（车辆工程专业论文）基于adams的fiat178平台底盘操纵稳定性仿真分析及参数优化设计.pdf

攘簧 基于a d a m s 的f i a t - 1 7 8 平台底盘操纵稳定性 仿真分析及参数优纯设计 姓名：黄勇士导师：陈南教授 东南大学 摘要 本文塔授接1 7 8 警套寝蠹为臻炎簿象，在参绷帮总结大纛鬻遗势事辆动力学费寞技 术的基础上，运用多体系统动力学理论和研究方法，基予多体系统动力学仿真软件 a d a m s v i e w 模块，建立了包括率身、前后悬架、转向机构、横向稳定杆铸在内的整率 虚羧撵擞模型。 建模过程中充分研究了f i a t - 1 7 8 ：q z 台底矗鹩结构特点，对模型提出了会遴的结构简 化及愆摸假设；对模烈的零部件使用了从专业三维c a d 软件c a t i a 中导入寓体零件模激 的方法，使褥模型外观更加逼真，同时通过实体建模获终了蠢主要零部件的物理特性参 数；在簸理橡胶幸重饔这释柔茬遥羧律露，采用褥套力( b u s h i n g ) 在a d a m s 较俘中来模 拟实现，同时结合课题实际编制了轮胎和路面文件，较为精确的体现了以上部件的力学 特性，使得模型的精度得到了极大的提高。 蔻验证瘊建模羹黪雄蘸牲，建摸之爱蓠筷溅送行7 霾羧镶羧爨囊试验，并专实车试 验结果相对比，取得了较好的验诞效果。 文章探讨了前轮定位参数与熬车性能的关系，并对麦弗逊前悬架进行丫左右车轮平 孬垂壹跳动豹运动擎仿真试验，镑砖赘轮铡囊游移量较太这翘题，对兹懋架连行了机 构优健设计，并得到了较为另人满意的结果。 在建立合理准确模型的基础上，结合实际率辆试验标准，文章设计并实现了车辆操 级稳定性的虚拟试骏，通过建立的一些测量函数，使褥所器试验数据直接髓仿真过程蕊 出瑗，辩决了鼗据处瑷过程孛的溺滚；逶过稳态阐转仿真及转淹盘囊酴跃输入仿真试验， 模型较好地体现了寅率的操纵稳定性能，为以厢进一步的车辆操纵稳定性研究打下了良 好的基础。 关键谰：汽车多体系统动力学掇纵稳定性挽喜| ：a d a m s a b s w a c t s i m u l a t i o na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nf o rh a n d l i n gs t a b i l i t y o ft h ec h a s s i so fp l a t f o r mf i a l 乙17 8b a s e do na d a m s a u t h o r ：h u a n gy o n g s h i s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nn a n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t a k i n gt h ec h a s s i so f p l a t f o r mf i a t - 1 7 8a st h er e s e a r c ho b j e f t ，am u l t i b o d yd y n a m i c s m o d e lo f af u l lv e h i c l ei n c l u d i n gt h ec h a s s i sw a sb u i l tf o rs i m u l a t i o ni nt h i sp a p e rb a s e do n t h et h e o r yo f m u l t i b o d yd y n a m i c s mm o d e lc o n t a i n sb o d y ，s u s p e n s i o n ，s t e e r i n g s y s t e m ， t i r e s ，a n ds t a b i l i z eb a re t c t l 他s t r u c t u r eo f p l a t f o r mf i v r 1 7 8h a db e e ns t u d i e dw e l ib e f o r em o d e l i n ga n dt h e na l o g i c a l 咖c t u 他f o rt h em o d e lw a se s t a b l i s h e d i no r d e rt oi m p r o v et h em o d e la c c u r a c y a l l p a r t so ft h em o d e lw e r ep r i m a r i l yb u i l ti nc a t i at h r o u g h3 de n t i t ym o d e l i n ga n dt h e n e x p o r t e dt oa d a m s 州t hs i m d e s i g n e r a l s ot h er u b b e rs l e e v ew a sa s s u m e da sab u s h i n gi n a d a m sd u r i n gt h em o d e l i n gp r o c e s s t h e s em e a s u r e sg u a r a n t e et h em o d e ih a sav i v i d p r o f i l ea n da l lp a r t sh a v et h ec o r r e