s i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o ni nt h e n e wv e h i c l et y p ed e v e l o p m e n ta st h ee x a m p l et oe l a b o r a t e f i r s t b r i e f l yi n t r o d u c e d t h ea u t o m o b i l es u s p e n s i o ns y s t e mb a s i cc o m p o s i t i o n ，t h ed e s i g nr e q u e s t o u t l i n e d m u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c st h e o r y , a n d i n t r o d u c e dt h ek i n e m a t i c s ，t h es t a t i c s ，a n d d y n a m i c sa n a l y s i sr a t i o n a l eu s i n gt h ea d a m ss o f t w a r e b a s e do na d a m s c a rm o d u l ee s t a b l i s h e dt h e m a c p h e l s o nt y p e a n dt h e w i s h b o n et y p ef r o n ts u s p e n s i o ns u b s y s t e m ss e p a r a t e l y , t h em u l t i l i n kt y p ea n dt r a i l i n g t y p er e a rs u s p e n s i o n sr a c k ss y s t e m ，a sw e l la se s t a b l i s h e dt h es t e e r i n gs y s t e m ，t h et i r e ， t h ea n t i r o l ls y s t e mw h i c ht h ee n t i r ev e h i c l em o d e ln e e d e d ，a c c o r d i n gt os i m u l a t i o n r e q u e s ta s s e m b l yd i f f e r e n tp l a ne n t i r ev e h i c l es i m u l a t i n nm o d e l b a s e do nt h ee n t i r ev e h i c l eh a n d i n gp e r f o r m a n c e s ，a n a l y z e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns u s p e n s i o ns y s t e ma n dh a n d l i n gp e r f o r m a n c e s c a r r y i n go nt h ek i n e m a t i c s ， d y n a m i c ss i m u l a t i o ne o m p u t a t i o nt ot h ea r o u n di n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nm o d e l i nt h e p o s t - p r o c e s s i n gm o d u l e ，w eo b t a i nt h ev a r i e t yc u r v eo f w h e e lc a m b e ra n g l e ，t o e i n a n g l e ，k i n g p i ni n c l i n a t i o na n g l e ，c a s t e ra n g e l ，d i v eb r a k i n ga n dl i f tb r a k i n g ，w h i l et h e w h e e lc e n t e rm o v e w ba l s oi n v e s t i g a t e dt h ev a r i e t yo fs u s p e n s i o ns t i f f n e s s s u s p e n s i o nr o l lr a t ea n dr o l lc e n t e rh e i g h tw h e nv e h i c l ew a si nr o l l b a s e do nt h ev e h i c l ef i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e s ，a n a l y z e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns u s p e n s i o ns y s t e ma n d ：v e h i c l er i d ec o m f o r tp e r f o r m a n c e s c a r r y i n go n d y n a m i c ss i m u l a t i o nt ot h ed i f f e r e n te n t i r ev e h i c l em o d e lu n d e rt h ed i 曲r e n