（车辆工程专业论文）装备半主动悬架的整车虚拟样机协同仿真研究.pdf

甄北工业大学硕 ：论文摘要 摘要 随着高速公路的发展，汽车的速度越来越高，人们对汽车整体性能的要求也 在不断提高。悬架系统对汽车整车行驶性能( 如行驶平顺性、操纵稳定性等) 有举 足轻重的影响。传统汽车悬架由于不能同时满足平顺性和操纵稳定性的要求，针 对主半主动悬架的研究变得越来越迫切。 本文采用a d a m s c a r 和m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真方法，分别对装备被动悬 架、天棚阻尼控制半主动悬架和模糊天棚阻尼控制半主动悬架整车的平顺性和操 纵稳定性进行了分析。在a d a m s c a r 环境中建立了装备可控悬架的整车虚拟样机 模型；给出了模糊控制性能评估表，将模糊控制和天棚阻尼控制策略相结合，并 利用m a t l a b s i m u l i n k 建立半主动悬架控制器模型。联合a d a m s c a r 中建立的整 车虚拟样机模型和m a t l a b s i m u l i n k 中建立的控制器模型进行了仿真。 仿真结果表明，装备了半主动悬架的整车平顺性和操纵稳定性均比采用被动 悬架的性能要好。联合仿真避免了建立整车动力学方程及推导传递函数，为复杂 机械系统的控制与仿真提供了新思路。同时，采用虚拟样机协同设计、调试和试 验的方法，同传统的设计方法相比有明显的优势，可以大大地提高设计效率，缩 短开发周期，降低开发产品的成本，获得优化的系统整体性能。 关键词：汽车，半主动悬架，模糊控制，天棚控制，虚拟样机，协同仿真 西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a y t h es p e e do fv e h i c l ei sb e c o m i n gh i g h e r a n dh i g h e r ，a n dp e o p l e sr e q u i r e m e n t sf o rt h e i n t e g r a t e dp e r f o r m a n c eo f v e h i c l e sh a si n c r e a s e d s u s p e n s i o ns y s t e m sh a v eac l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h e r i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo f v e h i c l e s t r a d i t i o n a ls u s p e n s i o n sc a l l n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rr i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya tt h e s a m et i m e t h es t u d yo na c t i v e s e m i a c t i v es u s p e n s i o ni sb e c o m i n gm o r ea n d m o r eu r g e n t b a s e do nt h ec o - s i m u l a t i o nm e t h o dw i t ha d a m s c a ra n d m a t l a b s i m u l i n k ，t h ep a p e ra n a l y s e st h er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n ga n d s t a b i l i t yo fw h o l ev e h i c l e ，w h i c hi sr e s p e c t i v e l ye q u i p p e dw i t hp a s s i v e s u s p e n s i o n ，s k y - h o o kc o n t r o l l e ds e m i a c t i v es u s p e n s i o na n df u z z ys k y h o o k c o n t r o l l e ds e m i a c t i v es u s p e n s i o n v i r t u a lp r o t o t y p em o d e l sf u r n i s h e dw i t h c o n t r o l l e ds u s p e n s i o na r ee s t a b l i s h e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fa d a m s i n a d d i t i o n ，t h ec o n t r o l l e rm o d e l so fs e m i a c t i v es u s p e n s i o na r es e tu pu s i n g m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ea