c tp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c t h ei n f l u e n c ew h i c ht h ep a r a m e t e ro ff r o n tw h e e lb r i n g st ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l l l v e h i c l ei sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r u t i l i z i n gan e wk i n e m a t i c sm o d e lo fm a c h e r s o ns u s p e n s i o n , t h eo r i g i n a ls u s p e n s i o nw a so p t i m i z e da n dt h ev a r i a t i o no fe a c hp a r a m e t e rw i t hf r o n tw h e e l f l u c t u a t i o nw a sc a l c u l a t e d ma n a l y t i c a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h el a t e r a lw h e e ls l i pv a l a n dt h ec a m b e ra n g l ew e r er e d u c e da i d e rt h eo p t i m i z a t i o n t h e nw er e a l i z e dv i r t u a lh a n d l i n gs t a b i l i t ye x p e r i m e n t a t i o na c c o r d i n gt ov e h i c l e e x p e r i m e n ts t a n d a r d s a n dw ec r e a t e dam e t h o dt os h o wt h ed i a g r a mt h a tw en e e dd 耐n gt h e e x p e r i m e n to nt h es c r e e nt h r o u g hm e a s u r i n g k e yw o r d s ：v e h i c l e ；m u l t i - b o d yd y n a m i c s ；h a n d l i n gs t a b i l i t y ；o p t i m i z a t i o n ；a d a m s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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，也不包含为获得东南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：垒丝日期：丝2 ：! ：苎： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：玺娃 导师签名：e t 期：兰翌：! ：堡： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自1 8 8 6 年1 月2 9 日，卡尔本茨为其在1 8 8 5 年研制成功的三轮汽车向德国专利局申请 汽车发明专利，标志着世界首辆汽车诞生以来，汽车工业经过一百多年的迅猛发展，汽 车已经深深的融入进了人类社会的各个领域，成为现代社会的象征l ”。而随着汽车的普 及，人们对汽车的要求也越来越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求具有 良好的操纵稳定性和行驶平顺性。对于这些要求，只有通过对汽车系统动力学的深入研 究才能实现。 汽车动力学主要研究汽车受到的力和汽车运动的关系，并找出汽车主要性能的内在 联系和规律【2 】。研究汽车动力学，首先必须建立模型。汽车动力学模型主要分为物理模 型和数学模型。物理模型的研究方法就是指建立与实物的物理本质相同、仅在形状和尺 寸上存在一定差别的物理系统；而数学模型则是指在物理系统与数学描述方程之间建立 一组法则，将一个或多个元素与运动结果联系起来【3 】。很明显，物理模型具有直观可信 的特点，可以观察到研究对象的物理性能；但是往往会受到试验手段的限制，误差较大， 而且一些试验成本高昂，有些试验难以甚至无法实现。数学模型的研究结果则受模型的 简化程度及模型参数的准确度等影响较大，对研究人员的要求也高；但是其研究方法多 样，研究成本低廉，研究周期一般较短。 随着计算机技术的快速发展及各类动力学分析软件的不断开发，数学模型研究法在 汽车动力学的研究中占有越来越重要的地位。功能强大的计算机已经能够有效地模拟出 复杂的车辆模型，通过对模型的分析，设计者可以了解系统内在的复杂关系，模拟产品 在各种真实工况下的特征以及所具有的响应，找出关键的影响因素，为车辆性能的变化 趋势提供预估，从而缩短了产品的设计周期，节约了试制费用，同时提高了物理样机与 最终产品之间的相似性 4 - 钉。