（车辆工程专业论文）基于刚柔耦合的整车动力学建模与悬架隔振性能分析.pdf

基于刚柔耦合的整车动力学建模 与悬架隔振性能分析 摘要 本文是结合“国家8 6 3 计划项目子课题一一“整车n v h 控制技术进 行的研究。汽车的n v h 性能，作为重要的法规和竞争指标在当今汽车产品竞 争中变得举足轻重。悬架作为底盘以及整车的一个重要子系统，能够缓和冲击 和吸收来自车轮的能量。悬架系统的几何结构、刚度、阻尼、橡胶衬套等参数 对悬架的隔振性能以及整车的乘坐舒适性有着极其重要的作用。 随着计算机技术和数值分析理论的发展，c a e 技术在现代汽车产品设计中 扮演着越来越重要的角色。为了在汽车隔振设计时充分考虑悬架系统的作用， 本文将有限元方法和多体动力学虚拟样机仿真技术相结合，研究悬架系统结构 特征和力学参数对整车振动的影响。先对组成悬架系统的各主要结构件进行模 态分析，获得其固有振动特性。同时，在虚拟样机软件a d a m s c a r 中建立了 整车的各主要子系统，包括前后悬架、转向、轮胎、车身、动力总成等，并利 用有限元分析生成柔性体的方法，建立了整车刚柔耦合动力学模型，以提高建 模精度。 其次，本文从悬架系统的隔振性能角度考虑，在a d a m s 软件中编写了计 算加权加速度均方根值的函数，对整车模型进行了动力学仿真分析。在此基础 上利用试验优化的方法优化匹配了前后悬架系统的弹簧刚度和减振器阻尼参 数，将匹配结果导入模型进行重新仿真，使得悬架系统的隔振性能得到一定程 度的改善。 最后，针对橡胶衬套的柔性连接作用和作为汽车设计后期少数几个可以修 改的设计参数，利用有限元法分析橡胶衬套的刚度特性，结合d o e 技术对悬架 系统中几个主要橡胶衬套的刚度进行灵敏度分析，对其中影响较大的衬套刚度 进行优化匹配，为改善整车的隔振性能提供指导。 关键词：悬架刚柔耦合动力学建模振动参数匹配 t h em o d e l i n go ff u l lv e h i c l ed y n a m i c sb a s e do n r i g i d - f l e x i b l ec o u p l e dm e t h o da n d a n a l y s i so fs u s p e n s i o nv i b r a t i o ni s o l a t i o n a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nw a ss t u d i e di nt h eb a c k g r o u n do fp r o g r a mo f “v e h i c l en v h c o n t r o l ”，w h i c hi so n es u bp r o g r a mo f “n a t i o n a l8 6 3p r o je c t ”v e h i c l en v h p e r f o r m a n c e ，a sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro fr e g u l a t i o na n df a c t o ro fc o m p e t i t i o n ，h a s b e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n t o d a y s v e h i c l ep r o d u c t s a sam a jo r c o m p o n e n to fv e h i c l e ，t h es u s p e n s i o ns y s t e mc a ne a s et h ei m p a c ta n da b s o r bt h e e n e r g yf r o mt h ew h e e l s t h eg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c s ，s t i f f n e s s ，d a m p i n g ，r u b b e r b u s h i n g so fs u s p e n s i o na r ea l le x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l e si ns u s p e n s i o nv i b r a t i o n i s o l a t i o na n dr i d ec o m f o r to fav e h i c l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn u m e r i ca n a l y s i st h e o r i e s ， c a et e c h n o l o g