n ds i m u l m i o n sa r ed o n e t h er e s u l t ss h o wt h er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fs e m i - a c t i v e s u s p e n s i o ni sb e a e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a ls u s p e n s i o n t h ec o s i m u l a t i o n m e t h o d ，w h e r en oc o m p l e xd y n a m i ce q u m i o na n dt r a n s f e rf u n c t i o ni sn e e d e d ， o f f e r san e wa p p r o a c ht oc o n t r o la n ds i m u l a t i o no fc o m p l i c a t e dm e c h a n i s m a t t h es a m et i m e ，c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e a n so fd e s i g n ，i ti sm u c h u s e f u lt oa s s i s t d e s i g n i n g ，a d j u s t i n g a n d t e s t i n g v i av i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o l o g y t h i sm e a n sc a nh i 【g h l ye n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n ，d e c r e a s e t h ed e v e l o p i n gp e r i o d s ，c u td o w nt h ec o s to fd e v e l o p i n gp r o d u c t sa n da c q u i r e t h eo p t i m i z e di n t e g r a t e dp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ，f u z z yc o n t r o l ，s k y - h o o kc o n t r o l ， v i r t u a lp r o t o t y p e ，c o - s i m u l a t e i i 诎北工业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 随着社会的发展和文明的进步，汽车作为一种交通工具，已成为人们出 行的主要选择，汽车的乘坐安全性、舒适性已成为世人关注的焦点。 轿车作为高速客运载体，其运行品质的好坏直接影响到人的生命安全，因此， 与乘坐安全性、舒适性密切相关的轿车的动力学性能的研究就显得非常重要。 1 1 多体系统动力学概述 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。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 统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。 它是经典力学与计算机相结合发展起来的，并结合了运动生物力学、航天器控制、 车辆设计、机械动力学等学科，是一门具有广泛用途的新兴力学分支。 在车辆、机器人、航天器、高速机构、精密机械等复杂系统中，系统的研究 面临两大问题。一类是涉及这些复杂系统的结构强度分析。近年来，由于计算结 构力学的理论与计算方法的研究不断深入，加之f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 有 限元分析应用软件系统的成功开发并应用于工程结构的计算机辅助分析，因而大 大缩短了新产品的开发与设计的周期。另一类问题是要解决这类复杂系统的运动 学、动力学与控制的性态问题。这类系统的特征是系统的各部件存在大范围的相 对运动，这些部件相互连接方式的拓扑与约束形式多种多样，受力的情况除t # b 力与系统各部件的相互作用外，还可能存在复杂的控制环节，其共性是系统由于 存在相对运动的多个物体组成，故称为多体系统。随着工业技术发展的需要，多 体系统的构型越来越复杂，规模越来越庞大。在运动学、动力学与控制性态的分 析与优化中，如何面对不同的拓扑、不同的约束、不同的受力与控制环节的多体 系统，建立通用的程式化的动力学模型，研究处理这些数学模型的计算方法，开 发处理多体系统动力学通用的软件系统，充分利用计算机的潜能是解决上述难题 的唯一途径。 多体系统动力学始于二十世纪六十年代。为了解决当时宇宙和机械领域的工 程问题，美国、德国和前苏联的一些学者开始了多刚体动力学的研究，到了六十 年代末七十年代初，他们就提出了各自较为系统的理论和方法，一些多刚体系统 动力学分析软件也相继问世“3 。