比如通用电动机车部( g e n e r a l m o t o r s e l e c t r o m o t i v e d i v i s i o n , 咖) 早在1 9 9 7 年。就利用u g i i 软件建成了第一个完全数字化的机车样机模型1 6 j ，并 围绕这个数字模型并行地进行了产品的设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性 设计，此举显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。 1 2 本课题的研究背景、目的及意义 传统的汽车操纵稳定性试验研究与评价，主要采用多次的样车试制与反复试验，不 仅花费大量的人力、物力、经费，延长了设计周期，而且有些试验因其危险性而难于进 l 奎塑查兰堡主兰竺丝苎 行。计算机辅助设计、制造技术自上世纪9 0 年代初进入我国以来，已经被广泛的应用于 汽车设计和加工的各个阶段，仿真技术也日益广泛地应用于操纵稳定性的分析研究之 中。采用系统仿真的方法，即在计算机上建立汽车操纵稳定性的整车数学模型，通过输 入驾驶员对汽车的各种操纵信号，解算出系统的时域响应和频域响应，以此来表征汽车 的操纵稳定性能，这样在完成仿真建模并验证其有效性之后，将设计参数进行修改重新 进行仿真就非常简单。相比较于传统的试验方法，这样可以减少试制、试验的轮次，以 节省设计经费、缩短设计周期；一些难于进行的危险性试验，也可以用仿真来替代。 本课题来源于国家自然基金项目( 5 0 5 7 5 0 4 1 ) ：基于智能多主体机制的车辆集成控 制系统架构研究。本论文作为该项目的一个分支，主要目的是为该项目建立一个准确的 汽车虚拟样机模型，为项目下一步的控制系统研究工作打下一个良好的模型基础。 通过对本课题的研究，把多体系统动力学的理论和方法应用于f i a t - 1 7 8 平台底盘， 建立基于a d a m s 的整车虚拟样机模型，模拟汽车在各种真实工况下的特征及所具有的 响应，找出其关键的影响因素，可以有效地掌握车辆的性能变化趋势，为实车的各项研 究工作提供预估。 1 3 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 车辆动力学仿真通过对目标车辆数学模型的建立，描述车辆的动力学特性，以此来 预测车辆的性能并由此产生一个最佳设计方案，或者解释现有设计中存在的问题，并找 出解决方案【4 l 。 由于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，而且组成 汽车的各子系统( 如转向、悬架、传动机构) 之间还有相互的耦合作用，使得汽车的动 态特征非常复杂，这给汽车的运动学和动力学分析带来了很大的困难。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。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，文献【7 】概述了这一发展过程，模拟计算也由稳态响应特性的模拟 2 曼二兰塑丝 鞫痣在汽车动力学豹研究中，采麓多剐体系统动力学迸舒分拆和计算豹工作起步较 晚。七十年代初，长眷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 集串旋平颓毪、搡级稳定茬等性能指豁豹评价方法、试验方法及搡缀稳定往力学模登豹 建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。力举模型从七十年代研究汽 车箦镶藕穰摆运动静二鑫由魔线经穰黧，茇震瓣包括铡倾和转淘系在肉的三至驻自由浚 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_ 陂和瞬态响应的分 耩，发震裂汽车转弯潮动性畿豹分析。 9 0 年代初人们开始把多柔体系统幼力学理论和方法用于汽车技术领域，这标志着汽 车多体系统动力学两掰豹瑟次发震，幸筝多有蕊豹工律黧得倍鍪。在文献【8 】串，匏麦弗避 式前独立悬架横摆臂处理为柔性体，对悬架的力变形特性进彳亍了仿真和试验对比分析。 在文献【1 1 】中浆雳了予结捣静分折技拳，把汽车悬粱簸理为予缡梅，采用模态综合方法 用模态坐标描述车身的变形，通过约束条件把艇个系统组装起来联合求解。文献【1 2 1 和 文献【1 3 】串讨论了悉鬃系统广泛采焉鹃弹性约窳( 橡胶褥套) 瓣汽车饿能的影响及处理 方法。总之，人们试图用各种肖效的方法将柔性体的力学效应井入多体动力学方程中进 行分耩和求解。这些方法既鸯探索壹羧建立和求解羽柔耦舍静多体动力学方禚豹方法， 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。 清华大学宋健、张越今草在1 9 9 7 年就剩嗣a d a m s 软件建嶷了由节牵弓| 率和五带 双轴转向拖车组成的汽车列车系统1 3 个自由度的动力学模型，采用模型参数化分析方 法，讨论了牵写 秆长度、主车舄拖车和拖车与拖车的铰接点往鬻对主率与拖车辘迹同撇 性的影响，并以汽车列车稳态圆周运动和8 字型运动时主车与撼车轨迹同撤性为目标瞒 数对汽车列车进行了优纯设计，获得了满意的优化方案i 1 2 】。同年，张越今采用多体系统 动力学的理论方法，成用a d a m s 进行了汽车前后悬架系统和熬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) 对动力学性能的影确 1 3 】。 