yp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e ma u t o m o t i v e p r o d u c td e s i g n i no r d e rt oc o n s i d e rt h ec o n t r i b u t i o nf r o ms u s p e n s i o nt ov e h i c l e v i b r a t i o ni s o l a t i o nw h e nd e s i g n i n gav e h i c l e ，t h i sp a p e ru s e df i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dm u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt os t u d yt h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r so fs u s p e n s i o ns y s t e mo nt h ei m p a c to f v e h i c l e v i b r a t i o n f i r s t l y ，n o r m a lm o d ea n a l y s i s o fs o m em a j o rs t r u c t u r a l c o m p o n e n t so fs u s p e n s i o nh a db e e nt a k e ni n o r d e rt oo b t a i nt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c m e a n w h i l e ，w i t ht h ev i r t u a lp r o t o t y p es o f t w a r ea d a m s c a r ，a l l s u b s y s t e m s ，i n c l u d i n gt h ef r o n t r e a rs u s p e n s i o n ，s t e e r i n g ，t i r e s ，b o d y ，p o w e rt r a i n e t c ，w e r ee s t a b l i s h e d a n dt h e no r g a n i z ea l ls u b s y s t e m st ob u i l dar i g i d - f l e x i b l e c o u p l e dd y n a m i c sf u l lv e h i c l em o d e lt oi m p r o v et h em o d e l i n ga c c u r a c y s e c o n d l y ，d y n a m i c ss i m u l a t i o nw a st a k e nt oa n a l y s i st h ev i b r a t i o ni s o l a t i o n p e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o ns y s t e mi nt h i sp a p e r ，a n daf u n c t i o nt oc a l c u l a t et h e r m so fa c c e l e r a t i o nv a l u e sw a sa l s ow r i t t e n o nb a s i so fa b o v e u s i n ge x p e r i m e n t a l o p t i m i z a t i o nm e t h o dt oo p t i m i z e dt h ef r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o ns t i f f n e s sa n d d a m p i n gp a r a m e t e r so ft h es u s p e n s i o ns y s t e m ，w h i c hr e s u l t e di ni m p r o v e m e n to f s u s p e n s i o nv i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y ，c o n s i d e rr u b b e rb u s h i n g st ob et h ef e wp a r a m e t e r sc a nb em o d i f i e d a n dt h e