to p e r a t i n g m o d e ，a n a l y z e se a c ha x i a la c c e l e r a t i o nc h a n g ec u r v ei nt h ep o s t p r o c e s s i n gm o d u l e ， t h eu s ec u r v ep r o c e s s i n gf u n c t i o n ，t h ec o m p u t a t i o na l w a y sw e i g h t i n ga c c e l e r a t i o n m e a ns q u a r ev a l u e ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c co fs u s p e n s i o ns y s t e mt or i d ec o m f o i t p e r f o r m a n c e s ，a n do b t a i n st h es u s p e n s i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o np l a n ht h ep a p e rt h r o n 曲d y n a m i c ss i m u l a t i o n , o b t a i nt h eo p t i m i z a t i o np l a no f s u s p e n s i o ns y s t e r nt y p ei nd e v e l o pan e wc a r r e d u c et h ea u t o m o b i l er e s e a r c ha n d d e v e i n p m e n tc y c l ee f f e c t i v e l y , r e d u c et h ed e - v e l o p m e n tc o s t ，e x p l o r ean e ww a yt o e n h a n c e dt h ep r o d u c td e s i g na n dt h em a n u f a c t u r eq u a l i t y k e yw o r d s ：a d a m s ，d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，s u s p e n s i o ns y s t e m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和课题来源 2 1 世纪以来，中国汽车工业开始进入迅猛发展的时期，汽车需求量大幅上升，其速度 在汽车工业史上是极为罕见的。在入世后的2 0 0 2 年，中国汽车总体产量就迈上了3 0 0 万 辆的台阶，在随后的几年，中国汽车产量一年一个1 0 0 万，2 0 0 4 年超过5 0 0 万辆，2 0 0 5 年全年产量预计将会超过5 5 0 万辆，成为超过德国的世晃第三大汽车生产国。中国将取代 日本成为世上第二大汽车市场，国外汽车巨头纷至沓来，德国大众、美国通用、日本丰田、 韩国现代等等不一而足，都想在中国汽车市场这块大蛋糕上，尽量切割较大的份额。人们 对拥有1 3 亿人口的中国市场充满着乐观情绪，全球著名汽车厂商都期望着在其他主要市 场业已饱和之际实现迅猛增长，他们纷纷在中国投资建厂并推出新款汽车。一时间国内许 多汽车厂沦为国外品牌汽车的组装车间，包括中国汽车工业的老大中国一汽也不例 外。众多国内汽车厂家忙于从合资合作中追逐利润，占领市场，忽视和弱化了自主研发能 力的培育，导致在合资中几乎毫无例外地处于被动地位。合资成风带来的一个负面效应就 是“技术空心化”。这不能不使我们警惕起来，中国的汽车工业将何去何从? 具有中国自 主知识产权，并能与国外著名汽车品牌抗衡的中国自己品牌的汽车何时熊够诞生? 谁掌握 中国汽车市场的主动权? 中国汽车工业发展必须做出新的抉择，那就是中国一定要在汽车 核心技术自主研发上取得突破。 自主研发、自主知识产权和自主品牌的汽车是中国汽车工业持久的核心竞争力。面对 激烈竞争的全球汽车市场环境，中国汽车业不管再难也要搞自主研发，实际上自主开发力 量薄弱一赢威胁着中国汽车业发展的根基；如果不苦练内功，自主开发能力弱将成为中国 汽车业未来发展的大“软肋”。如何突破这一制约“瓶颈”? 仅仅依靠原有汽车企业的力 量，要实现这一目标将会很漫长，中国汽车自主研发要在引进消化吸收的基础上进行自主 创新，自主开发研究核心技术，或者合作开发研究核心技术。只有人自主的意识才能谋划 长远，才能自觉地参与竞争，才能在竞争中争取主动。 过去我们一直比较侧重于汽车整车的发展，而忽视了零部件产业和相关配套产业的聚 集。但是汽车的整车对于一个国家的汽车工业来讲不是最重要的，最核心的还是汽车零部 件的发展。汽车整车的创新能力、品牌能力主要体现在关键零部件的科技含量这样一个层 次之上，零部件的科技含量、零部件的自主创新能力决定了汽车整车的创新能力，最终决 定这个品牌的归属。 汽车自主创新主要包含车身、底盘和发动机三块，而悬架系统又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 武汉理工大学硕士学位论文 强自主研发能力具有积极重要作用。 本课题来源于新加坡地下管道作业车开发项目，该项目需要根据整车参数，以及各部 件的布置来选用悬架系统，利用多体动力学软件可以对悬架及整车性能预测，检测前后悬 架的匹配。 