（车辆工程专业论文）基于adams的整车操纵稳定性与平顺性仿真分析.pdf

基于a d a m s 的整车操纵稳定性与平顺性仿真分析 摘要 随着汽车技术的发展，用户对汽车性能的要求越来越高，汽车行业的竞争 逐渐加剧。在产品开发中采用虚拟样机分析的开发策略，已成为各大汽车公司 缩短产品开发周期、减少产品开发费用、提高产品开发质量，从而提高竞争能 力的主要做法。以多体动力学为理论基础的a d a m s 软件是由美国m d i 公司开 发的一种机械系统动力学分析软件。目前己成为世界各主要汽车公司及其零部 件供应商的主要动力学仿真软件。 利用a d a m s c a r 软件，建立了包括前后悬架、横向稳定杆、转向、车身、 动力总成、轮胎、路面等系统在内的整车多体动力学模型。应用该模型进行了 稳态回转、转向回正性、转向盘角阶跃输入、转向盘角脉冲输入、蛇行以及转 向轻便性等仿真分析。根据汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法，对该车的 操纵稳定进行了评价。 利用a d a m s c a rr i d e 以路面的功率谱密度函数建立了b 、c 两级路面模 型和脉冲路面模型，把建立的各个总成装配在虚拟四柱试验台上，对整车进行 随机路面输入下和脉冲路面输入下的平顺性仿真，对车辆的平顺性进行了评价。 最后将仿真结果与实车试验数据进行比较，结果显示二者具有较好的一致 性，充分验证了本文所建模型的正确性和a d a m s 软件的置信摩。 关键词：虚拟样机技术，多体动力学，a d a m s ，操纵稳定性，平顺性 s i m u l a t i o no fv e h i c l e sh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d e p e r f o r m a n c eb a s eo na d a m s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev e h i c l et e c h n o l o g y ，a n dc o n c e r n i n ga b o u tt h ec a r p e r f o r m a n c e ，t h ec o m p e t i t i o no ft h ec a ri n d u s t r yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n t e n s e i nt h ee x p l o i t a t i o no ft h ep r o d u c t i o n ，o n eo ft h em a i nm e t h o d si st ou s et h ev i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt oe x p l o i tt h ep r o d u c t i o no fc a r ，w h i c hm a yd e e p l ys h o r t e r t h ec o m p e t i t i o na b i l i t y ，l e s s e nt h ee x p e n s e s ，i m p r o v et h eq u a n t i t y ，a n de n h a n c et h e c o m p e t i t i o na b i l i t y b a s e d o nt h em u l t i - b o d yd y n a m i c st h e o r y ，e x p l o i t e db y m e c h a n i c a ld y n a m i c s ，i n c ，t h ea d a m si sat y p eo fs o f t w a r eo fd y n a m i ca n a l y s i s o fm e c h a n i c a ls y s t e m a tp r e s e n t ，m a n ym a i nc a rc o r p o r a t i o na n dt h e i ra c c e s s o r y s u p p l i e r s u s et h ea d a m sa nt h e i rm a i ns o f t w a r eo fd 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 t h ea r t i c l eb u i l d saw h o l ev e h i c l em o d e lt h a tc o n t a i n ss u s p e n s i o n ，s t a b i l i z eb a r , s t e e r i n g ，b o d y ，p o w e r t r a i n ，t i r e sa n dr o a de