（车辆工程专业论文）基于虚拟样机技术的重型车辆动力学建模与仿真分析.pdf

摘要 摘要 车辆行驶平顺性和道路友好性是评价车辆的行驶性能及路面使用性能的重要指 标之一。本文采用多体动力学仿真软件s i m p a c k 建立重型车辆整车动力学仿真模 型，在此基础上进行重型车辆平顺性和道路友好性仿真分析，为车辆结构的动态设 计、揭示路面的损伤机理和路面的结构设计提供参考依据。 论文以某公司研发的重型专用车辆前卸料水泥搅拌车为研究对象，应用 s i m p a c k 软件建立了该重型专用车辆的整车虚拟样机模型，并采用谐波叠加法原理 构建各种随机路面，建立了整车行驶动力学仿真平台。为验证仿真模型的正确性， 在某汽车试验场的各种典型路面，成功地进行了重型车辆行驶性能试验，测定了前 卸料水泥搅拌车车架与车桥的振动加速度。相应测点仿真与实测结果的振动加速度 均方根值、功率谱密度峰值和频率相差不大。根据i s 0 2 6 3 1 1 给出的平顺性评价方法， 采用总加速度加权均方根值评价法对前卸料水泥搅拌车平顺性进行了评价。该车行 驶车速超过5 0 k m h 后，人体主观感觉开始有一些不舒适：当车速超过7 0 k m h 后，人 体主观感觉相当不舒适，平顺性变差。采用动载荷系数和理论道路破坏系数对前卸 料水泥搅拌车在b 级和c 级路面的道路友好性进行了评价。车辆各轴动载荷系数均随 着行驶速度提高和路面不平度增大而增大，且前轴的动载系数大于后轴的动载系数。 当车辆在c 级路面行驶时，理论道路破坏系数随着行驶速度提高而增大幅度较大， 特别是当行驶速度超过7 0 k m h 时，理论道路破坏系数迅速增大，整车对路面的破坏 严重，道路友好性变差。 关键词：重型车辆；虚拟样机技术；行驶平顺性；道路友好性 a b s t r a c t a b s t r a c t 硒d ec o m f o r ta n dr o a df r i e n d l i n e s sa r ei m p o r t a n ti n d i c a t o r so ft h ee v a l u a t i o no f d r i v i n gp e r f o r m a n c ea n dp a v e m e n tl i f e ad e t a i l e dm u l t i b o d yd y n a m i cm o d e lo fah e a v y v e h i c l ew a se s t a b l i s h e db yu s i n gs i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r es i m p a c i c , a n dr i d e c o m f o r ta n dr o a df r i e n d l i n e s ss i m u l a t i o nw a sa l s oc o m p l e t e db yu s i n gt h eh e a v yt r u c k s i m u l a t i o nm o d e l t h er e s u l t sc o u l dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ed y n a m i cd e s i g no fv e h i c l e ， t h ee x p l a n a t i o no fp a v e m e n td a m a g em e c h a n i s ma n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no fr o a d t h i sp a p e rw a sm a i n l yb a s e do nt h ed r i v i n gp e r f o r m a n c eo ft h ef r o n td i s c h a r g e m i x g l t r u c k ，w h i c hw a sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yac o m p a n y t ob u i l das i m u l a t i o n p l a t f o r m , t h em u l t i - b o d yd y n a m i cm o d e lo ff r o n td i s c h a r g em i x e rt r u c kw a sb u i l tb yu s i n g s i m p a c ks o f t w a r e ，a n dr a n d o mr o a dw a sa l s oc r e a t e db a s e do np r i n c i p l eo f s u p e r p o s i t i o no fh a r m o n i c t op r o v et h ec o r r e c t n e s s o ft h es i m u l a t i o nm o d e l ，ar i d e