i rf l e x i b l ec o n n e c t i o n f u n c t i o n ，u s i n gt h ef e mt oa n a l y s i ss t i f f n e s s c h a r a c t e r i s t i c so fr u b b e r b u s h i n ga n dm a k i n gs e n s i t i v i t ya n a l y s i s o ft h e i r c o n t r i b u t i o n st ov i b r a t i o n ，t o o p t i m i z et h es t i f f n e s so fs o m ei m p o r t a n tr u b b e r b u s h i n g s ，i no r d e rt op r o v i d eg u i d a n c et oi m p r o v ev e h i c l ev i b r a t i o ni s o l a t i o n k e yw o r d s ：s u s p e n s i o n ；r i g i d f l e x i b l ec o u p l e d ；d y n a m i c sm o d e l i n g ；v i b r a t i o n ； p a r a m e t e r sm a t c h i n g 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 一l5 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 插图清单 麦弗逊式前悬架结构图2 扭转梁式后悬架结构图2 a d a m s 数据流程图一9 柔性体上节点p 的位置1 0 路面不平度激励传递路径图1 4 悬架构件有限元模型1 5 柔性体定义流程图1 9 整车模型建模过程19 整车建模坐标系2 0 麦弗逊式悬架的空间拓扑结构图2 l 前悬架减振器的阻尼力速度曲线2 2 麦弗逊式前悬架模型一2 3 扭转梁式后悬架减振器阻尼力速度曲线2 4 扭转梁式后悬架模型2 4 转向子系统模型一2 5 横向稳定杆模型一2 5 轮胎模型2 6 制动系统模型2 6 车身子系统模型2 7 动力总成子系统模型2 7 整车刚柔耦合模型2 8 a d a m s i n s i g h t 的d o e 分析流程3 6 b 级路面4 0 k m h 3 6 b 级路面6 0 k m h 一3 7 b 级路面8 0 k m h 3 7 b 级路面l0 0 k m h 3 7 d o e 仿真结果图4 0 回归模型检验图4 l 匹配后座椅地板处x 向加速度及加速度功率谱曲线4 2 匹配后座椅地板处y 向加速度及加速度功率谱曲线4 2 匹配后座椅地板处z 向加速度及加速度功率谱曲线4 2 m o o n e y r i v i l i n 模型材料参数输入界面4 6 橡胶衬套示意图4 6 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 15 橡胶衬套模型4 7 加载模型一4 7 分析结果对比4 8 路面激励位移幅值4 9 a d a m s v i b r a t i o n 建模流程4 9 输入输出通道位置示意图5 0 路面激励传递路径5 0 悬架系统与车身结构连接点示意图5 1 座椅处地板加速度响应5 1 刚度阻尼对振动传递的影响5 2 使用衬套连接对系统响应的影响5 2 衬套刚度灵敏度5 3 衬套刚度优化前后加速度功率谱对比5 4 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表3 1 0 表3 1 1 表3 1 2 表3 1 3 表4 一l 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表5 1 表5 2 表格清单 构件材料属性1 5 转向节模态分析结果16 控制臂模态分析结果1 6 副车架模态分析结果1 7 扭转梁模态分析结果1 7 麦弗逊式悬架各部件约束关系2 l 前悬架各部件质量特性参数2 1 前悬架几何参数2 2 扭转梁后悬架的几何参数2 3 扭转梁悬架各部件的质量特性参数2 3 扭转梁与其他部件之间的连接关系2 4 轮胎模型参数2 6 整车参数( 设计载荷下) 2 8 路面不平度8 级分类标准3 0 悬架刚度阻尼参数试验因子的取值范围4 0 匹配前后悬架参数对比4 1 匹配前后加速度均方根值对比( 6 0 k m h ) 一4 3 不同车速下的仿真结果4 3 衬套刚度优化结果5 4 衬套刚度优化后加速度对比5 4 独创性声明 本人声明所毕交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标忠和致谢的地方外，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 佥巴：! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或证伸而使 用过的材料。与我一同i ：作的同。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： 芦硅新 签字日期：五，d 年午月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月墨上些厶堂有关保留、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 授权佥魍：! ：些厶堂 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 5 ) 学位论文者签名： 了专，硅新 签字日期：加f 9 年峰月o 日 学位论文作者毕业后去向： ：r 作单位： 通讯地址： 导师签名： 7 孚乏良 签字日期：d - l o 年厶月，口日 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师陈无畏教授以及课题组王其东教授和方敏 教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在硕士学位论文即将完成之际，我深深 感谢尊敬的老师们为我的成长所倾注的心血。 在我攻读硕士学位的三年时间里，自始至终得到了陈老师的精心指导和热 情关怀。本论文中的每一项研究成果，都凝聚着陈老师的心血。陈老师严谨求 实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉献的工作 精神，时刻感染教育着我，将使我受益终生。在将来的工作和学习中，我将铭 记陈老师的教诲，严格要求自己。 我要感谢我亲爱的父母，正是他们的厚望和无私奉献使我能够全身心地投 入到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力! 感谢祝辉、王檀彬、赵林峰、刘翔宇、秦炜华、何艳则、朱茂飞、夏光、 李芳龙、王琪明、夏云峰、杨军、王景蓉、王磊、王家恩、黄鹤、汪东斌、高 新颖、李键以及格物楼4 1 2 、4 1 0 和1 0 8 的兄弟姐妹们在我的课题研究及论文写 作期间给予我的帮助。在此，祝愿他们生活快乐、事业有成! 最后要感谢机械与汽车工程学院的各位老师在我的硕士研究生阶段给予我 的教导! 感谢所有支持和爱护我的人! 作者：陈晓新 2 0 1 0 年4 月l0 日 第一章绪论 1 1 引言 在当今汽车产品的研发过程中，通常将汽车的性能分解为许多功能，如果这 些功能都达到了设计要求，则整车的性能就能达到所期望的目标。汽车的n v h 性能是汽车产品各主要性能中非常重要的指标之一，并作为重要的法规和竞争 指标在当今汽车产品中变得举足轻重【l 弓j 。从振动传递的观点上看，汽车是一个 由激励源( 发动机、路面不平度和车速等) 、振动传递器( 由悬架系统和连接 件组成) 和振动发生器( 车身) 组成的系统。通常，路面不平度和车速形成了 汽车振动系统的基本“输入，此“输入 经过由轮胎、悬架、座垫等弹性、 阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，得到车身或进一步经座 椅传递至人体的加速度，即汽车振动系统的“输出 【4 】。有研究结果表明，汽 车在不平道路上行驶，所产生的振动是影响汽车的平顺性、操纵稳定性和汽车 零部件寿命的重要因素之一p j 。 悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间的一切连接装置的总称。 为了保证汽车的正常行驶，悬架系统的作用是把路面作用于车轮的各种反力和 力矩都传递到车架( 或承载式车身) 上【6 】。路面不平度是汽车产生振动的主要 激励源之一。因此，作为路面激励传递环节的悬架底盘系统，在降低汽车系统 的振动中扮演着重要的角色。研究悬架结构特征和悬架参数对悬架隔振性能的 影响，对改善汽车的乘坐舒适性具有非常重要的意义。 汽车悬架一般可以分为两大类，独立悬架和非独立悬架。本文所研究的对 象为某款微型轿车，其前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为扭转梁式半独立 悬架。 麦弗逊式悬架也称滑柱连杆式悬架，主要由减振器、螺旋弹簧和三角形控 制臂组成，绝大部分车型的麦式悬架还会加上横向稳定杆。减振器的作用是限 制螺旋弹簧受力时向前、后、左、右运动，迫使弹簧只能进行上下的振动。同 时，悬架的软硬程度及其它性能可以用减振器的行程长短及松紧来调整。该悬 架突出的优点是增大了两前轮内侧的空间，便于发动机和其他一些部件的布置； 其缺点是滑动立柱摩擦和磨损较大。