1 2 课题研究的目的及意义 本文从新车型开发中悬架系统选型的角度，利用开发阶段所能获得的整车设计要求及 悬架系统基本参数，运用机械动力学分析软件a d a m s 建立悬架系统及整车的多体动力学 模型，仿真分析悬架运动学动力学特性，系统分析悬架系统对整车操纵稳定性及行驶平顺 性的影响，得出最优的悬架系统选型方案。 传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定 型，产品开发成本较高周期长运用机械系统动力学分析软件a d a m s 进行仿真分析以 及优化设计，可以大大简化悬架系统设计开发过程。大幅度缩短产品开发周期，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。 该课题的研究为整车及悬架系统开发开拓了更加科学的方法，结合汽车设计解决运动 学及动力学问题，从而提高设计质量。此课题的研究也将为提高我国汽车工业产品自主开 发能力做出贡献。 1 3 和本课题有关的国内外研究现状 1 3 1 车辆动力学仿真技术国内外研究现状 汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，其特点是运动零 件多、受力复杂。由于组成汽车各机械系统( 如转向、悬架、传动机构) 之间的相互耦合 作用，使汽车的动态特征非常复杂。特别是汽车的前悬架与转向系统，是多连杆式机构， 而且确定了主销内倾角、主销后倾角等车轮定位角，车轮定位角对车辆的行驶状态起重要 的作用，在运动学分析中必须获得车轮定位角的变化情况。车辆的运动工况也是多种多样， 在实际行驶过程中，会有各种各样的外在激励及内在控制，不同的工况下车辆各个零件的 空间位置及受力情况均有变化。这些都给运动学与动力学的分析带来了很大的困难，以及 用简化条件下的图解法等方式分析车辆这些复杂的空间结构是非常困难的，不仅误差较 大，而且费时费力。 在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始终是一个 关键性问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂。由于理论方法 和计算手段的限制，该学科曾一度发展较为缓慢。主要阻碍之一在于无法有效的处理复杂 受力下多自由度分析模型的建立和求解问题。许多情况下，不得不把模型简化，以便使用 古典力学的方法人工求解，从而导致汽车的许多重要的特征无法得到较精确的定量分析。 2 武汉理工大学硕士学位论文 计算机技术的迅猛发展，使我们在处理复杂问题方面产生了质的飞跃。有限元技术、模态 分析技术以及随后出现的多体动力学正是在这种情况下发展起来的。这些理论方法出现以 后很快在汽车技术领域中得到了应用。 国外汽车动力学中的研究经历由试验到理论研究，由开环研究到闭环研究的发展过程。 力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型；模型的自由度由两个自由度发展到 数十个自由度。 到了8 0 年代初，不仅有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种 针对汽车某一问题的专用多体软件。研究的范围从局部结果到整车系统，涉及汽车系统动 力学的方方面面。8 0 年代中期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。国外 主要汽车厂商和研究机构在其c a d 系统中安装了多体系统动力学软件，并与有限元、模态 分析、优化设计等软件一起构成了一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。 国内在汽车动力学的研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起步较晚。 七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究。研究工作集中在 平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型 的计算方法、性能预钡9 方法和优化设计方法等。力学模型从七十年代研究汽车侧偏和横摆 运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向系在内的三至五自由度乃至十三个自由 度的非线性模型，其功能也从对汽车稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析，发展到汽车转 弯制动性能的分析。 9 0 年代初人们开始把多柔体系统动力学理论和方法用于汽车技术领域，这标志着汽车 多体系统动力学向新的层次发展，许多有益的工作值得借鉴。在文献 1 0 中，把车身处理 为柔性体，为了减少自由度采用了集中质量法的离散化过程，并考虑了转动惯量的影响。 在文献 1 1 中采用了子结构的分析技术，汽车悬架处理为子结构，采用模态综合方法用模 态坐标描述车身的变形，通过约束条件把整个系统组装起来联合求解。文献 1 2 和文献 1 3 中讨论了悬架系统广泛采用的弹性约束( 橡胶铰链) 对汽车性能的影响及处理方法。总之， 人们试图用各种有效的方法将柔性体的力学效应并入多体动力学方程中进行分析和求解。 这些方法即有探索直接建立和求解刚柔混合的多体动力学方程的方法，也有采用现有的多 刚体系统动力学软件来近似对多柔体系统进行分析的方法。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统分析软件 a d a m s ，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔 性元素( 橡胶减振元件) 对动力学性能的影响“”。 