p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tb yu s i n gav a r i e t yo ft y p i c a lp a v e m e n t si na n a u t o m o t i v ep r o v i n gg r o u n d , a n dt h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lo ff l a m ea n da x l e so f f r o n td i s c h a r g em i x e rt r u c kw a so b t a i n e dt h r o u g ht e s t s c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n , t h er m s v a l u e sa n dp o w e rs p e c t r a ld e n s i t i e so ft h ev e h i c l e s f r a m ea n da x l e sw e r eo rl e s st h e5 r m e a c c o r d i n gt oi s 0 2 6 31 - 1 ，t h e w e i g h t i n g a c c e l e r a t i o nw a sc a l c u l a t e dt oe v a l u a t et h ef i d ec o m f o r to ft h ef r o n td i s c h a r g em i x e rt r u c l t h er e s u l t ss h o w e dt h a t , w h e nt h es p e e dr e a c h e d5 0 l ( i r g h , t h es u b j e c t i v ef e e l i n go ft h e h u m a nb o d yb e c a m en o tg o o d ；w h e nt h es p e e dr e a c h e d7 0 k m h lt h ed r i v e r sf e e l i n g b e c a m ev e r yb a d ，a n dt h er i d ec o m f o r td e t e r i o r a t e d t h ec o e f f i c i e n t so fd y n a m i ct y r el o a d a n dt h e o r e t i c a lr o a dd a m a g ew e r eu s e dt oe v a l u a t et h er o a df r i e n d l i n e s so ng r a d eba n dc r o a d t h ec o e f f i c i e n t so fa x l e s d y n a m i ct y r el o a di n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fv e h i c l e s p e e da n dt h ed e g r e eo fr o a dr o u g h n e s s ，a n dt h ed y n a m i ct y r el o a dc o e f f i c i e n t so fr e a r a x l e sw e r el e s st h a nt h ef r o n ta x l e s w h e nt h ev e h i c l ed r i v i n go ng r a d ecr o a d ，t h e t h e o r e t i c a lr o a dd a m a g ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e dm o r er a p i d l y , a n dt h eh e a v yv e h i c l e p r o d u c e ds e r i o u sd a m a g et ot h er o a d s ，a n dr o a df r i e n d l i n e s sd e t e r i o r a t e d k e yw o r d s ：h e a v yv e h i c l e ；v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ；r i d ec o m f o r t ； r o a d m e n d l i n e s s 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 魄产伽日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密彰 、( 谎在以上方框内打 “” ) 论文作者签名：到硝?