麦弗逊式悬架是目前前置前驱动轿车和某 些轻型客车首选的较好的悬架结构形式1 6 j 。 扭转梁式半独立悬架的结构主要由扭转横梁和纵向摆臂焊接而成，而减振 器和弹簧则分别安装在扭转梁结构的减振器支座和弹簧支座上。其主要的功能 是将两个车轮装在一根整体“车轴”的两端，它的“车轴不是刚性的，而是 具有一定的扭转刚度，因此简单称之为扭转梁。由于扭转梁具有的刚度特性， 可以克服车身侧倾，保持车辆行驶时的平稳。这种形式悬架的优点是结构简单， 左右两侧车轮所占用的空间很少，安装位嚣比较灵活。如果调校得当，可以用 最少的成本和空间达到最好的效果，所以现在的很多的小型车和紧凑型车都采 用这种形式的悬架作为后悬架1 7 - t o 。两种形式悬架的结构图分别如图卜1 和固 卜2 所示。 k 毒矿 囤卜1麦弗逊式前悬颦结构图 扭转借粱 一橡一 图卜2 扭转梁式后悬架结构图 1 2 国内外汽车动力学及悬架研究的历史与现状 回顾车辆动力学的发展过程，国外在这一方面的研究开展的较早。车辆动 力学是近代发展起来的一门新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理论研究，最 早可以追溯到1 0 0 年前。事实上，直到2 0 世纪2 0 年代，人们对车辆行驶中的振动 问题才开始有初步的了解；到2 0 世纪3 0 年代，英国的l a n e h e s t e r 、美国的b r o u l h i e t 开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响 进行了分析。同时，人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。1 9 5 2 年 、r 以后，出现在两自由度操纵模型的基础上，建立了考虑车身侧倾的三自由度操 纵动力学方程；并开始采用随机振动理论对汽车行驶平顺性进行性能预测。 由于汽车系统本身以及外界载荷作用的复杂性，加上人一车一环境的相互作 用，以及理论方法和计算手段的限制，给汽车系统动力学的研究带来了很大的 困难。多体系统动力学的出现，为有效地解决复杂的受力条件下多自由度汽车 分析模型的建立和求解问题提供了有效的途径。上世纪8 0 年代后期，多柔体系 统动力学的理论和方法逐渐在汽车领域得到了应用，这标志着汽车多体系统动 力学向新的层次发展【l 引。进入9 0 年代后，随着计算机的普及与发展，国外开发 了很多基于多体系统动力学理论的机械系统动态仿真分析软件( 如d a d s 和 a d a m s 等) ，可以对汽车悬架系统或整车模型进行快速准确的建模并进行仿 真计算，大大降低了汽车动力学建模的工作量和求解难度。同时，有限元理论 与相关计算软件( 如n a s t r a n 和a n s y s 等) 的成熟，使得多体系统动力学与 结构有限元分析更加紧密地结合起来。汽车的运行，除了各部件的大范围刚体 运动之外，还存在结构件的弹性变形。因此，刚柔耦合的汽车动力学建模，越 来越引起国内外汽车业界的重视。 1 9 9 9 年，奔驰巴西分公司的l c f e r r a r o ，m a f o g a c a 和m u r u r a h y 利用 a d a m s 软件建立了一款中型卡车的动力学模型，包括前后悬架和动力总成等 多个子系统，其中车架部分是通过有限元分析软件n a s t r a n 进行模态分析生 成的柔性体。利用该模型研究相关设计参数的改变对整车行驶舒适性的影响， 并通过试验验证其准确性【l3 1 。 2 0 0 4 年，g f i c h e r a 等人在文献 1 4 】中提出，扭转梁后悬架的结构特征会对 整车行驶性能造成很大影响，从而利用有限元方法与多体动力学分析方法相结 合，建立了扭转梁式后悬架的刚柔耦合动力学模型，同时考虑了扭转梁与车身 连接的橡胶衬套不同刚度对模型的影响。与其他建模方法相比较，提高了模型 的准确性。 2 0 0 6 年，x i a o b oy a n g 等利用a d a m s 软件建立了将车身作为柔性体的整车 刚柔耦合动力学模型，分析了在脉冲激励下，悬架系统中各橡胶衬套对车身、 方向盘和座椅导轨振动响应的影响1 1 5 。 m a k e s h a v a r z ，m b a y a n i 和s h a z a d i 在文献【1 6 】( 2 0 0 9 ) 中，将车身有限 元模型导入a d a m s c a r 模块，建立了整车刚柔耦合动力学模型，通过更改车身 的结构来改变振动传递至车身的频率响应函数，通过在随机路面输入下的整车 仿真，印证修改后的模型能有效地降低传递至车身内部的加速度幅值。 从上述内容可以看出，国外在多体系统动力学理论和实践方面的研究，以 及在汽车工程领域，汽车动力学的研究已经得到较好的推广和应用。我国对汽 车和悬架动力学的研究起步较晚，主要开始于二十世纪六、七十年代。