吉林大学的詹文章博士，在2 0 0 0 年采用多体系统动力学与肖限元技术的基本理论期 方法，分析了c a 7 2 2 0 轿车麦弗逊式前独立悬絮与转向系统中柔性体和橡胶元件对悬架 特性的影响，分析了谈车转向轮高速摆振的机璎并提出了改进措施【3 l 。 合肥工韭大学豹重其东博士，迸杼了不同形式的动力学方糨所描述的多体系统晌成 的灵敏度分柝，推导了相应的公式；建立了汽攀主要惑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。进行整率的动力学仿真 提出了基于动力学仿真 盼汽擎悬架c a d 的思路，针对其体车燮，进行? 钢板弹簧的结橡改进设计，将改进后黪 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湖络自适应模糊控 制策螓应用戮汽车半主动悬架的控制中1 1 4 j 。 吉林大学的秦民博士在其博士论文中运用a d a m s 软件和m a t l a b 软件对整车动 力学驰尼令方瓣进行7 详细觋究，主要龟捶冬令予系统及整车黪建模、整摹平颞性彝搽 查堕查兰堡主兰垡堡奎 纵稳定性仿真分析等，并通过试验验证了模型的可信度，讨论了悬架结构对整车振动的 影响。在m a t l a b 软件下建立架驶员模型，利用a d a m s 软件与m a t l a b 软件进行联合 仿真，探讨了驾驶员模型中各参数对整个闭环系统的影响，并在文章最后对主动悬架进 行了研究，提出了两种新的控制策。 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，建立了由橡胶衬套、柔性 体和刚体组成的整车系统刚柔耦合动力学仿真模型。研究了该车悬架系统运动学特性和 前轮各定位参数、前悬架垂直刚度随车轮中心跳动时的变化规律，以及在汽车侧倾运动 时后车轮外倾角与车身侧倾角之间的变化规律。此外，还对该车的操纵稳定性、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的数学模型和一套基于仿真的悬架系统优化设计方法口6 1 。 目前，国内各开设有研究生车辆工程专业的高等院校均对车辆动力学的仿真应用技 术进行了深入广泛的研究。 1 3 2 国内外仿真软件及其相关技术的发展 早期的车辆动力学分析中，大多采用的是面向目标设计的仿真软件，该类型软件针 对某一特定车辆进行程序编写，因此编写后的仿真模型不能修改，也不能添加其他特性。 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代期间，由美国密歇根大学交通研究所( u m t r j ) 开发的公路车辆 的仿真模拟程序h v o s m ( h i g hv e h i c l eo b j e c ts i m u l a t i o nm o d e l ) 是面向目标设计仿真软 件中的一个典型实例。其中包括了一个很详细的轿车动力学模型、一个轮胎模型和几个 可选的悬架系统模型。针对某特定车辆，用户在使用该软件时需要提供大量的相关数据 和图表，可获得时域的仿真结果。但用户不能根据不同结构的车辆迸一步开发、修改或 更新模型。 近2 0 年来，随着多体系统动力学理论、计算机硬件及建模软件解算能力的发展，对 车辆这样复杂的系统进行高精度仿真的能力大大提高。各类多体动力学仿真软件得到了 迅速的发展，目前比较流行的多体分析软件主要有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 ，机械系统动力学分析软件) 、d a d s ( d y n a m i c a n a l y s i sa n dd e s i g n s y s t e m ，动力学分析和设计系统软件) 、s i m p a c k ( s i m u l a t i o no fm u l t i b o d ys y s t e m s p a c k a g e ，多体系统仿真软件包) 、a u t o s i m ( 包括c a r s i m 和t r u c k s i m ) 等1 4 j 。下面对 国内运用较多的主要几种做一简要的介绍。 ( 1 ) a d a m s 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 ) 最初由美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c sl n c ) 公司开发，目前已被美国m s c 公司收购成为m s c a d a m s ， 4 塑= 皇婪恐 是最著名的视械系统动态仿真软俘。a d a m s 软件往_ 拜l 交互式瀚形环境朔零释簿、约束 库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，利用拉格朗冈第一类方程建巍系统最 大量坐标动力学微分代数方程，求群器算法稳定，辩剐桎闻邋十分有效，可虢对虚撅 机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真，聪处理程序可输出位移、速度、加速度和 反稚爝力益线毅及动褥仿真。a d a m s 软伟静仿真可用于预测税壤系统豹茬毙，运动藏 围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 譬蓊，a d a m s 已经在汽攀、飞梳、铁路、工程瓤械、一般瓶被、靛天飘械等鬏域 得到广泛应用，已经被全世界铸得各业的大多数制造商采用。