吉林大学的蔡章林运用触) 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“。 武汉理工大学的鲍卫宁利用a d a m s v i e w 软件，建立麦弗逊式悬架的某轿车前悬架的 多体动力学模型，并对车轮跳动和转向时，悬架的各种参数的变化进行分析“。 武汉理工大学硕士学位论文 合肥工业大学的王其东博士，进行了不同形式的动力学方程所描述的多体系统响应的 灵敏度分析，推导了相应的公式；建立了汽车主要总成的多体动力学模型，并整合整车的 多体模型，建立了道路输入模型，进行整车的动力学仿真；提出了基于动力学仿真的汽车 悬架c a d 的思路，针对具体车型，进行了钢板弹簧的结构改进设计，将改进后的钢板弹 簧装车进行了平顺性和操纵稳定性试验。并将遗传算法的神经网络自适应模糊控制策略应 用到汽车半主动悬架的控制中n ”。 南京理工大学的苏小平博士，在整车系统多体动力学模型的基础上，采用模态集成方 法和离散化方法分别建立汽车横向稳定杆和板簧的柔性体。对依维柯汽车的操纵稳定性、 行驶平顺性、紧急制动性能进行了仿真计算并分析与探讨了对这些性能影响因素的变化规 律，结合该车换型时在行驶平顺性上出现的问题，对该车悬架系统进行了优化设计，提出 了一种悬架系统特性参数动态优化数学模型和一套基于仿真的悬架系统优化设计方法n 印。 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“”。 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 x ) 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，同时进步进行悬架布置优 化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题“。 合肥工业大学的乔明侠针对江淮汽车股份有限公司的瑞风商务车，利用多体动力学分 析软件a d a m s 建立了包括车身、前后悬架、转向系统、轮胎、人一椅等系统在内的整车多 体模型。开发了随机路面生成软件和平顺性评价程序。实现了悬架偏频的仿真测量和不同 等级路面、不同车速下随机路面输入的平顺性仿真眺3 。 北京交通大学的王明容、宋永增、甄子健、任尊松运用面向整车系统的数字化虚拟样 机技术，利用大型机械系统动力学仿真分析软件建立了前悬架、后悬架、轮胎及整车的多 体系统模型。进行了整车的脉冲输入平顺性及随机输入平顺性仿真分析，分析结果与实车 试验结果基本符合，实现了在汽车的设计阶段对其平顺性进行预测及分析的目的1 。 吉林大学的乐升彬以某车的前双横臂独立悬架为研究对象，采用该车的实际结构参数， 运用a d a m s c a r 软件建立了该车的前悬架子系统、转向系子系统组成的悬架系统模型。 应用该模型对该车前独立悬架模型进行了运动学、动力学仿真分析，得出了其车轮外倾角、 前轮前束角、主销后倾角等前轮定位参数、悬架刚度、侧倾刚度、侧倾中心等参数在前轮 左右轮心上下跳动时的变化规律。并且利用前人的经验对这些特性曲线进行分析，发现原 悬架存在不合理的地方，并针对存在的问题提出相应的解决方案。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内外仿真软件及其相关技术的发展 目前国内外工程仿真软件层出不穷，但各仿真软件都有其各自应用的范围，应用的仿真 软件主要有： 1 3 2 1e a m c r a s c h 软件 p a m c r a s c h 软件是法国e s i 公司的碰撞模拟有限元仿真分析软件的程序包。它提供 了强大的有限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前以被各大汽车制造商广泛采用作 为碰撞模型有限元仿真的专用平台。 p a m c r a s c h 软件提供了运动副单元( k i n e m a t i cj o i n te l e m e n t s ) ，非线性六自由度弹 性阻尼单元( n o n l i n e a r6 d o fs p r i n g d a s h p o te l e m e n t s ) ，p a m c r a s c h 软件提供了运动 副单元( k i n e m a t i cj o i n te l e m e n t s ) ，非线性六自由度弹性阻尼单元( n o n l i n e a r6 d o fs p r i n g d a s h p o te l e m e n t s ) ，焊点约束( s p o t w e i l d s ) 等多种实体( e n t i t i e s ) 用于模拟机构各种复杂的 运动关系。例如，运动铰单元就有球副( s p h e r i c a l ) ，滑移副( t r a n s l a t i o n a l ) ，转动副( r e v o l u t e ) ， 圆柱副( c y l i n d e r ) 、平面副( p l a n a r ) 、万向节副( u n i v e r s a l ) ，弯曲一扭转副( h e x i o n t o r s i o n ) 以及用户自定义铰( g e n e r a l ) 八种类型。并且各种类型的运动副自其未受约束的自由度上可 以自定义刚度、阻尼、摩擦系数等多种参数。p a m c r a s c h 软件有强大的机构运动模拟功 能模拟碰撞时如发动机及变速器、悬架及转向机构的运动及变形。它比有限元分析软件相 比，在模拟大变形、大位移时有其优越性。 1 3 2 2d a d s 软件 比利时l m s 的d a d s 支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样 机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验 分析。