而从八 十年代中后期开始，我国许多著名高等院校和汽车领域的学者，相继将多体系 统动力学方法运用到汽车动力学的研究中。经过不同阶段的发展，从最初的多 刚体系统的整车动力学研究扩展到基于多柔体系统动力学的汽车刚柔耦合动力 学研究。 1 9 9 5 年，吉林工业大学的林逸，王望予等人在汽车工程上发表了一篇 文章，在分析了奥迪l0 0 轿车麦弗逊式前悬架结构特点的基础上，应用多体系统 动力学理论和结构力学的方法，建立了计及导向构件和橡胶铰链弹性变形的悬 架多体系统模型，对该模型进行了计算分析。并进一步探讨了这两类变形元件 对悬架力学特性和汽车平顺性的影响7 。 2 0 0 3 年，王国权，杨文通等使用a d a m s 软件建立了前后悬架、转向系、 动力总成与传动系以及轮胎在内的汽车整车数字化三维模型。根据试验获得的 不同路面等级的功率谱密度函数，设计了相应的路面文件，模拟该车在虚拟路 面上行驶，计算出驾驶员在汽车前进方向、横向、垂直方向的加速度值以及均 方根值，其计算数据与汽车实测结果接近。并根据分析，对悬架的一些结构参 数进行修改。研究结果表明，对于汽车这样的复杂系统，建立详细的数字化虚 拟样机，可以有效地分析其平顺性引。 合肥工业大学的乔明侠( 2 0 0 5 ) 利用a d a m s c a r 建立了7 6 个自由度的某商 务车整车多体动力学模型，在此模型的基础上，分析了汽车的行驶平顺性。通 过试验结果与仿真结果的对比，验证了模型的精确性。同时，利用试验设计的 优化方法，对悬架参数进行了优化分析l l 引。 2 0 0 6 年，吉林大学的马天飞、王登峰使用m s c n a s t r a n 和m s c a d a m s c a r 软件建立某轿车的整车刚柔耦合系统模型，进行整车匀速直线行驶工况下的仿 真，计算得到车身的振动响应和车身、底盘连接点处的传递力，并讨论了整车 刚柔耦合建模的正确性1 2 。 泛亚汽车技术中心有限公司的舒进在文献【2 1 】( 2 0 0 6 ) 中，使用a d a m s 软 件建立了具有扭转梁柔性体部件的整车多体动力学模型，对扭转梁后悬架的静 态特性和整车操稳性进行了仿真分析，通过对比分析仿真数据与试验结果，说 明采用柔性扭转梁的整车模型，能够更好地分析悬架特性及其对整车性能的影 响。 2 0 0 7 年，山东大学的高琦建立了1 2 n 0 柔耦合的车架和悬架系统在随机路面 激励下的数学模型，在同时考虑车架刚体模态和柔性模态情况下，推导整车系 统的频响函数，并且获得路面不平度双激励下的功率谱矩阵，求得频域上的座 椅、车架的垂直加速度频响特性。其分析结论中指出随着车速的增大，座椅处 的振动加剧。在此基础上，以样车座椅前三阶加速度自谱密度峰值为优化目标 函数，对悬架参数进行了优化，改善了样车的行驶平顺性【2 2 1 。 2 0 0 8 年，同济大学机械工程学院的刘晓东、章晓明介绍了一种基于a d a m s 与n a s t r a n 的刚柔耦合体系统动力学仿真方法，论述了多柔体系统动力学的 4 理论基础、柔性体模型的定义方法、系统动力学特性的仿真流程以及相关的仿 真技巧。最后通过一个算例验证了这种方法的有效性1 2 引。 合肥工业大学的骆涛( 2 0 0 8 ) 结合a d a m s c a r 和有限元分析软件n a s t r a n 分别建立了整车多刚体动力学模型和刚柔耦合动力学模型，对两种模型分别进 行整车运动学和平顺性的仿真，将结果进行了比较，说明包含柔性体的刚柔耦 合整车模型能够更好地模拟汽车的实际运行1 2 4 1 。 东南大学机械工程学院的车华军，陈南等( 2 0 0 9 ) 建立了基于虚拟样机软 件a d a m s c a r 的刚柔耦合动力学车辆模型，并通过动力学仿真及试验对比得到 验证；同时，利用试验及仿真结果对该车前悬架的偏频特性进行了分析1 2 引。 1 3 论文的研究背景与内容 研究汽车悬架系统的隔振性能，首先必须建立汽车的动力学模型，根据国 内外对此领域的研究现状分析，加上c a e 技术的推广，目前已经有几种比较成 熟的理论和方法。 多体( m b ) 系统动力学方法。在汽车动力学与汽车振动特性的研究中，多 体系统动力学方法主要应用于转向传动系统、底盘悬架系统等的建模与分析。 它的思想是将实际的复杂系统简化为多个物体通过运动副连接的力学模型进行 动力学分析。 有限元方法( f e m ) 。把连续的弹性体结构划分成有限个单元，在计算机上 建立结构或系统的有限元模型，计算模型的动力学特性。有限元方法是研究汽 车n v h 性能的重要方法，将其与多体系统动力学方法相结合来分析汽车底盘系 统的动力学特性，其建模与分析的准确度也大大提高。 除了以上两种方法外，还有传统的数学建模方法，并借助相应的分析软件， 如m a t l a b s i m u l i n k ，建立较少自由度的整车动力学模型，进而分析汽车的振 动特性。 本文是以某企业与合肥工业大学合作的国家“8 6 3 项目的研究课题为基 础的。