二十世纪八十年代的中后期多柔体系统动力学 一直是研究热点并且飞速发展，到目前为止，许多大型通用多体系统动力学软件 两北工业大学硕士论文第一章绪论 ( 如：a d a m s 、d a d s 、i v i e d y n a 、d i s c o s 等) 都包括了刚体和柔性体的分 析功能。 1 2 多体动力学在车辆动力学研究中的应用 在研究汽车的诸多行驶性能中，汽车动力学建模、分析与求解始终是一个关 键性问题”1 。汽车本身是一个复杂的多体系统，而且它的工作隋况、使用环境复 杂多变，这给汽车动力学研究带来了很大困难。同时由于理论方法和计算手段的 限制，该学科领域曾一度发展较为缓慢，主要原因之一就是无法有效地处理复杂 外界载荷作用下多自山度模型的建立和求解问题。因此，在许多实际研究中，不 得不把模型简化：二自由度1 4 车体模型、四自由度1 2 车体模型、七自由度整 车模型等，以便使用古典力学的方法求解，这种做法在很大程度上推动了汽车动 力学的发展，但也由于模型过于简化而导致汽车的许多重要的动力学特性无法得 到精确的分析。 随着计算机技术的迅猛发展，加快了多体动力学的发展步伐，为汽车动力学 研究提供了一个方便快捷的手段。汽车动力学研究的力学模型逐渐由线性数学模 型发展到非线性多体系统模型。模型的自由度数由二个发展到数十个，甚至到数 百上千个。动力学仿真计算也由稳态响应特性的计算发展到瞬态响应特性等计算。 到2 0 世纪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类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车 系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。8 0 年代中期是多体动力学对汽车动力学 研究推动最快的时期。国外各主要汽车生产企业和研究机构，如f o r d 、g m 、b m w 、 a u d i 和v o l v o 等汽车公司的产品研发部门都安装使用了大量的多体系统动力学分 析软件，并与有限元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了一个整体，同 时集成了这些汽车公司在汽车设计、开发等方面的经验，逐步形成整车设计软件 包，在汽车设计开发中发挥了重要作用”1 。 国内采用多体动力学研究汽车动力学的工作虽然起步较晚，但发展还是较快 的。从8 0 年代中后期丌始，我国的部分高校相继将多刚体系统动力学方法引入到 汽车运动学和动力学研究中，研究领域也从最初的刚体系统的运动学研究扩展到 包含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国的汽车制造企业在 开发具有自主知识产权的汽车中起到了指导性作用。 从整个汽车计算机辅助工程的角度来看，基于多体动力学的汽车多体系统分 析软件可完成三项任务： ( 1 ) 对原始设计的汽车系统进行性能预测； ( 2 ) 对已有的汽车系统进行仿真分析、性能测试评估： 西北工业大学硕士论文第一章绪论 ( 3 ) 对原有的汽车设计进行结构和性能参数改进以及性能完善。 多体系统动力学分析软件的分析范围包括：静态分析、准静态分析、运动分 析、动态分析、优化设计与灵敏度分析等。此外，还可以利用多体系统动力学软 件集成相关的c a d c a m ，c a e 软件，真正实现汽车的虚拟样机设计与制造。 1 3 车辆动力学研究现状及其研究方法 汽车动力学主要研究汽车受力和汽车运动关系，并找出汽车性能的内在联系 和规律”1 。汽车动力学的发展与分析力学、材料力学、结构力学等学科的发展密 不可分。近年来，随着计算机技术的飞速发展，一些与计算机技术紧密结合的学 科在工程上得到广泛应用，从而推动了汽车动力学研究的发展。 汽车动力学研究的初期，局限于当时的研究水平与研究手段，一般以汽车某 单一的性能或零部件为对象，理想环境下，研究汽车的作用力与运动的关系。较 著名的研究著作为前苏联学者曲达可夫撰写的汽车理论“1 。当汽车动力学研 究范围扩展到分析汽车在各种工况下的动力学特性以及由局部到整体地对汽车与 使用条件作系统研究时，标志着汽车动力学学科走向成熟。最具有代表性的论著 是德国学者米奇克所著的汽车动力学”1 。在近几年内，计算机技术的发展对 汽车动力学研究产生了巨大影响，改变了人们研究汽车动力学的手段。各种力学、 数学研究成果，特别是以数字模拟技术为基础的研究方法，正逐步成为汽车动力 学研究方法的主流。 汽车模型可以分为物理模型和动力学模型。人们研究汽车动力学，首先必须 建立其动力学模型。物理模型的研究方法就是建立与实物的物哩本质相同，仅在 形状和尺寸上存在一定差别的物理系统，通过各种试验手段，准确测试物理系统 的性能和各种参数之间的关系，得到系统模型及各种性能。该方法具有直观和较 高的可信度等特点，并可以观察到研究对象的物理性能。其不足也很明显，如： 一些试验无法实现或不便于进行；一些试验受到试验手段的限制，误差较大；还 有一些试验成本昂贵。数学模型研究方法就是对汽车使用的物理过程建立数学模 型，所谓的数学模型也就是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。采用数学模型研究汽车动力学，具有研究方 法多样的优点。对于同一对象，不同的研究人员可以建立不同的数学模型。