在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、 液压元件库、轮胎接口等。在分析方面，提供了装配分析、运动学分析、正向动力学分析、 逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6 种分析功能。并且针对不同的需求，提供 了多种模块，包括d a d s b a s i c ( 包括基本动力学仿真的建模、求解、后处理和动画功能) 、 d a d s s t a n d a r d ( 基本模块加接触分析、液压与控制分析和用户自定义子程序功能) 、 d a d s a d v a n c e d ( 包括d a d s 加d a d s f l e x ，后者提供有限元分析接口) 、d a d s p i a n t ( 提 供与控制系统软件e a s y 5 、m a t l a b 和m a t r i x 耦合的动力学仿真) 、d a d s e n g i n e ( 发动机与 动力系统仿真) ，以及接口模块c a t i a i ) a d s ( 与c a t i a 接口) 、d a d s p r o ( 与p r o e 接口) 、 d a d s i m s ( 与i - d e a s 接口) 。 1 3 2 3m a f l a b 软件 m a t l a b 由美国m a t h w o r k s 开发，m a t l a b 是当今国际上科学界( 尤其是自动控 制领域) 最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度 集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视 化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。m a t l a b 语言在各国高校与研究单 5 武汉理工大学硕士学位论文 位起着重大的作用。在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、 模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把m a t l a b 作为内容。 在那里，m a t l a b 是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。 m a t l a bs i m u l i n k 是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它 的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大 提高了人们对非线性随机动态系统的认知能力。 m 加飞a b 主要应用于电学、自动控制、工程运算。它可以与其它机械系统仿真软件( 如 d a d s ，a d a m s 等) 一起组成联合仿真系统。 1 3 2 4e a s y s 软件 e a s y s 是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟和设计具有微分和代数方程特征的 动态系统。波音公司在七十年代初期首先发展了这种软件，但只作为一个内部软件。八十 年代商品化以来，e a s y s 首先渗透到航空市场，现在己应用于汽车和其它多个工业领域。 e a s y s 的用户包括汽车、航空、国防及重机械领域的许多主要的公司。在航空领域， 主要的用户包括波音、英国航空、劳斯莱斯、( 美国) 通用电气公司、( 美国) 国家航空和宇 宙航行局、s a a b ，n a s a 等等。在汽车领域，主要的用户包括福特、n i s s a n ，g e n e r a lm o t o r s ， 等。在一般机械领域，主要的用户包括j o h nd e e r e ，h u s c o ，c a s e ，u n i s i a j e c s ，三星重 工、m i t s u b i s h i 、h e a v yi n d u s t r y 等。 e a s y s 现己成为m d i 公司的一部分。m s c 软件公司收购m d i 和e a s y s 将会导致一 个强有力的c a d 和c a e 工具组合：n a s t r a n ，p a t r a n 、a d a m s 和e a s y s 。a d a m s 和d y n a m i cd e s i g n e r 模拟系统运动、振动、耐久力和机械系统的控制。m d i 的产品利用 c a d 模型作为输入，输出随时间变化的系统载荷和边界条件，适用于多种软件产品作进一 步的结构性能分析。e a s y s 模拟系统控制、水利学、气体力学、机械和热的集合系统等。 系统能够被功能块快速的模拟，构件如泵、齿轮等能够被快速的预定义。a d a m s 对3 d 系统的表示和e a s y s 对块图表的表示结合起来的建模能力，加上结合起来的各软件能模 拟的子系统的类型，意味着系统仿真能力的重大突破。用户能够使用一套协同工作的工具， 雨不是三种或四种，来建立包括机械、控制、水利学和其它类型子系统的完整的虚拟样机， 进行包括结构动力学分析、机械运动仿真和机械控制的设计和分析。 