本文以机械系统动力学仿真分析软件a d a m s 为平台，进行整车刚柔耦 合动力学的建模与悬架隔振性能的分析。结合课题需要与本文研究重点，本文 将包括以下内容： ( 1 ) 、收集资料，由合作的汽车公司提供该微型轿车整车动力学建模所需 要的基本参数，包括整车及各子系统的物理参数、几何参数和悬架主要结构件 的三维数字模型等，做好建模准备。 ( 2 ) 、对该轿车前悬架系统中的主要结构件( 转向节、控制臂、副车架) 和后悬架系统的结构件( 扭转梁) 进行有限元模态分析，获取各结构件的固有 振动特征，并生成包含各阶模态信息的模态中性文件( m n f ) ，进而生成整 车多体系统动力学模型中的柔性体。 ( 3 ) 、在a d a m s c a r 中建立包括前后悬架、动力总成、转向、制动、车轮、 车身等各个子系统模型，并最终装配成整车的刚柔耦合动力学模型。 ( 4 ) 、在a d a m s 中编写计算加权加速度均方根值的函数，对整车模型进行 动力学仿真分析，在此基础上进行前后悬架弹簧刚度与减振器阻尼参数的优化 匹配，改善整车的低频振动性能。 ( 5 ) 、利用有限元软件分析汽车中起到柔性连接作用的橡胶衬套的刚度特 性。同时，分析悬架对路面中高频段激励的振动传递特性，利用a d a m s 软件 中的d o e 技术，分析悬架中几个主要橡胶衬套对车辆振动影响的灵敏度，对影 响较大的重点衬套刚度进行优化匹配，从而使悬架系统中的橡胶衬套在改善车 辆振动性能中发挥作用。 1 4 论文研究的意义 本论文结合了有限元与多体动力学的方法，建模时考虑了前后悬架系统中 的副车架、扭转梁的弹性变形，建立了某轿车的整车刚柔耦合动力学模型。利 用该模型进行仿真分析更符合车辆实际的运行工况，使得分析可以更准确的指 导产品开发。 充分利用日趋成熟的多体动力学仿真软件a d a m s 各个模块的功能，提高 了虚拟样机技术在汽车产品开发中的应用。基于试验设计技术的悬架参数匹配 研究，使得更多的设计参数能够被合理考虑，可以对实际产品开发中的悬架参 数优化设计起指导作用。 本课题的研究为悬架系统开发及整车振动性能优化总结了c a e 的综合解 决方法，通过在整车样机模型中进行不同工况的仿真，预测产品的性能，从而 改进设计，提高设计质量，大大地缩短开发周期和研发成本，对新产品的设计 与开发具有重要意义。 6 第二章a d a m s 软件介绍与多体系统动力学理论基础 本文在建立整车动力学模型和进行悬架隔振性能的研究中，充分利用机械 系统动力学仿真软件a d a m s 的各个模块和功能。该软件是目前世界上最具权 威性、使用最广的机械系统动力学分析软件。 2 1a d a m s 软件简介1 2 6 j 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 ) ，即机械系统 动力学自动分析，同时也是目前使用最广的机械系统动态分析软件的英文缩写。 它的核心是基于多体系统运动学与动力学建模与求解的理论与技术实现。 运用a d a m s 软件，工程师能够更好地理解机械系统的运动，解释各子系 统或整个产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能，预测精确的载 荷变化过程，获得其运动路径、速度和加速度分布图等。a d a m s 将使用方便 的用户界面与强大的分析求解功能相结合，使该软件得到迅速地推广。目前， 全世界各行各业的数百家主要制造商均采用a d a m s 进行产品的设计开发。 a d a m s 软件总共分为五大部分：核心模块、功能扩展模块、专业模块、 接口模块和工具箱。除了核心模块之为，本文还用到以下几个模块。 ( 1 ) 、轿车专业模块( a d a m s c a r ) a d a m s c a r 是一种基于模板的建模和仿真工具，能够帮助工程师快速建 立高精度的整车虚拟样机，修改各种参数并模拟车辆在不同工况下的运行状态， 动态显示仿真结果，对仿真数据进行科学处理，有助于缩短汽车产品开发的周 期。 ( 2 ) 、试验设计模块( a d a m s i n s i g h t ) a d a m s i n s i g h t 是功能扩展模块，工程师可以规划和完成一系列试验仿真， 从而准确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能，并提供了对 试验结果进行各种专业的统计分析的工具，从而保证得到高品质的设计方案。 ( 3 ) 、振动分析模块( a d a m s v i b r a t i o n ) a d a m s v i b r a t i o n 能够对系统模型在频域上进行强迫振动的分析，以确定、 分析并优化系统的振动性能。实际工程中对系统振动性能的检测过程比较复杂， a d a m s v i b r a t i o n 可以作为虚拟振动检测设备，在虚拟样机的基础上即可实现 对系统的振动研究，降低产品开发成本。 