t cb yu s i n ga d a m s c a r a p p l i n gt h e f u l lv e h i c l em o d e l ，h a v ep e r f o r m e ds t e a d ys t a t i c c i r c u l a rt e s ts i m u l a t i o n ， r e t u r n a b i l i t yt e s ts i m u l a t i o n ，s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u ts i m u l a t i o n ，s t e e r w h e e la n g l e p u l s ei n p u ts i m u l a t i o n ，p y l o nc o u r s es l a l o mt e s ts i m u l a t i o na n d s t e e r i n ge f f o r t st e s tp r o c e d u r es i m u l a t i o n t h es t a b i l i t yw a s e v a l u a t e da c c o r d i n gt o t h en a t i o n a le v a l u a t i o ni n d e xa n de v a l u a t i o nm e t h o do nt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i y u s i n ga d a m s c a rr i d e ，b u i l dt h em o d e lo fr o a ds u r f a c eb a s e do np o w e r s p e c t r u md e n s i t yo fr o a ds u r f a c e a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r do f t h er i d et e s t ， t h er i d es i m u l a t i o ni sr u no nt h er a n d o mr o a da n dp u l s er o a dt h r o u g ht h ef o u r p o s t t e s t i n g t h r o u g ht h er e s u l t sc o m p a r i n gb e t w e e nt h ev e h i c l et e s ta n ds i m u l a t i o no f s t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t ，p r o v e dt h em o d e l i n ga n da d a m s s o f t w a r e sa c c u r a c y k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；m u l t i b o d yd y n a m i c ；a d a m s ；h a n d l i n g s t a b i l i t y ；r i d ep e r f o r m a n c e 插图清单 图2 1 仿真分析流程图8 图3 1a d a m s c a r 的建模顺序9 图3 - 2 整车质量参数测量l0 图3 - 3 减振器模型特性曲线1 1 图3 4 前悬架模型图1 1 图3 - 5 螺旋弹簧特性曲线1 2 图3 6 后减振器特性曲线1 2 图3 - 7 后悬架模型图1 3 图3 - 8 前横向稳定杆模型1 3 图3 - 9 后横向稳定杆模型1 4 图3 一1 0 转向系统模型1 4 图3 1 1 转向助力值计算示意图1 5 图3 - 1 2 活塞面积、助力样条属性文件1 5 图3 13 发动机模型1 6 图3 14 轮胎模型1 7 图3 一1 5 仿真控制对话框1 9 图3 1 6 整车动力学模型2 0 图4 - 1 转向半径比r r o 与侧向加速度a y 的关系曲线2 3 图4 - 2 前后侧偏角差值与侧向加速度a y 的关系曲线2 3 图4 - 3 车身侧倾角巾与侧向加速度a y 的关系曲线2 3 图4 - 4 汽车质心运动轨迹2 4 图4 - 5 转向盘转角输入曲线2 8 图4 6 汽车横摆角速度响应2 8 图4 - 7 转向盘转角输入曲线2 9 图4 - 8 汽车横摆角速度响应2 9 图4 9 汽车转向盘转角输入曲线3 2 图4 一lo 汽车横摆角速度响应3 2 图4 - 1l 汽车侧向加速度响应3 2 图4 1 2 汽车质心的侧偏角曲线3 2 图4 一l3 汽车质心运动轨迹3 3 图4 - 1 4 横摆角速度响应时间与侧向加速度的关系曲线3 4 图4 一1 5 侧向加速度响应时间与侧向加速度的关系曲线3 