日期：矿年月日 导师签名：纠纠乙日期：o f 年月日 i 【 7 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 8 1 第章引言 1 i 课题的提出及意义 第一章引言 车辆行驶平顺性和道路友好性是评价车辆的行驶性能及路面使用性能的重要指 标之一。车辆行驶平顺性是指保持汽车在行驶过程中，驾乘人员所处的振动环境具 有一定舒适度的性能；而车辆道路友好性是指车辆在路面上行驶时，车辆轮胎载荷 对道路作用引起路面破坏的性能。汽车在行驶过程中，常因路面不平而引起强烈的 车身振动，对驾乘人员的生理反应或所运货物的完整，均产生不利的影响。振动产 生的车辆动荷载，会加速零件磨损，使某些部件早期疲劳失效，降低汽车的寿命和 可靠性。振动产生的车辆动荷载通过车轮作用在路面上，使路面易于产生疲劳损伤 和宏观破坏，降低路面的使用寿命。 随着我国经济的高速发展，重型车辆已成为我国主要的交通运输工具。相对乘 用车而言，载货汽车的工作条件比较恶劣，行驶的道路标准低、弯道多、坡路多、 转弯半径小，车辆频繁转向与制动，并长期在满载、振动与冲击载荷下工作，更为 严重的是大多数载货汽车驾驶员在这种环境中一天工作长达1 0 - 2 0 小时，这给驾驶 员带来较大疲劳和危险。同时，为满足日益扩大的货运市场需求，各种新型的重型、 超重型车辆层出不穷。重型车辆的采用，一方面提高了运输效率，降低了运输成本， 另一方面却加速了路面的损坏，大大降低了路面的使用寿命。因此，研究重型车辆 行驶平顺性和道路友好性十分重要。 以往的车辆设计以提高平顺性为研究重点，很大程度上忽略了车辆道路友好性 的研究。而且多是建立质量一弹簧一阻尼振动模型，并根据研究问题的需要，选择适 当的自由度数进行车辆行驶性能分析【1 4 1 。采用振动模型分析车辆的行驶性能时，对 车辆的实际结构进行了较大的简化，忽略了转向、悬架系统等细节以及某些构件的 弹性效应。实际上车辆是一个具有大量非线性元素的复杂系统，仅仪基于简化的弹 簧质量块模型很难准确获得车辆的行驶性能。目前，基于多体动力学理论的虚拟样 机技术已经成为车辆系统动力学研究中的一种高效率、高精度的工具【5 】。利用虚拟 样机技术能够建立描述车辆实际运动的较复杂模型，可使计算结果更接近实际。采 用多体动力学仿真软件建立车辆动力学模型时，将车辆的构件看作刚性体或弹性体， 利用约束描述各构件间的连接关系，软件自动生成运动学和动力学方程，利用软件 内部的数值计算方法进行准确求解。基于此，本课题采用多体动力学仿真软件 s i m p a c k 建立重型车辆整车动力学仿真模型，并进行重型车辆行驶平顺性和车辆道 路友好性仿真分析，为车辆结构的动态设计、揭示路面的损伤机理和路面的结构设 计提供参考依据。因此，本研究具有重要的现实意义和实用价值。 青岛大学硕士学位论文 1 2 车辆行驶平顺性及道路友好性的国内外研究现状 1 2 1 车辆行驶平顺性的国内外研究现状 车辆的平顺性主要是保持汽车行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性 的影响在一定界限之内，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代高速 汽车的主要性能之一。 车辆平顺性研究的是“路面一车辆一人 构成的系统。路面的不平度和车辆的 行驶车速构成了对汽车振动系统的输入，由轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件使 振动信号由非悬挂质量传递到悬挂质量，所得到的振动系统的输出是悬挂质量或人 体的加速度信号，然后根据人体对振动的反映指标来评价汽车的平顺性。研究汽车 平顺性的目的是要控制振动的传递，尽可能提高乘坐舒适性。 随着人们对车辆乘坐舒适性要求的不断提高，国内外对车辆行驶平顺性的研究 也逐步深入，并从两个方面开展研究工作，一是通过实际样车试验，实际评价该车 型的性能，对比目标车型找出差距，不断改进后达到最优水平；二是在设计研发阶 段建立仿真模型，评估预测整车的性能，通过不断的优化设计方案达到开发目标。 从2 0 世纪5 0 年代，国外就开始对车辆的振动以及乘坐舒适性进行了研究。1 9 4 8 年j a n e w a y 提出了人体承受振动时的舒适性评价标准，他认为影响人体乘坐舒适性的 主要因素是低、中频时的加速度以及高频时的速度，并给出评价指翩具体计算公 式。1 9 5 7 年，德国学者d i c k m a n 提出了k 系数法评价标准，但此标准是在已确定输入 的情况下建立的，并且试验的形式为单项振动。1 9 6 1 年d e g o l d m a n 等人在振动试验 和总结前人的基础上提出了：承受低频( 0 - - - 1 0 0 h z ) 振动时，人体可简化为具有刚度、 阻尼、质量的集中体系模型，并指出该人体受振模型在振动频率为3 - - 6 h z 时产生胸 腹共振，2 0 - - 3 0 h z 时产生头颈- 肩共振，6 0 h z 时会产生眼球的共振。1 9 7 2 年，德 国米奇克提出采用座椅垂直振动加速度的均方根值以及整车纵向振动加速度均方根 值来评价汽车的行驶平顺性，该方法的不足之处是只考虑汽车本身的振动而忽略了 对承受振动人的因素的研究。 