究竟 采用何种数学模型取决于研究对象、研究目的和研究人员的学识与经验。数学模 型研究方法的特点是模型高度抽象，但在实物与模型问存在者很强的相似性。其 优点是研究方法多样，研究成本小、周期短。不足之处是研究结果受模型的简化、 模型参数的影响较大，对研究人员的要求较高”1 。 近年来，计算机技术的发展以及应用软件的开发对汽车动力学研究产生了巨 西j l 2 ：业大学硕士论文 第一章绪论 大影响，改变了人们研究汽车动力学的手段。各种力学、数学研究成果，特别是 以数字模拟技术为基础的虚拟样机研究方法，正逐步成为汽车动力学研究方法的 主流。多体系统动力学分析软件( 如a d a m s ，d a d s ) 的应用，使复杂的车辆 模型得到了明确的表达和方便的求解。而在此之前，用人工求解这样复杂的模型 方程是不可想象的。 汽车动力学模型经历了从简单到复杂，从少自由度到多自由度，从模拟计算 到数字仿真的发展过程，并朝着通用性、高效性和精确性的方面发展。一方面， 由多刚体系统动力学向多柔体系统动力学发展。由于汽车系统中的弹性元件如横 向稳定杆和橡胶元件等对运动特性以及整车的平顺性和操纵稳定性有重要影响， 为更准确地描述系统特性，对汽车系统中的弹性元件运用有限元方法建立模型， 然后把它作为一个刚体插入到多体系统( m b s ) 代码中，建立刚体和弹性体的耦合 模型。另一方面，由传统的机械系统、控制系统分开分析向机械系统与控制系统 联合分析方式发展o ，。 在传统的设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系 统，但是他们各自都需建立一个模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系 统和控制系统进行独立的设计、调试和试验。最后建造个物理样机进行机械 系统和控制系统的联合调试。如果发现问题，机械工程师和控制工程师又需要回 到各自的模型中，修改机械系统和控制系统，然后再进行物理样机联合调试。 将机械系统与控制系统相结合，机械工程师和控制工程师可以共同享用一个 样机模型，进行设计、调试和试验。可以利用虚拟样机模型对机械系统和控制系 统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和 调试。 显然，利用虚拟样机技术进行联合设计、调试和试验的方法，同传统的设计 方法相比有明显的优势，可以大大提高设计效率，缩短开发周期，降低产品的开 发成本，同时获得更优化的系统整体性能。 1 4 本文的研究意义 悬架系统是汽车的一个重要组成部分，它连接车身( 车架) 和车轮( 车桥) ， 主要由弹簧( 如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等) 、减振器和导向机构三部分 组成。它能缓冲和吸收来自车轮的振动，传递车轮与路面的驱动力和制动力，还 能在汽车转向时承受来自车身的侧倾力，在汽车起动和制动时抑制车身的俯仰和 点头。悬架系统是提高车辆平顺性( 乘坐舒适性) 和安全性( 操作稳定性) 、减 少动载荷引起零部件损坏的关键。一个好的悬架系统不仅要能改善汽车的舒适性， 同时也要保证汽车的安全性，而提高汽车的舒适性必须限制汽车车身的加速度， 4 西北工业久学硕士论文第一章绪论 这就需要悬架有足够的变形吸收来自路面的作用力；然而，为了保证汽车的安全 性，悬架的变形又必须限制在一个很小的范围内。为了改善悬架性能必须协调舒 适性和操纵稳定性之间的矛盾，而这个矛盾只有通过采用折衷的控制策略才能合 理解决。因此，研究汽车振动、设计新型智能悬架系统、将振动控制到最低水平 是提高现代汽车性能的重要措施。 目前，汽车的悬架可分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架三种类型。被动 悬架是根据汽车的综合性能要求，针对特定的路面状况和汽车运行状况进行设计 的，系统振动特性固定不变。主动悬架是采用有源可控元件组成的一个闭环或开 环的控制系统，根据车辆的运动状态及外部输入( 如路面激励) 做出反应，以改 善车辆行驶性能，使其达到最佳状态。半主动悬架介于主动悬架和被动悬架之间， 悬架的减振方式和工作方式与被动悬架相近，所不同的是，悬架参数可在一定范 围内进行实时调节，可以在一定范围内对执行元件的阻尼系数或者刚度系数进行 调节，从而获得最佳的悬架综合性能。被动悬架出于无需输入外部能量且结构简 单等优点而获得广泛应用，但它是一种机械式悬架，大多数是由弹簧和减振器组 成，传统的被动悬架由于弹性元件和减振器参数不能改变，因而不能同时使汽车 具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。事实证明，对于随机的路面激励，被动悬 架系统不但不能同时兼顾汽车的行驶舒适性和操纵稳定性，甚至仅仅连平顺性也 无法保证。而以实时控制为目的、同时兼顾平顺性和操纵稳定性的主动悬架系统， 由于具有自己的控制能源，能根据检测到的环境与车体状况，主动地调整和产生 所需的阻尼力，从而可使平顺性和操纵稳定性同时得到改善。但是，主动悬架的 元件都比较昂贵，工作时又需要大量的能量，而且还使得整车质量增加。主动悬 架的高成本和高能耗使得主动悬架不能大规模批量生产。半主动悬架以控制阻尼 为主，因此成本和能耗比主动悬架要低得多。综台考虑性能和成本的因素，半主 动悬架的性价比最高的，是今后悬架系统的主要发展方向。