5 图4 - 1 6 侧向加速度稳态响应与转向盘转角的关系曲线3 5 图4 一l7 横摆角速度稳态响应与转向盘转角的关系曲线3 5 图4 一1 8 汽车质心侧偏角与侧向加速度的关系曲线3 5 图4 一1 9“汽车因素 与侧向加速度的关系曲线3 6 图4 2 0 横摆角速度总方差与侧向加速度的关系曲线3 6 图4 2 1 侧向加速度总方差与侧向加速度的关系曲线3 6 图4 2 2 汽车转向盘转角输入曲线3 7 图4 2 3 汽车横摆角速度响应3 7 图4 2 4 幅频相频特性图3 8 图4 2 5 汽车转向盘转角输入曲线4 0 图4 - 2 6 汽车横摆角速度响应4 l 图4 2 7 汽车侧向加速度响应4 1 图4 - 2 8 汽车侧倾角曲线4 2 图4 - 2 9 平均转向盘转角与车速的关系曲线4 4 图4 - 3 0 平均横摆角速度与车速的关系曲线4 4 图4 3 1 平均车身侧倾角与车速的关系曲线4 5 图4 - 3 2 平均侧向加速度与车速的关系曲线4 5 图4 3 3 测定转向轻便性的双纽线4 7 图4 - 3 4 转向盘转角输入曲线4 7 图4 - 3 5 转向盘转矩曲线4 8 图4 - 3 6 转向盘作用力曲线4 8 图4 3 7 汽车质心运动轨迹4 8 图5 - 1 整车平顺性虚拟样机模型5 5 图5 - 2 路面生成器对话框5 5 图5 3b 级路面速度谱5 6 图5 - 4c 级路面速度谱5 6 图5 - 5b 级路面下车速4 0k m h 时整车质心处的垂直加速度5 7 图5 - 6b 级路面下车速7 0k m h 时整车质心处的垂直加速度5 7 图5 - 7b 级路面下车速1 0 0k m h 时整车质心处的垂直加速度5 7 图5 - 8b 级路面下车速4 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度5 7 图5 9b 级路面下车速7 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度5 8 图5 1 0b 级路面下车速1 0 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度5 8 图5 - 11c 级路面下车速4 0k m h 时整车质心处的垂直加速度5 8 图5 一1 2c 级路面下车速6 0k m h 时整车质心处的垂直加速度5 8 图5 一1 3c 级路面下车速7 0k m h 时整车质心处的垂直加速度5 8 图5 一1 4c 级路面下车速4 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度5 9 图5 1 5c 级路面下车速6 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度5 9 图5 1 6c 级路面下车速7 0k r a h 时驾驶员座椅处的垂直加速度5 9 图5 - 1 7b 级路面下车速7 0k m h 时整车质心处的垂直加速度功率谱5 9 图5 一1 8b 级路面下车速7 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度功率谱6 0 图5 - 1 9c 级路面下车速6 0k m h 时整车质心处的垂直加速度功率谱6 0 图5 - 2 0c 级路面下车速6 0k m h 时驾驶员座椅处的垂直加速度功率谱6 0 图5 - 2 1 三角形凸块6 2 图5 2 2 车速2 0 k m h 时驾驶员座椅处垂直加速度响应曲线6 2 图5 2 3 车速4 0 k m h 时驾驶员座椅处垂直加速度响应曲线6 2 图5 2 4 车速6 0 k m h 时驾驶员座椅处垂直加速度响应曲线6 2 图5 2 5 车速8 0 k m h 时驾驶员座椅处垂直加速度响应曲线6 3 图5 - 2 6 车速1 0 0 k m h 时驾驶员座椅处垂直加速度响应曲线6 3 图5 2 7 驾驶员座椅处最大垂直加速度响应绝对值与车速的关系曲线6 3 表格清单 表3 - 1 整车主要技术结构参数1 0 表3 2 减速器与主减速器速比16 表3 - 3a d a m s 轮胎模型1 7 表4 - 1 稳态回转试验评价指标的上下限值2 4 表4 - 2 稳态回转试验评分结果：2 6 表4 - 3 转向回正试验计算结果2 9 表4 - 4 转向回正性能试验评价指标的上下限值3 0 表4 - 5 转向回正性能试验评分结果3 l 表4 - 6 转向盘预选转角表3 1 表4 - 7 转向瞬态响应试验( 转向盘转角阶跃输入) 数据结果3 4 表4 - 8 评价指标横摆角速度响应时间t 的上下限值3 7 表4 - 9 幅频相频特性表3 8 表4 - 10 转向盘转角脉冲试验评价参数表3 8 表4 一1 1 转向回j 下性能试验评价指标的上下限值3 9 表4 - 12 转向盘转角脉冲输入试验评分结果4 0 表4 - 13 蛇行试验数据表4 2 表4 一l4 蛇行试验评价指标的上下限值4 5 表4 15 蛇行试验评分结果4 6 表4 一l6 转向轻便性试验结果4 9 表4 - 1 7 转向轻便性试验评价指标的上下限值4 9 表4 一l8 转向轻便性试验评分结果5 0 表4 - 1 9 汽车操纵稳定性评价计分结果总表5 0 表4 2 0 实车操纵稳定性主观评价结果5 1 表5 - il a w 和d w 与人的主观感觉之间的关系5 4 表5 2 随机输入下平顺性仿真结果6 0 表5 3 实车舒适性评价结果6 l 表5 4 脉冲路面输入下仿真结果6 3 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 金目巴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。 