a d a m s 软件由核心模块、 功能扩震模块、专韭模块、工獒箱和接疆模块5 黉模块缀成。a d a m s 方面是机械系统 动态仿真的应用软件，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 和动力学分拆；舅一方褥，它还是梳械系统动态仿真分析开发z 具，冀汗旅瞧的程痔绪 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 工兵平台鍪7 1 。 ( 2 ) d a d s d a d s ( o y 髓m i c a n a l y s i s a n d d e s i g ns y s t e m ) 是眈捌时l m s 公司奇留产品，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。d a d s 支持机械系统的快速装配、 分析和优化，并提供了功能虚缀样视技术功能，可以为物理样机试验提供设计豹装配牢孥 性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。在建模方蕊，提供的建模元索包括率富的运 动副瘁、力库、约束席、控制既件库、液压元件库、轮胎接口等。在分析方面，提供了 装配分析、运动学分柝、正向动力学分析、逆觏动力学分析、静平衡分析、预载荷分析 等6 种分析功能。并且针对不潲韵需求，提供了多种模块，包括d a d s b a s i c ( 镪括基本 动力学仿真的建模、求解、后处理和动煎功能) 、d a d s s t a n d a r d ( 基本模块加接触分柝、 液压与控制分析和用户自定义予程序功能) 、d a d s s t a n d a r d ( 包括d a d s 由1 1 d a d s f | e x ， 后者撮供有限元分析按口) 、d a d s p l a n t ( 提供与控制系统软l 牛e a s y s 、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 ( 发动机与动力仿真) ，以及岛c a t i a 、p r o e 、 l | d e a s 的3 个接口模块。 在d a d s 基础上，l m s 公词后续叉推出了一个工稔集成解决方案v i r t u a l l a b ( 虚拟 试验室) ，用予振动、噪声、乎顺性与操纵稳定性、彰适性、安全性、碰撞、耐久性以 及其它关键属性的分析。v i r t u a l l a b 可以与主流的有限元分析软件及主流的c a d 系统实 现无缝连接，窀采用猿一无二的混合铰囊( h y b r i d s i m u l a t i o n ) 技木，它将实物试验积纛 拟仿真的长处相结合，新的设计过程不仅更快，而且更加精确可靠。 ( 3 ) 氆k m c l t a s 联 p a m c r a s h 软件悬法国e s i 公司的碰撞模拟有限元仿真分析软件的程序包，是基予 要式有限元算法豹诗算撬三维疆撞i 孛叁仿真模羧系统，栽够对大整移、大旋转、大应变、 奎塑查兰堡主兰竺堡苎 接触碰撞等问题进行十分精确的模拟。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，目前已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 h 软件能够简便地处理异常复杂的边界约束；针对大变形材料可采用特 有的a d a p t i v em e s h 、f r o z e nm a t r i c 、n o n l i n e a rc o n t a c ts t i f f n e s s 等措施来保证求解的稳定 性和精确性；可设定材料的断裂失效条件；简便地定义焊点、铆钉等约束及其断裂条件； 可设置阻尼以加快求解弹性接触时的收敛；针对汽车碰撞而特设指标整形、输出、比较 模块；并且提供了金属、塑料、复合材料等众多常用的材料模型。 ( 4 ) n a s t r a n m s c n a s t r a n 是一款具有高度可靠性的结构有限元分析软件，有着3 6 年的开发和 改进历史，并通过5 0 ，0 0 0 多个最终用户的长期工程应用的验证。m s c n a s t r a n 的整个 研制及测试过程是在m s c 公司的q a 部门、美国国防部、国家宇航局、联邦航空管理委 员会( f a a ) 及核能委员会等有关机构的严格控制下完成的。m s c n a s t r a n 的分析功 能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，其主要功能模 块包括：基本分析模块( 含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等) 、 动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元 分析模块、气动弹性分析模块、d m a p 用户开发工具模块及高级对称分析模块。结构动 力学分析是m s c n a s t r a n 的主要强项之一，它具有其它有限元分析软件所无法比拟的 强大分析功能，其动力学分析功能主要包括：正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响 应分析、( 噪) 声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。