研究性能可靠、调节 方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略将是半主动悬架走向大众的必 由之路“。因此，本文研究是针对具有普遍通用性的半主动悬架系统及其控制策 略开展的。 1 5 半主动悬架的国内外研究现状 目前，汽车半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼方面，即将阻尼可 调减振器作为执行机构，通过传感器检测到的汽车行驶状况和道路条件的变化以 及车身的加速度，由e c u 根据控制策略发出脉冲控制信号，实现对减振器阻尼的 有级可调或无级可调。 有级可调减振器阻尼可在2 3 档之间快速切换，切换时间通常为1 0 2 0 m s 。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在 最大、中等或最小之间进行有级调节。有级可调减振器通过减振器项部的电机控 制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可 调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变 化方面有一定的局限性。无级可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：节 流孔径调节，通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面 积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的 主要问题是：节流阀结构复杂，制造成本高；减振液粘性调节，使用粘性连续 可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体，从而实现阻尼无级变化。电流变液 体在外加电场作用下，其流变材料性能，如剪切强度、表观粘度等会发生显著的 变化，将这种电流变液体装入减振器，并在内外筒之问加上电场，通过改变电场 强度，使电流变液体的粘度改变，从而改变减振器的阻尼力。 由于电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节 流阀，结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂 的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但电流变液体存在 较多问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中 固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降，稳定性差，对杂质敏感， 难以适应电流变减振器长期稳定工作的需要。电流变减振器，国外已有一些产品 问世。如德国b a y e r 公司的商业电流变液与电流变减振器、美国l o r d 公司的几种电 流变减振器等。 磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。 将磁流变液体装入磁流变减振器，通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼 的连续、无级可调。磁流变减振器具有电流变减振器同样的特点，响应比电流变 减振器要慢，主要是磁流变液体的磁化和退磁需要时间。磁流变减振器通常采用 活塞缸结构，磁流变液的通路由位于活塞上的阻尼孔或单独的旁路构成，在磁流 变液的通路上施加磁场。按结构可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构。 在磁流变液和器件的开发方面，美国l o r d 公司、福特公司，德国b a s f 等纷纷投入 巨资，已有商业磁流变液及器件问世。如l o r d 公司开发了商业磁流变液m r x 一 1 2 6 p d ，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅 半主动悬架减振系统。磁流变减振器存在的问题是响应时间较长，结构比较笨重， 流变性能和稳定性还需改进1 “3 。 可控悬架的研究集中在两个方面，一方面是作动器的研究，另一方面是作动 器控制策略的研究。最早提出的天棚阻尼半主动悬架控制原理是假设在车身上方 有一固定不动的天棚，在天棚与车身之间有一天棚阻尼器。但是天棚原理只解决 了舒适性的问题，没有很好地解决汽车操纵稳定性问题，后来又提出了改进的天 西北工业人学硕士论文第一章绪论 棚原理算法。随着现代控制理论的发展，又提出了主，半主动悬架的最优控制方法， 它比天棚原理考虑了更多的变量，控制效果更好，目莳最优控制规律有三种： 线性最优控制；h m 最优控制；最优预见控制。刘少军等应用线性最优控制 和最优预见控制对由高速o n o f f 阀操作的主动悬架系统进行了设计和实验研 究，结果比较令人满意“。由于实际悬架系统中有许多非线性的、时变的高阶动 力系统，使最优控制方法变得不稳定，为此又发展了自适应控制方法。