学位论文作者签字： 豇凌 ， 签字日期： 垆月2 7 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 金旦巴王些太堂 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) 学位论文者签名： 签字日期：1 0 年铲 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 讳芝手 签字醐岫h 年月 日 电话： 邮编： 致谢 毕业在即，我首先要向我三年硕士生涯的导师钱立军教授致以衷心的谢意。 正是在导师的亲切关怀和悉心帮助下，使我在读研期间收获了丰富的专业知识， 养成了严谨的科研精神，激励我不断攀登科学高峰。 感谢简氏国际汽车设计( 北京) 有限公司的吴阳年老师、黄伟师兄、欧涛、 王浩等在我实习期间对我的帮助。同时也感谢北京林业大学的李锋、中国农业 大学的彭晶晶，感谢你们陪伴和鼓励我走过短暂的实习生活。 此外，还要感谢实验室的张立、章适、傅春宏、邹杰、肖梦以及4 17 的所 有同学，感谢你们对我的研究工作提出的建议和意见。 最后感谢我的父母和亲人，正是有了你们的鼓励和支持我才能顺利完成学 、l k 。 作者：王臣涛 2 0 1o 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展，在生活中汽车的地位越来越重要。作为一种交通工 具，汽车己成为我们工作旅游外出的主要选择，由此而产生的安全性，舒适性 已成为世界关注的焦点【ij 。而汽车的安全性可分为两大部分：主动安全性和被 动安全性。主动安全性是指汽车具有在所有状况下尽可能地避免发生事故的一 种性能，如可靠性、环境视见性、操纵稳定性和加速制动性等。被动安全性是 指汽车在发生不可避免的事故时( 特别是涉及人员伤亡时) ，尽可能减小其后果 的一种性能。几十年来，如何设计汽车以获得良好的主动安全性尤其是操纵稳 定性，始终是各国学者和设计师们的主要研究方向之一【2 l 。按照传统的设计方 法，为了获得良好的设计性能，需要进行反复的样车试制、道路模拟试验和整 车性能试验。这样不仅设计周期长，而且花费大，且有些试验危险性大，难以 实施。同时，日益激烈的市场竞争，需要企业在最短的时间内开发出高性能的 汽车以提高竞争力。如何对产品进行性能预测和结构优化分析，已成为摆在我 们面前的问题p j 。 随着计算机技术的快速发展，以虚拟样机技术为基础的多体动力学受到了 越来越多的关注。虚拟样机技术着眼于产品的整体性能，解决了传统产品设计 过程中的缺陷。利用虚拟样机技术，工程师可以使用c a d 系统建立样机的虚 拟模型，然后利用系统仿真软件在虚拟环境下对模型进行仿真分析，对各个方 案进行仿真试验直至获得最优的方案1 4 j 。2 0 多年来，多体动力学已经发展得相 当成熟，并且大都编写成了大型的动力学仿真软件，比如美国m d i 公司开发的 a d a m s ，比利时l m s 公司开发的d a d s 等。利用这些大型动力学仿真软件可 以方便的建立机械系统的动力学模型，然后利用软件内部的求解器准确的求解， 省去了繁琐的运动学和动力学方程的求解过程，大大提高了工作效率口】。 1 2 车辆动力学国内外研究现状 国外汽车动力学的研究经历了由开环研究到闭环研究，由实验研究到理论 研究的发展过程。仿真计算由稳态响应仿真发展到瞬态响应仿真，力学模型也 由线性模型发展到非线性多体系统模型；模型的自由度也由先前简单的俩个发 展到数十个甚至上百个【6 】。到8 0 年代初，出现了许多对车辆系统进行仿真分析 的通用软件以及各种针对汽车某一类问题的专用分析软件。研究的范围也由局 部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。 8 0 年代中期，国外各大汽车厂和研发中心在其c a d 系统中安装了多体系 统动力学软件，并与有限元分析、优化设计等软件一起构成了一个有机的整体 【7 】： 近年来，随着计算机技术的不断提高，在机械系统动力学仿真领域，国外 研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软件，如美国的a d a m s ， 比利时的d a d s 等瞄j 。利用这些仿真软件可以实现在物理样机生产出来之前对 产品进行性能预测，优化设计方案。 