为解决平顺性评价问题，国际标准化组织i s o 于1 9 7 4 年颁布了i s 0 2 6 3 1 的最初版 本人体承受全身振动评价指南【6 】。然而该标准决非为确定性的，随着测量 数据的不断增多，i s o 对1 9 7 4 年的最初版本已经进行了大量的、有实际意义的修订。 1 9 8 5 年修订后重新发表i s 0 2 6 3 1 l 1 9 8 5 人体承受全身振动评价第一部分：通用 要求【7 】，该标准推荐的l 3 倍频程分别评价方法、总加权值评价方法及其评价指标， 适用于l 8 0 h z 频率范围内对人体承受的全身振动评价。由于该标准是以短时间简 谐振动的试验研究成果为基础的，所以对车辆长时间随机振动环境以及其它一些冲 击比较大的振动环境中的应用仍有争议。在1 9 9 7 年，经过3 次修改和补充，i s o 公布 2 第一章引言 了i s 0 2 6 31 l l9 9 7l ：人体承受全身振动评价第一部分：通用要求【引，这一标准在 评价长时间作用的随机振动以及多输入点、多轴向振动环境对人体的影响时，能够 更好地和人体主观感觉保持一致。参照i s 0 2 6 3 l 1 一1 9 9 7 制定的我国国家标准 g b t 1 3 4 4 1 1 - - - 2 0 0 7 机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第一部分：一般要 求【9 j ，规定了周期、随机和瞬态的全身振动测量方法，指出了综合决定振动暴露 能够被接受程度的主要因素，这部分适用于通过支撑面传递到整个人体的运动。 在汽车平顺性的早期研究阶段，限于当时数学、力学理论、计算手段及试验方 法，把系统简化成集中质量一弹簧一阻尼模型，建立了不同复杂程度的动力学模型。 这类模型与汽车实际结构相比虽然作了较大的简化，但能够定性的分析汽车振动特 性和结构参数对平顺性的影响0 0 。如二自由度单轮车辆模型可分析悬架对平顺性的 影响( 图1 1 ) ；四自由度半车模型可分析车体的 垂向和俯仰振动( 图1 2 ) ；七自由度整车三维平 顺性模型，可分析车体的垂向、俯仰和侧倾振动 ( 图1 3 ) ；在七自由度模型基础上，增加一个代 表座椅和人体质量的垂向自由度形成八自由度的 整车模型，可分析人体在车辆行驶过程中所受到 的振动。但由于这类模型忽略了部件的弹性效应， 因而进行平顺性分析时会产生较大的误差。另外， 对于多自由度的复杂模型手工推导过于烦琐，所 以这类模型也不适合分析复杂的平顺性问题。 图1 1 二自由度单轮车辆模型 z w 8 图i 2 四自由度半车模型 随着理论方法和计算手段的发展，汽车的建模方法出现了新的改变。由于汽车 中的弹簧、阻尼器、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。因此，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动态性能设计和平顺性研究的先进手 3 青岛大学硕士学位论文 图1 3 七自由度整车模型 段。随着对汽车动力学模型的精确度要求不断提高，增加了大型多体动力学方程推 导的困难，因此人们应用多体动力学仿真软件建立汽车模型，将汽车的每一部件看 作刚性体或弹性体，利用约束描述各部件间的连接，软件自动生成运动学和动力学 方程，利用软件内部的数值计算方法进行准确求解。应用多体动力学方法已经成为 车辆动力学研究的一种高效率、高精度的分析方法1 1 1 - 2 0 1 。 1 9 9 9 年金睿臣用多体动力学分析软件a d a m s 建立了1 l 自由度的汽车非线性振 动模型，用伪白噪声法生成符合实际路面统计特性的路面不平度，对汽车在路面随 机输入下的振动响应作了仿真分析【2 。2 0 0 2 年，北京理工大学的曹丽亚借助a d a m s 软件完成了汽车脉冲平顺性的仿真分析【2 2 1 。2 0 0 3 年，北京工业大学的王国权等利用 a d a m s ，在计算机上按照系统总成建立了某小型卡车整车数字化功能仿真汽车，实 现了车辆行驶的数字化模拟，该车在虚拟的路面上行驶时，可以体现悬架、轮胎的 变形以及驾驶员的运动，仿真测试获得了驾驶员在前进方向、横向、垂直方向的加 速度值以及均方根值，其数据与实测结果接近【2 3 】。2 0 0 8 年杜子学等应用多体系统动 力学分析软件s i m p a c k 建立了某面包车的多体动力学仿真模型和三维路面模型，在 虚拟环境中对汽车平顺性进行了仿真分析与研究1 2 引。 虽然很多学者都对汽车平顺性仿真分析做了许多研究工作，但对重型车辆的平 顺性研究较少。因此，应用多体动力学仿真软件建立重型车辆整车动力学模型，对 重型车辆平顺性研究是非常重要的，可为提高国产重型车辆产品性能提供有价值的 参考依据。 4 第一章引言 1 2 2 车辆道路友好性的国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代以来，为减小重型车辆对高速公路路面的破坏，美国密西根大学 公路交通研究所、美国加州大学伯克利分校、英国剑桥大学工程系以及加拿大、澳 大利亚等国的高等学校和科研机构相继对车辆一道路相互作用问题进行了深入研 究。以英国为首的许多西方发达国家不但已制定了各种相关法律、法规，而且鼓励 使用道路友好性良好的重型车辆，适当地提高道路友好性良好车辆的运输配额，而 且积极地鼓励开展有关悬架道路友好性的基础研列2 5 1 。