自适应控 制方法具有参数识别功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参 数，保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参数自适应控制和 自校正控制3 类。俞凡、郭孔辉等对自适应主动悬架对车辆性能的改进作了研究。 目前发展最迅速的控制策略是智能控制( 模糊控制、神经网络控制等) 。模糊控制 方法具有自动调节输人变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能， 计算机仿真结果表明该方法更有效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度 并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学习适应性和并行处理，研究表明 它比传统控制有更好的性能。丁科等在车辆主动悬架的神经网络模糊控制一 文中设计了神经网络模糊控制器，研究表明该控制器比传统的p i d 控制器明显优 越，能更好地发挥主动悬架的优点”“。 总之，半主动悬架控制方法较多，各种方法均有利弊，综合应用各种方法开 发系统控制器是未来的发展方向。从文献分析看，基本都是基于天棚阻尼控制理 论、模糊控制理论或自适应控制理论为主的复合控制策略。本文将采用模糊控制 原理与天棚阻尼控制理论相结合的控制策略对半主动悬架进行控制“。 汽车是一个复杂的多体系统，在对装备可控悬架的车辆研究过程中，针对不 同的目的，人们采用了各种不同的简化模型：i 4 车体2 自由度模型由于结构简单， 能够反映悬架的主要性能，从而得到广泛的应用。但是只能袭征车身的质心垂直 方向的加速度和速度的变化；1 2 车体4 自由度模型既能表征车身的质, b ；b h 速度和 速度的变化，又能表征车身绕其质心轴的俯仰角度和角速度的变化，结构也不太 复杂，因而也得到较为广泛的应用；也有人建立了装备可控悬架的整车七自由度 模型，包括了汽车的垂直运动、纵向运动、侧倾和俯仰运动。这些工作大多是在 m a t l a b 中完成的，由于各动力学模型都是经过简化、抽象得到数学模型，因此 不能全面的反应汽车的整体性能，而且对于整车动力学方程的推导是个相当复杂 的过程，精确度也不高。运用多种软件相结合的虚拟样机协同仿真技术越来越受 到人们的关注，其中以a d a m s 和m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真为代表。联合仿真不 仅可以在a d a m s 机械系统模型上实现复杂的控制策略，而且可以直接从a d a m s 机械多体系统生成仿真模型，避免了建立整车动力学模型及推导传递函数，大大 简化了仿真建模过程“。 曲北：业大学硕士论文第一章绪论 1 6 本文研究的主要内容 本文以多体系统动力学为理论依据，以a d a m s c a r 为手段，结合某轿车参数， 在a d a m s 胁环境中建立了装各可控悬架的整车多体系统虚拟样机模型，将生成 的a d s m s 机械模型导入m a t l a t b 中，通过m a t l a b s i m u l i n k 对装备可控悬架的 整车虚拟样机进行控制。具体工作如下： ( 1 ) 建立装备可控悬架的整车虚拟样机模型。根据某轿车的实际参数在 a d a m s c a r 环境中建立装备可控悬架的整车多体系统虚拟样机模型，并设置悬架 阻尼系统的输入和整车的输出量； ( 2 ) 设计作用于整车的半主动悬架的控制器模型。对半主动悬架的控制策 略进行了一定研究，将模糊控制理论引入天棚阻尼控制方法中。在前人的成果基 础上利用m a t l a b s i m u l i n k 设计了两个对整车进行控制的悬架控制器，即一般 天棚阻尼整车控制器和模糊天棚阻尼控制器。 ( 3 ) 利用a d a m s 和m a t l a b s i m u l i n k 进行虚拟样机整车动力学联合仿 真，分别对装备不同悬架( 被动悬架、天棚阻尼悬架、模糊天棚阻尼悬架) 整车 的平顺性和操纵稳定性进行分析： ( 4 ) 对仿真结果进行分析，进而对所建立的整车虚拟样机模型和控制模型 进行适当的修改和优化。 ( 5 ) 对整个研究过程进行总结，归纳研究方案的优缺点。 西北工业大学硕士论文第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 本研究采用美国m d i 公司开发的机械系统动力学仿真软件a d a m s 作为建模 工具，该软件不仅是世界上市场占有率最高的机械系统仿真软件，还是世界最热 门的研究方向虚拟样机技术的主要代表。它使用交互式图形环境和部件库、 约束库、用堆积式方法建立三维机械系统参数化模型并通过对其运动性能的仿真 分析和比较来研究“虚拟样机”的可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估计 机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。总 之，a d a m s 软件是一个功能强大的m c a e 软件，它提供了一个直观的、功能强大 的建立、分析汽车系统的途径。下面就涉及到本文研究的理论基础进行阐述。 