国内从七十年代初，长春汽车研究所和清华大学都同时致力于汽车动力学 、的研究，研究工作主要集中在汽车操纵稳定性、平顺性性能指标的评价方法、 及汽车力学模型的建立、车辆的性能预测和优化设计方法等【9 1 。 1 9 8 6 年，吉林工业大学的温吾凡等人利用多体系统动力学对二维刚体系统 进行运动学分析，并编制相应的分析程序。 1 9 9 1 年，北京农业工程大学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设 计软件g m c a d s ，用于分析平面和空间机构的运动学及动力学性能。 1 9 9 2 年，清华大学的张海岑采用n e w t o n e u l e r 方法，建立了包括轮胎模型、 悬架系统、转向系统以及制动系统的7 0 多个自由度的非线性模型，从而对车辆 的操纵稳定性和制动性进行了深入的研究。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多刚体系统动力学方法，应用动力学仿真 软件a d a m s ，综合考虑了橡胶、弹簧等减振部件对车辆性能的影响，进行了 汽车悬架系统和整车的动力学仿真及优化分析【l o 】。 1 9 9 9 年，同济大学的温强等人对悬架中的橡胶支撑的动、静刚度的实验研 究方法作了研究【i 。 2 0 0 2 年，中国农业大学王国权采用两种方法建立了车辆平顺性分析的动力 学模型。其中，8 自由度平顺性分析的微分方程模型，进行了h 级随机路面输 入下的仿真，得到车辆测量点以及驾驶员处各个方向上的位移时间历程结果； 利用a d a m s 软件建立了5 9 6 个自由度的卡车虚拟模型，然后通过对路面功率 谱的变换，生成了适合于a d a m s t i r e 的路面文件，并进行了整车随机输入下 的时域仿真求解l l 引。 2 0 0 2 年，中国农业大学的王树凤利用a d a m s c a r 建立了某汽车模型，编 制了单双移线、蛇行、稳态回转等操纵稳定性试验的驾驶员控制文件，并对车 辆进行了相应的仿真分析【l3 1 。 2 0 0 3 年，武汉理工大学的刘红军利用a d a m s 软件建立了某轿车的多体动 力学模型，利用模型进行了相应的操纵稳定性的试验仿真，综合考虑了不同因 素对车辆性能的影响【l4 。 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彳亍了相应的仿真分析，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峰j 。 2 1 3 课题来源，目的以及主要内容 汽车的操纵稳定性是关系到汽车行驶安全的重要因素之一，研究操纵稳定 性的目的在于改善汽车的运动性能，减少由此引发的交通事故。对操纵稳定性 的研究通常采用试验方法和仿真分析的方法。由于仿真分析需要的时间短，可 重复进行，对各种方案可以进行快速优化对比，并且可实现试验条件下不能进 行的严酷工况分析，因此被日益广泛采用。 本课题来源于某汽车有限公司越野车车型开发项目，通过a d a m s 建立整 车的动力学模型，然后根据我国汽车操纵稳定性、平顺性试验标准，对样车进 行操纵稳定性、平顺性仿真分析，并且按照国标要求给出整车的评分值，对整 车的性能进行了整体的评价。 具体内容如下： ( 1 ) 利用a d a m s c a r 建立车辆的悬架系统、横向稳定杆、转向系统、动 力总成、车身系统、轮胎系统以及制动系统的动力学模型，并建立各个模板之 间的通讯器。 ( 2 ) 通过各模板之间的通讯器将各个子系统装配成整车模型，并调整整车 的质量参数、几何参数等，使之与实际情况相同。 ( 3 ) 按照国标的要求对建立的整车模型进行操纵稳定性试验，并给出各项 试验的评分结果。 ( 4 ) 对整车模型按照国标要求进行随机路面输入下和脉冲路面输入下的平 顺性仿真，对整车平顺性性能进行评价。 第二章多体动力学理论概述及a d a m s 简介 2 1 多体动力学理论概述 虚拟样机技术是许多技术的综合，它的核心部分是多体系统运动学和动力 学建模理论及其技术实现【”】。多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体 系统动力学，是研究多体系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学【1 6 1 。 2 1 1 多体系统动力学的研究方法 多刚体系统动力学主要有以下的几种研究方法 ( 1 ) 旋量方法 旋量方法简称牛顿欧拉法，或n e 方法，其特点是将矢量与矢量矩合为一 体，采用旋量的概念，利用对偶数作为数学工具，使n e 方程具有极其简明的 表达形式，在开链和闭链空间机构的运动学和动力学分析得到广泛应用。 ( 2 ) 拉格朗日方程法 由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的 l a n g r a g c 坐标将是十分困难的，而采用不独立的笛卡儿广义坐标比较方便，对 于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉氏方程处理是十分规 范化的方法。