英国学者d j c o l e 等利用综 合四次幂指标对被动悬架系统的优化设计进行了较为深入的研究1 2 6 1 ，m h u l t a l a 等通 过合理的前悬架钢板弹簧及后悬架空气弹簧设计，正确选择重型车辆的轮胎模型， 设计了基于功能虚拟样机的三、四轴被动悬架重型车辆仿真模型，并通过该模型研 究了被动悬架重型车辆的道路友好性 2 7 1 。通过欧盟资助，以捷克为中心展开的关于 车辆一路面相互作用的s a d t s 研究项目中，利用机械多体动力学软件s i m p a c k 建立 了重载车辆三维整车动力学模型，开展了重载车辆半主动悬架系统与路面相互作用 的基础研究，分析了不同控制策略对车辆一路面动态载荷的影响【2 8 l 。 在道路友好性评价指标方面，先后出现了多种道路友好性评价指标：动态载荷 系数、动态载荷应力因子、9 5 百分位综合四次幂力等，由k j k i t c h i n g 等提出的新评 价指标中，将车辆一路面动态载荷的“空间重复性”纳入道路友好性评价体系中，以 提高评价的准确性1 2 叽。 近年来，我国也逐步重视了车辆动载对道路的破坏问题，并进行了相关的研究 工作。青岛大学【3 0 。3 射、中国农业大学1 3 3 1 、同济大学【3 3 5 1 、华中科技大学p 6 1 、哈尔滨 工业大掣3 7 】等就路面对车辆垂直动载响应、重型货车轮载作用下沥青路面力学响应、 车辆行驶速度对路面破坏、基于车辆对路面的损伤评价、车辆对路面作用随机动载 荷、悬架参数对行驶平顺性和道路友好性的影响、基于主动悬架系统车辆的道路友 好性等进行了研究，并取得了许多研究成果。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要针对基于虚拟样机技术的重型车辆整车动力学仿真模型的建立及车辆 平顺性、道路友好性开展研究工作，其主要研究内容如下： ( 1 ) 以某公司研发的重型专用车辆前卸料水泥搅拌车为对象，采用多体动 力学仿真分析软件s i m p a c k 建立前卸料水泥搅拌车整车虚拟样机模型，并采用谐波 叠加法构建各种典型路面，建立重型车辆整车行驶动力学仿真平台。 ( 2 ) 通过在某汽车试验场测定前卸料水泥搅拌车的车架和车桥在典型路面随机 激励下的振动响应，并与前卸料水泥搅拌车整车动力学仿真结果对比分析，验证整 5 青岛大学硕士学位论文 车动力学仿真模型的正确性、可行性。 ( 3 ) 采用前卸料水泥搅拌车整车动力学模型进行不同车速和不同随机路面激励 下的驾驶员座椅处振动加速度和轮胎动载荷仿真计算，并进行车辆平顺性和道路友 好裢评价，为该重型专用车辆的研发和改进提供参考依据。 6 第二章虚拟样机技术及s i m p a c k 软件简介 第二章虚拟样机技术及s i m p a c k 软件简介 2 1 虚拟样机技术简介 2 1 1 虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 是指在产品设计开发过程中， 将分散的零部件设计和分析技术( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 揉合 在一起，在计算机上创建出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工 况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种 新技术p 引。 虚拟样机技术是近年来在产品开发的c a x 技术如c a d 、c a e 、c a m 等以及 d f x 技术如d f a ( d e s i g nf o ra s s 锄b l r 面向装配的设计) 、d f m ( d e s i g nf o r m 删f a c t i l 陀一面向制造的设计) 等基础上发展起来的，它进一步融合了先进仿真 技术、先进制造技术和现代信息技术，将这些先进技术应用于复杂系统的全生命周 期，并对它们进行综合管理，从整个系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下复 杂系统的开发模式，将物理样机利用虚拟样机替代，对产品进行创新设计测试和评 估，这样可以缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本，改进产品的设计质量， 提高产品面向客户与市场需求的能力p 9 1 。 2 1 2 虚拟样机技术在汽车工业中的应用 目前，虚拟样机技术己在汽车工业领域得到了广泛的应用，大到整车小到悬架 和传动轴等都可见到虚拟样机技术的实例。国外著名的汽车生产厂商如通用、福特、 日产等企业均采用了虚拟样机技术，并取得了巨大的经济效益。例如福特公司在一 个新车型的开发中采用该项技术，使产品设计周期缩短了两个月，设计费用减少了 四千万美元，制造费用节省了十亿美元；由于设计周期的缩短，新车提前上市，获 得了高额的额外盈利。近年来，国内一些汽车厂商如北京吉普汽车有限公司、重庆 长安汽车股份有限公司等为了提升自身产品的设计制造水平，也纷纷引进了虚拟样 机技术，建立了自己的c a e 分析中心。