2 1 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et 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，在计算机上建造出产品的整体模型，并且根据产品未来投入使用的 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“。它是当前设计制造领域的一门新技术，涉及多体系统动力学、 计算方法与软件工程等学科。在机械工程中又称为机械系统动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e 】 技术。工程师在计算机上建立样机模型系统，使用计算机软件工具进行系统静力 学、运动学和动力学仿真、分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传 统的物理样机试验。运用虚拟样机技术，摆脱了传统的设计试制试验一 一修正试制这样一个反复循环的设计方法，大大简化产品的设计开发过程， 大幅度缩短产品开发周期，减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高 产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学，其核心是利用计 算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件 在任意时刻的位置、速度和加速度，通过求解代数方程组来确定引起系统及其各 构件运动所需的作用力及其反作用力。同时，虚拟样机技术融合了许多相关技术， 包括几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术、有限元分析f l e a ) 软件和技 术、模拟各种作用力的软件编程技术、利用试验装置的试验结果进行某些构件的 建模、控制系统设计与分析软件和技术、优化分析软件和技术“”。 9 西北工业大学硕十论文第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 目前，基于虚拟样机技术的商业软件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 f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 己得到全世界各行各业的认可。它是专门对机械系统进行运 动学、动力学分析和仿真的软件。利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学 模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。能 够帮助用户更好的理解系统的运动，解释子系统或整个产品的设计特性，比较多 种设计方案之问的工作性能差异，精确预测载荷变化，计算其运动轨迹、速度和 加速度分布图等。将多体动力学建模方法与大位移、非线性分析求解功t t n 结合， 并且提供与其他c a e 软件如有限元分析软件a n s y s 等的集成接口。近些年 a d a m s 还提供了诸如c a r ，e n g i n e ，t i r e 等专业应用模块。现在，a d a m s 己广 泛应用于汽车行业、航空航天、国防工业、机电行业、铁路车辆制造、通用机械 制造甚至生物力学和人机工程学领域。在汽车工业中，a d a m s 己成为机械系统 动力学仿真的标准软件，所提供的a d a m s c a r ，a d a m s e n g i n e ， a d a m s c h a s s i s ，a d a m s d r i v e l i n e ，a d a m s d r i v e r ，a d a m s t i r e ，s u s p e n s i o n d e s i g n 等汽车专业模块，能够帮助汽车工程师快速创建高精度的参数化数字样机 和汽车的运动学、动力学仿真模型，进行汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全 性和制动性等整车性能仿真分析。北美、欧洲和亚洲的绝大多数汽车制造商和零 部件、轮胎供应商都广泛地使用该软件。本文工作正是基于此软件，对装备可控 悬架的整车虚拟样机仿真进行一些探讨。 2 2 a d a m s 多刚体系统动力学理论。“” 2 2 1 a d a m s 多刚体坐标系统 a d a m s 中定义了三种坐标系统，分别是： ( 1 ) 地面坐标系( g r o u n dc o o r d i n a t es y s t e m ) 固定于地面( g r o u n dp a r t ) 是系统的绝对坐标系。a d a m s 中所有刚体( 部件) 都相对于地面坐标确定其位置和方向。 ( 2 ) 局部参考坐标系( l o c a lp a r tr e f e r e n c ef r a m e ，l p r f ) 每个部件有一个局部参考坐标系l p r f ，其位置和方向相对于地面坐标系定 义，这个坐标系固定在构件上并随部件运动。 ( 3 ) 标记坐标系( m a r k e r l 标记坐标系是为了简化建模和分析在构件上设立的辅助坐标系，有两种类型： 固定标记和浮动标记。固定标记固定在构件上，并随构件运动。