2 2 多体系统动力学理论基础简介 近十几年来，由于计算机硬件和建模软件解算能力的提高，对汽车这样的 复杂系统进行高精度建模和仿真的能力也大大提高。而多体系统动力学的理论， 7 正是为复杂机械系统的结构设计、分析和优化提供了有力的支持。多体动力学 的发展形成了多刚体系统动力学和多柔体系统动力学的两种建模理论与方法。 应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般要经过以下的步骤【2 7 】： ( 1 ) 、实际机械系统简化为多体系统模型； ( 2 ) 、手工或软件自动生成动力学方程； ( 3 ) 、准确的求解动力学方程，分析结果。 2 2 1 多刚体系统动力学的理论基础【2 8 】 2 2 1 1 广义坐标的建立 任何机械系统在进行动态仿真时，每一个时刻，均需给出系统中各部件的 位置、速度和方位。广义坐标就是用来描述部件的位置和方位的。a d a m s 软 件用刚体质心的笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作为每个 刚体的广义坐标，即q ，= 【x ，y ，z ，d ，9 r ，q = i 彳，g 丢i ，n 为刚体的个数。广 义坐标的使用，使得a d a m s 建立的系统动力学方程是高度稀疏耦合的微分代 数方程，其数量也是最大的，可以用稀疏矩阵的方法来进行高效的求解。 2 2 1 2 系统动力学方程的建立 在a d a m s 软件中，主要是采用多刚体系统动力学的拉格朗日数学模型及 算法建立系统的动力学方程： 丢( 等一筹m 心驴q 髀， 完整约束方程时：f ( q ，f ) = 0 非完整约束方程时：g ( q ，口，f ) = 0 式中：q 一广义力列阵；p 一对应于完整约束的拉氏乘子列阵；g 一系统广义 坐标列阵；一对应于非完整约束的拉氏乘子列阵；丁一系统的动能， t = 1 2 m 甜“+ i c o 】，国为广义角速度列阵，西，u 为系统广义速度列 阵，m 为质量列阵，为转动惯量列阵。 为了表达方便，系统动力学方程( 2 - 1 ) 可化为更一般的形式： ff ( q ，u ，西，允，f ) = 0 g ( u ，g ) = u 一口 ( 2 2 ) i妒( g ，f ) = 0 式中：f 一系统力学微分方程；g 一描述广义速度的代数方程列阵；西一描 述约束的代数方程列阵；允一约束反力及作用力列阵。 2 2 1 3 动力学方程的求解 8 图2 1a d a m s 数据流程图 a d a m s 软件求解方程的基本数据流程如图2 1 所示。 根据系统模型的特性，a d a m s 可选择不同的积分算法对动力学微分方程 进行求解：对刚性系统，采用变系数的b d f ( b a c k w a r d sd i f f e r e n t i a t i o n f o r m u l a t i o n ) 刚性积分程序，它是自动变阶、变步长的预估校正法( p e c e ， p r e d i c te v a l u a t ec o r r e c te v a l u a t e ) ，用修正的n e w t o n r a p h s o n 迭代算法进行 每一步积分；对高频系统( h i g h f r e q u e n c i e s ) ，则用坐标分配 ( c o o r d i n a t e - p a r t i t i o n e de q u a t i o n ) 和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 方法。 与之对应，a d a m s s o l v e r 包括了3 个功能强大的求解器： ( 1 ) 、o d e 求解器( 求解微分方程) ，采用刚性积分法。 ( 2 ) 、非线性求解器( 求解代数方程) ，采用了n e w t o n r a p h s o n 迭代算法。 ( 3 ) 、线性求解器( 求解线性方程) ，采用稀疏矩阵技术以提高效率。 2 2 2 多柔体系统动力学理论基础 对于多柔体系统，其建模方法在二十世纪八十年代后逐渐趋于成熟。从计 算多体系统动力学方法研究上看，多柔体系统动力学的数学模型首先应该和结 构动力学与多刚体系统有一定的兼容性。当部件间不存在大范围运动时，即退 化为结构动力学问题。当系统中可以不计柔性体的变形时，即退化为多刚体系 统。其次，由于结构动力学已经发展得相当完善，导出的多柔体系统动力学方 程中应该充分利用该领域的成果与软件的输出信息1 2 引。 2 2 2 1 多柔体系统中的坐标系【3 0 】 图2 - 2 所示为多柔体系统中的坐标系，主要由惯性坐标系( ) 与动坐标 系( p b ) 组成。惯性坐标系不随时间变化，动坐标系则可以相对惯性坐标系进 行有限的移动和转动，是建立在柔性体上描述柔性体运动的坐标系。 9 图2 2柔性体上节点p 的位置 柔性体是不同于刚体的