1 3 2 5a d a m s 软件 a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i c a n a l y s i s o f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是由美国机械动力公 ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性 的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。在当今动力学分析软件市场上a d a m s 独 占鳌头，拥有7 0 的市场份额，a d a m s 拥有w i n d o w s 版和u n i x 两个版本，目前最高版 本为a d a m s2 0 0 5 。 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 6 武汉理工大学硕士学位论文 力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真，输出位移、速度、加速度 和反作用力曲线。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。 a d a m s 一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件。用户可以运用该软件非常方便 地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析 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 软件包括3 个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有一些特殊场合应用的附加程 序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、a d a m s r a i l ( 机车模块) 、a d a m s d r i v e r ( 驾驶 员模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎模块) 、a d a m s l i n e a r ( 线性模块) 、a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、 a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 、a d a m s f e a ( 有限元模块) 、a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压模 块) 、a d a m s e x c h a n g e ( 接口模块) 、m e c h a n i s m f r o ( 与p r o e n g i n e e r 的接1 3 模块) 、 a d a m s a n i m a t i o n ( 高速动画模块) 等。 d a d s 与a d a m s 同属机械系统动态仿真软件，两者的原理和功能相似。但a d a m s 软件是专门针对汽车及悬架开发，在模拟和仿真汽车及悬架系统方面比其它的软件方便得 多。 1 4 悬架快速开发系统 汽车悬架的设计是一个十分复杂的系统工程，它涉及到运动学、动力学、振动等许多 方面的知识，需要综合考虑车辆的操纵稳定性、舒适性等多方面的要求，同时还要满足车 辆空间布置的要求。这就对悬架设计人员提出了很高的要求。而在一个车型的设计过程中， 人们往往只关注看得到的部分，例如汽车的车身和内饰等，而对看不见的悬架投入的精力 就比较少。这又要求悬架设计人员在尽可能短的时间内，以尽可能少的花费设计出好的悬 架。因此，国际各大汽车公司都着力开发了具有自身特色的悬架快速开发系统。 1 4 1 总体框架 为了使系统开发出来的悬架系统解决方案能够在实现快速开发的前提下具有较高的水 准，有必要借鉴现有的成功车型的经验。在借鉴成功经验的基础上，针对具体车型初步给 出系统解决方案，然后对之加以分析、改进和优化，检验其是否能够达到设计所追求的指 标，最后经过反复修改得到最佳方案。此次，悬架快速开发系统应当包括集成现有成功车 型解决方案的数据库部分。根据系统所提出的解决方案对悬架系统进行自动建模的三维 c a d 部分；对解决方案进行分析、优化和检验的c a e 部分。其中数据库部分用于集成现 有优秀悬架的参数，是获取悬架设计知识以及c a d 设计参数的基础，同时还应当能够根 据所有记录实现智能推理，找出国内外已有车型的悬架设计规律，从而达到根据设计要求 向用户提出设计参考和建议的目的。系统的c a d 部分的主要功能是从数据库中获取需要 武汉理工犬学硕士学位论文 的设计参数，并根据系统的初步推理结果和具体悬架设计所要达到的性艟指标，以及与用 户之间的交互来建立几种典型悬架的三维参数化模型。软件的c a e 部分对c a d 部分所给 出的数模进行各项性能分析，检验悬架是否满足运动学要求、满足整车的舒适性、操纵稳 定性、制动性等各方面的性能的要求，向用户给出分析结果，帮助用户发现问题，给出改 进方案，实现优化和检验的功能。系统的总体框架如图1 - 1 所示。 图1 - 1 总体框架图 1 4 2 系统数据库模块 要想使系统达到较高的设计水平，就必须借鉴成功经验，这对于提高设计开发水平， 缩短与国外先进车型的差距非常有意义。为了达到这个目的，系统中的数据库模块可以建 立车型悬架型式数据库、车型悬架定位参数数据库、国内外悬架专利数据库和s a e 推 荐铰链几何参数数据库等悬架系统设计过程中经常采用的参数的数据库，同时还集成了现 有常用的悬架的参数化三维数模模板。在建立数据库的过程中，可以利用现有图纸、资料 以及运用反求工程的方法来获取所需信息。