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，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。 ( 3 ) r w 方法 美国的r l r o b e r s o n 教授和德国的j w i t t e n b u r g 教授提出一种分析多刚体 系统的普遍性方法，简称为r w 方法。这种方法的主要特点是利用图论的概念 及数学工具描述多刚体系统的结构，以邻接刚体之间的相对位移作为广义坐标， 导出适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，并利用增广体概念对方 程的系数矩阵作出物理解释。 ( 4 ) 凯恩方法 凯恩方法利用广义速率代替广义坐标描述系统的运动，直接利用达朗贝尔 原理建立动力学方程，并将矢量形式的力与达朗伯惯性力直接向特定的基矢量 方向投影以消除理想约束力，兼有矢量力学和分析力学的提点。 ( 5 ) 变分方法 变分方法是不同于矢量力学或分析力学的另一类分析方法，高斯最小拘束 原理是变分方法的基本原理。该方法有利于结合控制系统的优化进行综合分析， 而且由于其不受铰约束数目的影响，适用于带多个闭环的复杂系统。 2 1 2 多刚体系统动力学理论的优点 ( 1 ) 使用对象广泛 通用性强，同一程式可对各类复杂系统进行分析，并且只需输入少量信息 4 计算机就可完成自动建模。 ( 2 ) 可计算大位移运动 多刚体系统动力学既可以做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移 运动分析，这给研究非线性问题带来了很大的方便，能够使结果更为理想。 ( 3 ) 模型精度高 多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的 难易程度，所以能够建立准确的动力学方程，使仿真结果更符合实际【1 7 艺们。 2 2 多刚体动力学商用软件介绍 2 0 多年来，多体动力学已经发展得相当成熟，并且大都编写成了大型的动 力学仿真软件。例如，c h a c e 等人利用吉尔的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技 术提高了计算效率，编制了a d a m s 程序，h a u g 等人研究了广义坐标的分类奇 异值分解等算法，编制了d a d s 程序，s c h i e h l e n 等人采用牛顿欧拉方法对多 体系统进行建模，并编制了程序n e w e u l ，r o b e r s o n 等人创造性的将图论引 入多体系统动力学，编写了程序m e s av e r d e 。在这些诸多的动力学软件中， a d a m s 软件应用的最为广泛【z 。 2 2 1a d a m s 软件简介 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 ) 是最著名的虚 拟样机分析软件。该软件是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的 虚拟样机分析软件。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。目前，a d a m s 已在 汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用，己 经被全世界各行各业的大多制造商采用。 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，用模块的方法建立模型，对于结果不理想的情况，将模型参数化，对模型 进行优化分析，直至获得最佳方案。它能够综合考虑大位移、非线性的情况， 并提供与其它三维造型软件( 如u g ，p r o e ) 的接口。对于复杂的产品，首先 在c a d 软件中建立实体模型，然后导入a d a m s 环境中。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 ) 的质量参数，然后在 a d a m s 中建立抽象的力学模型，而不用考虑系统的几何参数。 a d a m s 软件有基本模块、扩展模块、接1 3 模块、专业模块及工具箱类模 块等五类模块组成。基本模块是提供最基本的建模、求解和观察仿真结果的工 具，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 tp r o c e s s o r ) 3 个模块。 a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的核心模块，是以用户为中心的交互式 图形环境。