如北京吉普汽车有限公司于1 9 9 7 年9 月正 式购买了a d a m s 软件，应用该软件完成了b j 2 0 2 2 车型虚拟样机的开发并进行了 动力学仿真。将虚拟样机技术应用于该车型的开发过程，为进一步改进其产品性能 提供了可靠的理论依据。 在汽车工业中，虚拟样机技术的应用大体可分为以下几个方面： 首先，虚拟样机技术在汽车零部件设计与优化中得到了广泛的应用。对汽车零 青岛大学硕士学位论文 部件进行结构分析，可根据轻量化的要求进行零部件的结构优化设计，从而设计出 既满足强度要求又满足轻量化要求的零件结构；对整车进行运动学仿真，可校核汽 车各部件运动轨迹，避免运动干涉的发生；对整车进行动力学仿真，可校核汽车各 部件受力情况，根据最优的目标进行机构优化设计，可在最大限度地满足性能要求 的前提下，对整车的设计提供指导和修正。 虚拟样机技术在整车性能分析评价与预测中的应用。汽车的各种性能指标包括 燃油经济性、操纵稳定性、行驶平顺性、动力性以及制动性等均可通过虚拟样机仿 真分析得到。通过虚拟实验，可以在汽车实际产品加工以前，预测它的安全性、可 靠性、动力性、气动性、经济性及舒适性等各种性能，同时对不满意的地方进行改 进设计，与传统试验相比，具有周期短、成本低、安全性好、灵活性强等特点。此 外，整车性能分析中有时要计算与车身外形相关的空气动力学性能，可以采用计算 流体力学仿真的方法，避免实车风洞试验所消耗的大量成本。 虚拟样机技术在汽车新技术开发中的应用。目前在汽车上广泛采用的防抱死制 动系统( a b s ) 、主动悬架系统、发动机电控技术等均采用了虚拟样机技术。例如， 能根据汽车行驶过程中可测定的参数判断车轮是否发生抱死，继而采用仿真领域最 优控制、神经网络控制或模糊控制等方法得到制动管路压力的最优值，从而实现制 动力最优化，使汽车制动时的制动效能获得极大的提高。 虚拟样机技术在汽车制造过程中的应用。汽车制造在汽车工业中有着极其重要 的地位，由于激烈的市场竞争，汽车制造企业面临着许多难题，如何以最好的质量、 最快的速度、最低的成本以及最优的服务来满足不同客户的需求成为企业追求的目 标。虚拟制造技术满足了这种需求，利用虚拟制造技术，采用计算机仿真与虚拟现 实技术，在计算机群组中建立协同工作，实现产品的设计、工艺规划、性能分析、 加工制造以及质量检验，可以大大缩短产品开发的周期，在激烈的市场竞争中取得 优势地位。汽车上众多零部件采用了虚拟制造技术，如离合器壳体、汽车车身等的 冲压成形过程的仿真、冷却风扇叶片的铣加工过程等，对保证加工质量，缩短加工 周期、降低加工成本起到了十分重要的作用。 2 2 多体动力学仿真分析软件s i m p a c k 简介 s i m p a c k 软件是德国i n t e cg m b h 公司开发的针对机械、机电系统运动学、动 力学仿真分析的著名多体动力学分析软件包。它以多体系统计算动力学 ( c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c so f m u l t i b o d ys y s t e m s ) 为基础，包含多个专业模块和专业 领域的虚拟样机开发系统软件。 1 9 8 5 年由德国宇航局( d l r ) 开发的基于相对坐标系递归算法的s i m p a c k 软件问 世，并很快在欧洲航天航空行业得到了广泛的应用，掀起了多体动力学领域的一次 8 第二章虚拟样机技术及s i m p a c k 软件简介 算法革命。1 9 9 3 年，由动力学专家a l e xe i c h b e r g e r 博士领导成立了i n t e c 公司，全面 负责s i m p a c k 软件的开发和市场运作。s i m p a c k 软件可以用来仿真虚拟的机械、 机电系统，从仅仅只有几个自由度的简单系统到诸如航空航天器等复杂的机械系统， 可以应用到机械新产品设计、研发和优化的任何阶段。 s l m p a c k 软件具有二维和三维动画功能，其后处理还给用户提供了功能非常丰 富的曲线作图、曲线输出、曲线编辑、数据分析、对比等功能，给用户详细、准确 了解系统性能提供了有力的工具。 鉴于s i m p a c k 多体动力学软件强大的运动学和动力学分析功能，工程师可以像 构筑三维c a d 模型一样，快速构建机械、机电系统的动力学模型，然后利用各种内 置的高效率求解方式，如时域积分计算，得到系统的各种动态特性。s i m p a c k 算法 技术的优势在于成功地将控制系统和多体计算技术结合起来，发展了实时仿真技术， 并迅速地应用到航空航天工业，并且将软件与优化设计等技术结合起来，使得软件 的功能更加完善。 运动学与动力学分析模块是s i m p a c k 软件的核心模块。在核心模块的基础上， s i m p a c k 还为各工业领域和特殊应用领域提供了各种附加模块。这些附加模块采用 嵌入式结构，可与核心模块任意搭配使用。 附加模块可大致分为两类，一类是为不同工业应用领域所开发的专业模块，另 一类是s i m p a c k 功能扩充模块。 ( 1 ) s i m p a c k 的专业模块主要包括： s i m p a c ka u t o m o t i v e 十- - 汽车行业专用分析模块，主要应用于实现对传动系、 变速器、发动机以及零部件、实时控制系统等的动力学分析。