另外，数据库还具备良好的可扩展性，方面随 时向数据库添加记录。同时数据库还应当具备统计和智能推理的功能，为用户在悬架设计 过程中提出合理的建议。 图1 - 2 数据库结构 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 3 系统的c a d 模块 系统的c a d 部分的作用是初步建立三维分析计算数据模型，为c a e 分析提供基础。 u g 软件是在国际汽车行业中最广泛使用的三维建模软件之一，具有强大的三维建模能力。 近年来，u g 软件又加强了在运动学分析，有限元分析和睦面生成等方面的功能，同时u g 提供了u g o p e n a p i 模块，使用户可以方便地对u g 进行二次开发，定制符合用户特定要 求的专门工程c a d 软件。在c a d 模块中，采用了两种建立典型模型三维数模模板的方法， 一种是从头开始设计，可通过从数据系统中直接获取参数建模，另一种是对已有悬架系统 直接进行分析并进行改进设计。在建立了数据库系统的基础上，从数据库系统中直接获取 参数建模的方法比较轻松，但对数据库系统的要求过高，通常不易实现，需要人们不断参 与。第二种方法是利用系统提供的分析功能，可降低对数据库的依赖性，但对设计者的水 平要求较高。 c a d 模板的参数可以从数据库中获取。这些模板在建立过程中，都可以使用u g 提供 的w a v e ( w h a ti f a l t e r n a t i v ee n g i n e e r i n g ) 技术，在建立模板时采用自顶而下的设计方法 ( t o p d o w n d e s i g n ) ，即利用悬架总体结构的重要参数( 如悬架的挂点，各铰链的连接位置 等) 作为控制结构( c o n t r o ls t r u c t u r e ) 来控制悬架各零部件的结构，从而实现悬架数模的 全局关联，便于修改。最后在利用u g o p e na p i 编制用户交互界面，根据悬架几何关系设 计模板更新算法，并利用u g o p e n a p i 中的u f 函数和c 语言将其实现。用户在使用时， 可以根据需要调出相应模板，输入对悬架的具体要求，然后系统根据算法进行计算，并向 用户给出计算结果。根据计算结果给出精确三维模型。图1 3 给出了系统中c a d 模块的工 作过程。 图1 - 3c a d 模块的工作过程 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 4 系统的c a e 分析模块 在得到悬架的三维数模以后，需要在软件的c a e 模块中对悬架的性能进行检验。c a e 分析包括悬架性能分析，也应当包括整车性能分析。对悬架的分析应当包括悬架运动学分 析和动力学分析。而对于整车性能的分析则应当包括平顺性分析，操纵稳地性分析等。在 分析过程中，如果发现问题，应当由系统分析原因，给出改进建议，然后返回到c a d 模 块，对数模进行修改。同时c a e 模块应当还具备优化计算的功能，能够在满足性能要求 的前提下以舒适性或者平顺性作为优化目标对设计方案进行优化。 1 悬架性能分析 1 1 悬架运动学分析 1 2 悬架动力学分析 2 整车性能分析 1 1 整车平顺性分析 1 2 整车操纵稳定性分析 1 3 整车制动性分析 磊性能要求；，厂塑星j 爵面乏鬲满足性能要求否、) 苎! n 进行优化设计 冒曼些墼垫至塑兰丑 r 一 分析原因给出建议 图1 - 4c a e 模块的工作过程 在进行c a e 模块中，应用较多的多体动力学软件有a d a m s 等软件。 1 5 本文研究的主要内容及技术路线 本文首先提出建立悬架快速开发系统的构想，以新车型开发中悬架系统选型为实例， 诠释其中c a e 模块的功能。以多体系统动力学为理论依据，以a d a m s c a r 为研究手段， 结合新车型开发悬架系统选型，建立麦弗逊式和双横臂式前悬架模型，建立多连杆式和拖 曳式后悬架模型，建立包括转向系、动力系统、轮胎等其他部件的模型，装配建立整车仿 真模型。对前后悬架系统进行仿真，分析前后悬架的运动学规律，以及悬架系统对整车操 纵稳定性的影响，从而初步评估悬架性能。通过对整车系统进行平顺性仿真，揭示悬架系 统对行驶平顺性的影响。根据仿真结果对悬架系统各选方案进行分析比较，最终选定最优 的悬架系统选型方案。 本文拟采用的技术路线如下图： l o 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 5 技术路线图 1 6 本章小结 本文简要介绍了课题的研究背景及课题来源，明确了课题研究的目的和意义，简要介 绍了和课题研究相关的技术及软件的发展状况，提出了建立构建悬架快速开发系统的构 想。介绍了将要研究的内容以及研究的技术路线。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多体系统动力学理论基础 2 1 多体系统动力学理论 多体系统动力学，包括多刚体系统和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的 学科。这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成。多体系统动力学是在 经典力学与计算机相结合的基础上发展起来的，在发展过程中，结合了运动生物力学、航 天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等学科，成为一门具有广泛用途的新兴力学 分支。 六十年代至七十年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯恩，联邦德国j 雏登伯格，苏 联的e h 波波夫等人先后提出了各自的方法来解