提供了包括样机的建模、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和 后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、 同其他应用程序的接口等的前处理功能。并且a d a m s v i e w 拥有自己的高级编 程语言，支持命令行输入命令和c + + 语言，有车富的宏命令以及对话框创建和 修改工具包。 a d a m s s o l v e r 是a d a m s 系列产品的核心模块之，在a d a m s 中处于 类似于心脏的地位。整个的静力学、运动学和动力学仿真的解算过程都是通过 a d a m s s o l v e r 完成的。 a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完成。a d a m s p o s tp r o c e s s o r 模块提供了输出高质量的动画和各种 数据曲线，并对数据进行处理等功能，它可以回放仿真结果，输入实验数据绘 制试验曲线，并同仿真结果进行比较【2 2 出】。 2 2 2a d a m s 仿真分析流程 利用a d a m s 的仿真分析流程如图2 1 所示【2 3 j ，具体如下。 ( 1 ) 创建模型 a d a m s 模型创建有两种方式。一种是采用p a r a s o l i d 内核进行实体建模。 a d a m s 提供了丰富的基本形体建模工具库，可以方便的建立点、直线、曲线、 标记坐标( m a r k e r ) 、长方体、圆柱、球、圆环、连杆、多边形薄板、拉伸体、 旋转体等等，对于形状较为复杂的几何形体可以通过建立基本的几何形体，然 后通过布尔运算将这些基本的几何形体进行组合获得。 另种是通过三维造型软件建立模型，然后导入a d a m s 环境中。 ( 2 ) 仿真分析 a d a m s v i e w 提供了许多不同种类的仿真，包括静力学仿真、运动学仿真 和动力学仿真三种，可以实现在建模的过程中对样机进行分析以检查模型的正 确性，如模型的自由度。 ( 3 ) 查看仿真结果 在仿真结束之后，可观看仿真的动画重放，也可在a d a m s p o s t p r o c e s s o r 中以曲线图的形式显示仿真结果，可以方便的观看仿真的过程。 ( 4 ) 验证仿真结果 通过从机械系统的物理测试中导入数据结果，并将其与a d a m s v i e w 中仿 真的结果进行比较，以验证模型的正确性。也可将测试数据以曲线图的形式在 a d a m s v i e w 中绘制以便更直观的比较。 ( 5 ) 细化模型 在验证仿真结果的过程中，若仿真结果与测试实验结果相差较多或者有一 定差距的时候，可通过在其上增加复杂度来优化模型，如增加物体之间的摩擦， 定义线性控制系统或通用状态平衡方程。也可通过将刚体改为柔性体或者将铰 链改为柔性连接件来增加模型的真实性。真到仿真结果与实验数据基本一致为 6 止。 ( 6 ) 参数化模型 对于仿真结果不理想，我们可以通过手动修改模型，然后进行仿真，再修 改再分析，直至获得理想结果为止，而在这一过程中需要进行大量的工作。为 了减少工作量，我们可以将模型进行参数化，将模型的参数设置为可以改变的 变量，然后程序根据变量的变化更新样机，仿真并输出结果。程序还可根据变 量的变化范围自动进行多次仿真获得最优结果。 ( 7 ) 优化模型 a d a m s v i e w 提供了3 种类型的参数化分析方法：设计研究( d e s i g n s t u d y ) 、试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ，d o e ) 和优化分析( o p t i m i z a t i o n ) 。 1 ) 设计研究 设计研究主要考虑和研究：如果某个设计变量取不同的值，样机的性能将 会发生怎样的变化。在设计研究过程中，对某个设计参数在一定范围内划分为 一系列值，固定其他变量不变，进行一系列的仿真分析，该设计变量每次取不 同的值，完成分析后输出该设计变量对目标函数的灵敏度。 2 ) 试验设计 试验设计类似于设计研究，可以综合考虑当多个设计变量同时发生变化时， 对模型目标函数的影响。 3 ) 优化分析 在优化分析过程中，首先设定设计变量的变化范围，然后通过程序自动迭 代，在规定的范围内得出最优的目标函数。 7 机械系统建模 几何建模 施加运动副和运动约束 施加载荷 上 仿真分析 设置测鼍和仿真输出 进行仿真分析 上 仿真结果分析 回放仿真结果 绘制仿真结果曲线 1 l 验证仿真分析结果 输入实验数据 呻 添加实验数据曲线 精制机械系统模型 增加摩擦力，改进载荷函数 定义柔性物体和连接 定义控制 参数化模型 设置可变参数点 定义设计变量 1 l 机械系统优化分析 进行主要影响因素研究 进行试验设计研究 进行最优化研究 图2 - 1 仿真分析流程图 8 第三章整车模型的建立 3 1 整车模型的建模步骤和方法 a d a m s c a r 模型可以在不同工况下进行仿真，从而可以准确模拟汽车的 操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其他各项性能参数。