为 求解动力学问题，m s c n a s t r a n 提供了求解所需齐备的动力和阻尼单元，如瞬态响应 分析的非线性弹性单元、各类阻尼单元、( 噪) 声学阻滞单元及吸收单元等【埔】。 ( 5 ) m a l l a b s i m u l i n k m a t l a b 由美国m a t h w o r k s 公司开发，是一种面向科学与工程计算的高级语言，它 集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理等学科的处理功能为一体。具 有极高的编程效率。s i m u l i n k 是m a t l a b 的一个分支产品是一个用来对动态系统进行 建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间 域或者两者的混合时间域里进行建模，同样支持具有多种采样速率的系统。 m a t l a b s i m u l i n k 体现了模块化设计和系统级仿真的具体思想，使得建模仿真如同搭积 木一样简单，其对仿真的实现可以应用于动力系统、信号控制、通信设计、金融财会以 及生物医学等各个领域的研究中。在动力学仿真领域，m a t l a b s i m u l i n k 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f 伸o o l 。 6 第一章绪论 1 4 本课题研究内容 谦题的主簧任务楚建立掰a t 1 7 8 平台底蠢准确豹纛籀样税穰型，送行运动学及动力 学的各种仿真分析，验证模型的准确性研究悬架特性参数对憨车操纵稳定性的影响， 为车辆的改鍪与零帮件豹设计键供理论依据，为项曩下一步的靛制系统研究工作打下一 个良好的模型熬础。 其俸蠹容如下： ( 1 ) 研究f i a t - 1 7 8 平台底盘的结构特点，获取其结构参数，并对建立模测提出合 理静绣构餐纯波建模缎设。 ( 2 ) 在专业的三缳c a d 软件c a l l a 中对零部件进行实体建模，得到各零部件逼真 豹三绦几何井形及质薰、转动惯量等基本属毪信息。 ( 3 ) 在动力学仿真分析软件a d a m s q a 搭建整车的虚拟样机模型，编制合理的轮胎、 路面文件，以便车辆掰受的激瀚与实鼯相符。 ( 4 ) 通过简单的偏频仿真实车试验来验证所建模型的准确性。 ( 5 ) 通道对前悬架的运动学仿真分析，发现前惑架存在的闯题并通过优化分析辩 前悬架进行机构优化，得到合理的模型参数。 ( 6 ) 模拟汽车的稳态回转特性及方向盏转角阶跃输入下的转向特性。对模型迸彳亍 整车的操纵稳定性仿其分析，评判车辆的操纵稳定性能。 7 东南大学硕士学位论文 第二章多体系统动力学相关理论及a d a m s 软件介绍 2 1 多体系统动力学的研究方法 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 般是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。多体系统是对一般机 械系统的完整抽象和有效描述，是分析和研究机械系统的最优模型形式。多体系统动力 学是在经典力学的基础上发展起来的，它与车辆设计、航天器控制、机器人学、机械动 力学等领域密切相关且起着重要作用，是一个新的力学分支。 在2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，美国的r e r o b e r s o n 、t r k a n e ，前联邦德国 的j w i t t e n b u r g ，前苏联的e n 1 - o n o s 等人先后提出了各自的方法来解决复杂系统的动 力学问题，他们的方法虽各不相同，但有一个共同的特点，所推导出的数学模型都适用 于电子计算机进行建模和计算。于是，将古典的刚体力学、分析力学与现代的电子计算 机技术相结合的力学新分支多刚体系统动力学便诞生了。 多体系统动力学经过二十多年的研究与实践，形成了自己比较系统的研究方法，主 要包括多刚体系统动力学研究方法和多柔体系统动力学研究方法。 2 1 1 多刚体系统动力学研究方法 多刚体系统动力学的研究对象一般为比较复杂的多体系统，其研究方法主要有经典 力学法( 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、变分方法、旋量方法。 ( 1 ) 牛顿一欧拉方法：对作为分离体的单个刚体列出牛顿一欧拉方程时，铰约束 力的出现使未知变量的数目明显增多，故即使直接采用牛顿一欧拉方法，也必须加以发 展，制定出便于计算机识别的刚体联接情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动 消除铰的约束。德国学者w s c h i e h l e n 教授在这方面做了大量工作，其特点是在列出系 统的牛顿一欧拉方程后，将不独立的笛卡儿广义坐标变换成独立变量，对完整约束系统 用达朗伯( d a l e m b e r t ) 原理消除约束反力，对非完整约束系统用j o u r d a i n 的虚功率原 理消除约束反力，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程，w s c h i e h l e n 教授等 人编制了符号推导的计算机程序，并以牛顿一欧拉( n e w t o n e u l e r ) 的简名命名为 n e 、e u l 程序。 ( 2 ) 拉格朗日法：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 系统独立的拉格朗日坐标非常困难，而采用不独立的笛卡儿广义坐标则比较方便，对于 具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉格朗日方程处理是十分规格化的 e 塑三童羔丛至竺垫垄竺塑茎曼熊墨垒里垒趔! 墼丛生翌 方法。簿密的戳笛卡，l 广义坐标为交璧的动力学方程愚与广义嫩标数髫稿同的带乘子静 微分方程，还需要补究广义坐标的代数约束方程才能封闭。1 9 7 3 年，美国m i c h i g a n 大 学的n vo r l a n d e a 帮m a 。c h a c e 等入应用害零嚣径积分( o e a rs t i f f n e s si n t e g r a t i o n ) 算法并采用稀砑托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，美国i o w a 大学静c a d 巾心在e 。j 。h a u g 教授豹萼l 霉下磷究了广义坐标分类、奇簿遣努解等算法， 编制了d a d s 程序。由此后来逐步形成了两大麓名多体动力学仿真软件机械系统动力 学傍冀软箨a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 和动力学分掰 与设计系统软件d a d s ( d y n a m i c a n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 。 ( 3 ) 囤谂( r - w ) 方法：1 9 6 6 年r e r o b c r s o n 帮j w i t t c n b u r g 翻造性静将图论雩| 入多刚体系统幼力学，利用图论中的些基本概念和数举工具成功地描绘了系统内各刚 俸之蠲豹联系状况，帮系统静结构。孙w 方法宪美建筑理了褥结构的多两l 体系统，两辩 于非树系统，则利用假想铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。r w 方法以相邻刚 俸之阉的相对位移为广义坐标，对复杂豹稽结构动力掌关系给岛了统一的数学模式，并 据此推导出系统微分方程，编制了应用于机械、卫星、车辆和机器人等的m e s a v e r d e 程穿。 ( 4 ) 凯恩方法：凯恩方法是由美阈的t i lk a n t 创立，并由他的举生r l 。h u s t o n 等人发展酶。飘愚方法的特点怒利用广义速率代替广义坐标搐透多丽体系统韵运动，并 将矢量形式的力与达朗伯( d a l c m b e r t ) 惯性力直接向特定的綦矢量方向投影，以消除 理想麴柬力。该方法没有给出一个适含予任意多剐体系统的普逋形式的动力学方程，广 义速度的选择也需要一定的经验和技巧，这是该方法的不足之处。然而凯恩方浓不用推 导动力学函数，不需求导计算，只需避行矢量点积、叉积等计簿，节省时间。 ( 5 ) 变分方法：在经典力学中，变分原瑕只是对力学规镣的概攒，而在计算技术 飞速发展的现代，变分方法己成为可以不必建巍动力学方程而借助于数值计算逝接寻求 运动娥樟的有效方法。以前苏联的e h 。h o n o n 和保加剩亚的kl i l o v 等人为代表的变 分方法是应用离斯最小作用量原理，利用优化瑗论求泛函韵极德直接得到系统晌运动状 况。这种方法的优点悬可以避免求解微分方程缀，并可以与最优控制理论结合起来。交 分方法主要用于带控制系统的工业机器入动力学。 ( 6 ) 旋璧方法：与前厦介绍的几秘方法不同，旋曩方法怒沿羞另一途径发展的动 力学分析方法。这种方法将刚体空间逡劝看作怒一种螺旋运动，并用旋詹及对偶数的形 式表述，从丽褥到对偶数矩阵形式的动力学方瑗。旋羲形式的动力学方程实黪上是牛顿 欧披方程的一种简练的表达形式。从事这种方法研究的主要肖德国的w s c h i e h l e n 、， m 。h i l 蛔等人。 以上几种擞要的研究方法，其数学模型可妇纳为纯微分方程组( o d e ) 和微分一代 熬混会方程组( d a e ) 耀_ 种类溅。对予数学模型求鼹熬数僮计舞方法瞧窍秀穗，期壹接 9 奎堕查兰堡土竺些丝苎 数值方法和符号一数值方法。 多刚体系统动力学理论有很多优点，主要体现在以下几点： ( 1 ) 使用对象广泛。由于很多刚体系统动力学由计算机按程式化方法自动建模和 分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种连接式的系统进行计算，因此其通 用性非常强，同一程式可对各类复杂系统进行分析。 ( 2 ) 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上 的，因此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，这更符合系 统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大的方便，能够使计算结果更符合实 际。 ( 3 ) 模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程，模型 越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而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，所以不但适用于较简单的平面模型，而且 更适用于复杂的三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂直方向、前后水平方向及横 向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影 响综合起来研究。 2 1 2 多柔体系统动力学研究方法 多柔体系统不同于多刚体系统，是一个时变、高度耦合、高度非线性的复杂系统， 其理论和方法有着自己的独特性。多柔体系统动力学是多刚体系统动力学、分析力学、 连续介质力学、结构动力学等多学科交叉发展的必然结果。 多柔体系统动力学研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围空间运 动时的动力学行为。多刚体系统动力学是以系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各 部件连接点( 铰接点) 处的弹性、阻尼等影响；而多柔体系统动力学则在此基础上还进 一步考虑部件的变形。多刚体系统动力学侧重的是“多体”方面，研究各个物体刚性运 动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响；多柔体系统动力学则侧重“柔性”方 面，研究柔性体变形与其整体刚性运动的相互作用或耦合，以及这种耦合所导致的独特 的动力学效应。变形运动与刚性运动的同时出现及其耦合正是多柔体系统动力学的核心 特征。 推导多柔体系统动力学研究的基本原理和方法与一般的力学问题相同，可以分为以 下三类： 第一类为牛顿一欧拉( n e w t o n e u l c r ) 方法； 第二类虚位移方法： 第三类为牛顿一欧拉方法和虚位移方法的各种变形，如比较有影响的凯恩方法等。 目前在多柔体动力学领域的研究中，动力学方程的建立及求解都还不是非常成熟， 整三兰妻整墨竺垫垄堂塑苎璺堕墨垒望生捌! 竺! 坌塑 还没裔形成统一豹名稳健孺，计算稳稔序懿续潮遣缺纛簸翔弱交藏，璞论硒究冬实嚣疯 用的麓距比较大。 程车辆动力学蕊鬟颁壤孛，院舞盔a d a m s 软释串疆供了三耱实魏分辑柔经秘镲运 动的方法，分别是： ( 1 ) 茸冬都传( p a r t ) 篙戳为离散静柔毪连释( d i s c r e t ef l e x i b l el i n k ) ，离敬看熬部 件由多个刚体组成，刚体之间通过力单元粱( b e a m ) 实现避接。 ( 2 ) 在a d a m s 较俘孛建立蓠攀静有袋嚣摸鍪，一敷要求该模羹懿低频特 雯与灏 物理系统近似。 ( 3 ) 集戏箕链骞鞭元模淼分辑缮榘( m o d a lf l e x i b i l i 移) ，蜜瑗a d a m s 较俘与有黻 元分析软件如m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 等的连接( d i s c r e t ef e a i n t e g r a t i o n ) 。 在吴棒i 疆闷题静分羲中，第一耱方法较为容荔实现。籀对鄹俸分辑结象褥言，该 方法的分析精度明显掇高，只黉部件的离散数日合适，分析结果就能纂本达到正程分析 鹩要求。第三耱方法鬻要有蔽惩分辑软俘静支持，模登分轿精度较高。第二释方法奔予 两者之间但烧要求分析人员有很强的经验。 2 2a d a m s 软件的理论慕础与计算方法 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( 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 l s y s t e m s ) ，是痰美匡m d l ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司嚣发戆痘羧群接分褥数锋， 在经历了1 2 个版本后，被美嘲m s c 公司收购。m s c a d a m s 软件由于其领先的“功 麓纯数字徉嘏”技术，逯速发疑残秀c a e 矮域孛镬蠲莲基聂广、应瓣行遂最多熬撬壤 系统动力学仿真工具。占据了该领域5 3 的市场份额( 数据来自于d a r a t e c h 技术咨询 公霹豹绫诗数据) ，谗多国舔绽夫鳌公蹋、金攮海采焉m s c 。a d a m s 软俘 筝为簇橇禳系 统动力学仿真的平台。 a d a m s 霉羯手建立复杂撬缓系统豹“功能纯数字撵撬”，在魏实工律象舞下遥冀 地模拟其所有运动情况，并且可以快速分析比较多种设计思想，蛊至获得最优设计方案， 获焉减少昂赛豹物理榉橇试验，提高产品竣专 承平，缩短产品歼发震籁察开发成本。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件麾、约柬库、力库，创建完全参数化的机 壤系统凡侉援滋，其求解器采糟多辩体系统动力学理论中静拉穆朗丑方程方法，建立系 统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 翻速度和反俸糯力馥线。a d a m s 软佟的仿真萄雳予颡灏梳辘系统豹经能、运动范围、 碰撞梭测、峰值载荷以及有限元的输入载荷等。 查堕查兰堡堂竺堡塞 朋) a m s 软件采用模块化的组成模式，主要由以下5 类模块组成： l 、基本模块。包