a u t o m o t i v e + 模块是在 德国宇航中心( d l r ) 由i n t e c 公司和世界领先的汽车公司共同开发，该模块采用 开放式模型结构，样机中各零部件或子结构可针对分析内容进行修改。在s i m p a c k 软件中，通过装配各零部件和子结构进行建模可以快速地建立各种整车虚拟样机模 型，并进行高效率、高精度的求解。a u t o m o t i v e + 模块与其他模块完全兼容。 s i m p a c kw h e e l 瓜a i l 铁路行业分析模块。可以完成铁路行业所涉及的运动 学及动力学分析，是世界领先的轨道车辆动力学仿真工具。 s i m p a c ke n g i n e - 气车发动机分析模块，利用该模块可完成发动机各零部件 和整机的动力学分析。 s i m p a c kf o r m u l ao n 卜f l 赛车专用动力学分析模块。 ( 2 ) s i m p a c k 的功能扩充模块包括： c o n t a c tm e c h a n i c 卜接触碰撞分析模块，用户可利用该模块定义任意 形状表面的接触碰撞。s i m p a c k 提供了包括h e r t z 接触、f l e x c o n t a e t 等一系列接触碰 撞模型，具有较高的仿真效率和精度。 9 青岛大学硕士学位论文 s i m b e a m 一弹性体模块，用户可利用该模块交互式地建立三维弹性梁式结 构，方便直观地构筑各种仿真所需弹性体。 n v h ( n o i s , v i b r a t i o nh a r s h n e s s 卜_ 系统振动、冲击、噪声仿真分析模块。 g e a r 一齿轮模块，用户利用该模块可以建立各种类型齿轮啮合模型，分析 齿轮啮合过程中的动力学性能。 c o d b - 输出多体系统的程序源代码( f o r t r a n 语言或c 语言) 和可执行程序， 此代码不依赖于任何多体环境。 u s e ri m u t i m 卜为二次开发工具，用户可以利用c 语言和f o r t r a n 语言定 义自己的特殊力元( 如力单元、驱动单元等) 。 c o n t r o i 一用户在s i m p a c k 软件中可以直接建立闭环的机电控制系统。 v 1 1 l ( v i r t u a lt e s tl a b ) s i m p a c k 的虚拟实验室模块用于研究各种系统参 数或外部激励对系统动力学响应的影响，也可用于机械系统的参数优化。 c u s t o m i z i n ga n ds c r i p t i n g s i m p a c k 提供了一种类似于j a v a s c r i p t 的脚本语 言工具q s a q ts c r i p tf o ra p p l i c a t i o n ) ，利用q s a 可以编写多体系统的宏命令，进 行分析过程的自动化，也可以进行用户界面的定制。 c h a i n 链条模块。采用了相对坐标系建模和递归算法，可以精确仿真链传 动系统的传动误差、振动特性、链齿冲击、张紧力等，甚至可以精确考虑柔性链轮 和链节传动动力学问题。 2 3s i m p a c k 中多体系统运动方程理论 在多体动力学系统的研究领域，惯性系统经常被作为参考系统 4 0 l 。通过与体对 齐的直角坐标系可以清楚定义空间刚体局的位置。也就是说，利用单位矢量与体坐 标系统对齐：毛、瓦表示刚体位置。根据参考系统定义刚体岛质心的原点坐标 瓦、吒，以及位移矢量亏( 3 1 ) 和旋转矩惭，t ( 3 x 3 ) ，如图2 1 所示。 图2 1 刚体坐标系 1 0 第二章虚拟样机技术及s i m p a c k 软件简介 云= 瓦，e b r + 略，+ 毛，吮 2 一( 1 ) 气= 【瓦，不，瓦，】r2 ( 2 ) i c , a c r- - c , a s ys p i 彳，f = 彳m ( 口) 彳可( ) 彳( 厂) = le a s y + s a s s y e a c y s a s 局s y- s a c f li2 - ( 3 ) 【s g s y c a s ? c ys c c y - i - c 舔? s yc 邳i 即通过 6 x 1 位移矢量代表6 个广义坐标。 z = k 白尼r ，】r 2 ( 4 ) = 誓= 警2 2 - ( 6 ) 质心位移的方程可以通过一个 3 x 6 的j a e o b i 矩阵进行描述。 或者没有参考系黼化 v i = jc 淳 同理，可通过j a c o b i 的旋转矩阵计算角速度 q = j 口f 三 2 - ( 7 ) 2 - ( 8 ) 2 - ( 9 ) 青岛大学硕士学位论文 f 00 0l0 s p i l = 1 0 000 c 口- s o 贮pi 2 - ( 1 0 ) 【- 0 0 0 0 s 口c 邮j 角速度和平均自由度可以通过在体之间的运动约束定义。处理系统包含g 个约束 m 刚体的系统，独立广义坐标的自由度总数可以表示为厂= 6 p - q 。 