利用a d a m s c a r 来 建立车辆的动力学模型具有可视性强，建模概念清晰，可利用标准模板种类多 等优点。在建立分析模型的过程中，a d a m s c a r 的建模顺序是自下而上的， 所有的分析模型都是建立在子系统基础之上的，而子系统又是建立在模板的基 础上，建模顺序如图3 1 所示，模板是整个模型中最基本的模块。建模过程， 首先建立模型零部件之间的连接关系以及与其他子系统的通讯器，然后利用建 立好的模板创建各个子系统，调整子系统中的部分参数，最后通过各个子系统 之间的通讯器，装配为整车动力学模型，然后调整整车的质量参数、力学参数， 使之与实际情况相同。 卜* t 甜p l 吲创搿统 剖辨螅* a s y 张型 图3 - 1a d a m s c a r 的建模顺序 在a d a m s c a r 下建立虚拟样机模型是将汽车系统作一定程度的简化，使 之以数学模型的形式来实现【2 5 l 。在对模型进行简化时，主要应注意以下几种情 况： ( 1 ) 悬架零部件中除了弹性元件，其余元件全部看作刚体； ( 2 ) 为了分析问题的方便，将车身看作刚体； ( 3 ) 省略了减振器的实体建模，应用a d a m s 提供的s p r i n g d a m p e r 力元 素模拟减振器弹簧的作用。 在a d a m s c a r 里建立整车动力学模型一般可分为以下几个步骤： ( 1 ) 将整车分解为各个子系统，研究各个子系统之间的连接关系，对物理 模型进行抽象； ( 2 ) 获取各个总成的结构参数，对抽象的各个零部件进行建模，然后建立 起相应的总成模型； ( 3 ) 获取各个总成的几何参数、物理参数和力学特性参数，修改零部件属 性，将其应用到上一步骤里建立的各总成系统文件中； ( 4 ) 利用( 2 ) 、( 3 ) 建立的模型文件建立相应的子系统模型； ( 5 ) 通过各个子系统之间的通讯器装配成整车动力学模型； ( 6 ) 根据实际情况对各子系统参数进行调整，对虚拟样机进行整车仿真； ( 7 ) 仿真结束观察仿真结果，并对仿真结果进行后处理p 】。 9 32 整车参数的获取 幽3 - 2 整车质量参数测量 本文以整车前悬架总成的参考系为坐标，即坐标原点为前轮轮心连线的中 点t x 轴指向汽车行驶的正后方，y 轴指向汽车的右侧，z 轴垂直指向上方。 运动学参数通过查阅设计图纸所获得，零部件的质量参数和惯量数据是根据三 维建模软件计算得到，整车模型的转动惯量是通过质量质心电子综合测试仪测 量得出( 如图3 - 2 ) ，零部件的刚度、阻尼等特性，主要是通过厂家及试验获得。 轮胎和橡胶元件等动态特性参数主要是通过对比国内外同类车辆的参数以及参 考a d a m s c a r 中的相关参数获得，具体的整车参数见表3 1 。 表3 一i 整车主要技术结构参数 羟备质量( k g )满载质量( k g ) 2 5 7 i 前轴轴茼( 空载 前轴轴荷( 满载)4 54 转动惯量9 8 46 2 惯性积( k g + m m )i x y ( k g + m + m )i y yl y z - 3 9 33 8 l x z 眭x 宽商 4 6 9 3 】8 7 8 1 8 4 5轴距( r n 0 3 )2 7 2 l ( m m ) 前轮距( m m )后轮距( m m )1 5 4 l 耵息架扭簧刚 5 8 ， 后悬架螺簧刚度 4 85 ( nm r a d )( n m m ) 前轮前柬主销后倾角 3 。27 1 。 主销内倾角 14 。5 3 l 。3 0 前轮外倾角 3 8 3 0 后轮前柬 0 1 6 后轮外倾角 0 。3 0 3 3 悬架系统的建模 331 前悬架模型的建立 匿3 - 3 减振器模型特性曲线 本文前悬架采用的是双横臀、纵置扭杆弹簧的独立悬架。根据实车结构的 分析建立了包括上、下摆臂、转向节、转向拉杆、扭杆弹簧、减振器、驱动半 轴的简化模型。上下横捏臂内端与车架通过衬套连接( 运动学分析时用旋转副) 外端通过球铰链与转向节相连。转向节、主销以及轮轴无相对运动，按照一个 刚体进行建模，转向节与转向拉杆通过万向节连接。减振器抽象为连接车身与 下摆臂的阻尼弹簧，上端通过衬套与车架相连( 运动学分析时用万向节) ，下端 通过衬套与下摆臂相连( 运动学分析时用球副) ，根据试验测得的减振器特性曲 线，修改弹簧刚度和阻尼来实现减振器的非线性特性，建立的减振嚣阻力相对 于活塞移动速度的变化曲线如图3 3 。扭杆弹簧一端与车架用固定副连接，另 一端与下摆臂用固定副连接，并再中日j 断开处加一旋转副和扭簧，输入扭簧的 刚度和预载荷。建立的前悬架模型如图3 - 4 。 图3 - 4 前悬架模型图 3 3 2 后悬架模型的建立 本文后悬架采用螺旋弹簧式非独立悬架，根据实车结构的分析建立了包括 上下纵向推力杆、后轴、螺旋弹簧、减振器以及横向推力杆的简化模型。整体 式后桥简化成一刚性轴，上下推力杆前端通过衬套( 运动学分析时用旋转副) 与车架相连，后端通过衬套( 运动学分析时用旋转副) 与后桥相连，横向推力 杆通过衬套一端与车架相连