对于多体运动方程的确定，一般用下面两种方法表示建立第二拉格朗日方程 ( s e c o n d 站n dl a g r a n g ee q u a t i o n s ) 和建立牛顿欧拉方程( n e w t o n e u l e re q u a t i o n s ) 。 两种方法的比较示意图如图2 2 所示。 坐标系统 ；l 广燃速度 i ：回 ；囱 l 一一i 分段方法 外力或力矩 力或力矩角 动力守恒 二= 亡= 未知分段力 的消除 ：戥二二 - 一j 垄薹登墨腻心蚴法 图2 2 多体系统运动方程确定的两种方法 2 4s i m p a c k 建模基础 2 4 1s i m p a c k 建模中的基本要素 对于复杂的机械系统进行运动学和动力学分析时需要建立其物理模型，也称为 力学模型1 4 0 1 。多体系统( m b s ) 建模的实质就是将物理模型抽象为主要由物体、铰、 外力( 偶) 和力元4 个要素组成，并具有一定的拓扑构型的系统。 多体系统中的组成构件定义为物体。为使计算过程得到简化，多体系统模型中 物体的定义并不一定与具体工程对象一一对应，它的定义与所研究的目的有关。在 运动学仿真分析中，通常将需要研究其运动特性的零部件定义为物体。而对于静止 不动的零部件则可定义为系统的参考系。其次，定义是物体性质的假定，在计算多 1 2 -i-l l -r 第二章虚拟样机技术及s i m p a c k 软件简介 体系统动力学中，物体区分为刚性体( 刚体) 和柔性体( 柔体) 。刚体和柔体是对 机构构件的模型化，刚体定义为质点间距离保持不变的质点系，柔体定义为考虑质 点间距离变化的质点系。 铰也称为铰接或运动副，在多体系统中经常将物体之间的运动约束定义为铰。 铰约束是运动学约束的一种物理形式。在实际工程对象的多体系统力学模型中，物 体与铰的定义是相关的，即定义了物体，自然就会存在一个相应的铰。 在多体动力学仿真中外部的物体对系统内部物体的作用定义为外力( 偶) 。重 力就是典型的外力。在外力( 偶) 的定义过程中，对于刚性体，力偶的作用效果与 力偶作用点无关，然而对于柔性体，作用效果与力偶作用点有关。这是因为外力( 偶) 对物体的大范围运动和弹性变形均有影响。 在多体系统中物体间的相互作用定义为力元，也称为内力。在实际的工程对象 中，各零部件之间的相互联系，一种是通过运动副( 铰) 实现，另一种则是通过力 的相互作用实现。两者的本质区别是前者通过限制物体的相对运动自由度来约束物 体的连接关系，而后者并没有这种限制。一个模型中各刚体之间的弹簧、减振器等 都可以看作是力元。力元是对系统中弹簧、阻尼器、作动器的抽象当刚体之间的 相对位置、速度等发生变化时，力元会在相邻的刚体上施加一定的力或力矩，力或 力矩的大小与力元的特性有关，例如弹簧的刚度。 在s i m p a c k 以及其他的多体动力学软件，如m s c a d a m s ，d a d s 等，建立的 模型中除了上述的四个基本要素以外，还包含了以下的基本要素： 系统参考坐标系，也称为惯性坐标系或参考框架( r e f e r e n c ef r a m e ) ，刚体的绝对 运动量都是相对惯性坐标系来定义的，比如对于铁道车辆进行动力学建模，惯性坐 标系就可以设定在大地上不动的坐标系，同刚体一样，在惯性坐标系上也可以定义 各种各样的标记( m a r k e r ) 。定义这些标记时，点的坐标是相对于系统坐标而言，也可 以在该坐标系上定义移动标记( m o v em a r k e r ) ，这些移动标记的移动可以和某些刚体 的运动有关。 标记( m a r k e r ) l l l j - - 些特定的点，例如弹簧两端必须连接在两个特定的点上，而这 两个特定的点又必须位于不同的刚体，这样就需要在这些刚体上特定的位置定义标 记。因此标记必须是与某个刚体有关，或与惯性坐标系有关。 对系统中某机械的运动或机械之间的相对运动所施加的限制称为约束。约束分 为运动学约束和驱动约束，运动学约束一般是系统中运动副约束的代数形式，而驱 动约束则是施加于机械上或机械之间的附加驱动运动条件。 2 4 2 拓扑图 拓扑结构是多体系统中的一个基本概念，也是m b s 建模十分重要的前提工作。 青岛大学硕士学位论文 多体系统各个物体之间的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑。画拓扑图是建 立s i m p a c k 模型重要的前期工作，拓扑图的好坏不仅牵涉到模型建立的正确与否， 而且关系到模型规模的大小和复杂程度。在画s i m p a c k 模型的拓扑图时需要考虑两 个问题：首先需要将物理模型逐步分解成m b s 单元的基本要素形式，包括体、铰、 约束、力元等；其次针对多体动力学模型的建模可能性进行拓扑划分，便于优化所 建的模型规模。在评估闭环系统拓扑结构好坏时，主要以一个标准作为评判，就是 要求系统的总自由度数和一阶状态数量尽可能最小。 为了进一步介绍多体系统的拓扑图结构，定义的一些简单拓扑图示意符号如表 2 1 所示。 表2 is i m p a c k 拓扑图中的拓扑示意符号 名称英文表达示意符号注释 参考框架 r e f e r e n c ef r a m e 惯性坐标系 体b o d i c sl 埘体的名字 铰j o i n t 刊0 - 儡肛肛彤藏示铰的6 个自由度 口 约束 c o n s t r