固定标记可以用 来定义部件的形状、质心位置、作用力和反作用力的作用点、部件之间的连接位 西北工业大学硕士论文第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 置等。浮动标记相对于部件运动，一些力和约束在a d a m s 中有浮动标记来确定 其作用力，力和约束自动标明浮动标记的位置和方向。 2 2 2 a d a m s 多刚体系统组成成分 a d a m s 将多刚体系统分成四个组成部分：部件( p a r t ) 、约束( c o n s t r a i n t ) 、力 ( f o r c e ) 、自定义的代数微分方程( u s e rd e f i n e d a l g e b r a i ca n d d i f f e r e n t i a le q u a t i o n ) 。 分别定义如下： ( 1 ) 部件( p a r t ) 部件是指任何刚体或集总( 中) 质量或柔性体( 不包括梁、衬套) ，在a d a m s 中刚性梁是个部件，而柔性梁是集总质量的集合，a d a m s 为每一个部件列出 6 个一阶动力学方程( 将力和加速度相联系) 和6 个一阶运动学方程( 将位置与 速度相联系) 。 ( 2 ) 约束( c o n s t r a i n t ) 约束在系统中对一个或多个部件运动做出限制。a d a m s 为每个约束列出一 个或多个代数约束方程( 方程数目与其限制的自由度数目相等) 。a d a m s 提供了 多种约束，包括时变( t i m e d e p e n d e n t ) 约束、时不变( t i m e - i n d e p e n d e n t ) 约束、完 整( h o l o n o m i c ) 约束、非完整( n o n h o l o n o m i c ) 约束以及高副约束、低副约束，用户 也可通过子程序来自定义约束。 ( 3 ) 作用力( f o r c e ) 作用力包括两类：体积力( b o d yf o r c e ) 包括重力、电磁力等；接触y | 丁( c o n t a c t f o r c e ) 包括除体积力以外的各种外力。a d a m s 利用已定义的部件和约束自动定义 作用力和反作用力以及惯性力等。对应于每个作用力分量，a d a m s 在动力学方 程中加入一作用力变量，并添加一定义力的代数方程。 ( 4 ) 自定义的代数微分方程( u s e rd e f i n e da l g e b r a i c a n dd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ) 。 对于一些特殊要求，a d a m s 允许用户直接加入所需的代数微分方程。 2 2 3 a d a m s 多刚体的自由度 a d a m s 中的自由度( d o f ) 的计算公式为： d o f = 6 ( 一1 ) 一q i 其中，? 一系统的部件数目( 包括地面) ； n 。，为系统内各约束所限制的自由度数目。 ( 2 1 ) 西北上业大学硕士论文第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 a d a m s 系统中包括一般约束库和基础约束库，一般约束库包括了机械系统 常见约束，如：固定副、平移副、转动副、滑转副、平面副、万向节和球面约束 基础约束库则是一些抽象的约束。 2 2 4 a d a m s 多刚体方程 a d a m s 是用带乘子的第一类拉格朗日方程建立系统的动力学方程，该方法 用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标，整个力学系统的 广义坐标列阵记为q = q r ，g ；，g ： 7 。 a d a m s 根据机械系统的模型，自动建立系统拉格朗日运动方程，对每个刚 体，列出对应于6 个广义坐标带乘子的拉格朗日方程，及相应的约束方程： c 等卜誊+ 蒿。鲁”f ， 协z ， 矿，= 0( i = l ，2 ，m )( 2 3 ) 式中艮一动能，包括平动动能和转动动能； g ，描述系统的广义坐标； 系统的约束方程： f ，在广义坐标方向的广义力； 丑m 1 的拉格朗目乘子列阵。 将上面两式合并，得： n：o(2-4) j 其中( o 未零矩阵) f = f ( q ，4 ，q ，丑，f ) = f ( q ，寸，f ) ， 将动能定义为 x = 三产7 研户+ 上万7 ，酊 22 代入上式，合并成简洁的矩阵形式如下： 心+ 一 = q 式中戈= 扛1 ，戈2 ，矗r p ，：【矿，y ，2 ， f ，。】 ( 2 5 ) 西北工业大学硕士论文第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 m ，q + 分别为系统的6 6 广义质量对角阵和6 1 的广义力列阵。 m = d i a g m l ，m 2 ，m 。】 q = 9 7 ，苡”，q ：7 ，】7 对于上述代数微分方程的求解方法有多种，可将二阶微分方程降阶为一阶微 分方程来求解，或直接对二阶微分方程进行积分求解。a d a m s 采用了前一种方 法，即a d a m s 将所有拉格朗同方程均写成一阶微分方程形式，并引入”= 粤， “ f f1 得： o 一“ = o ( 2 6 ) i yj i 中f = ，( 打，“，g ，丑，) 综上所述，对多刚体系统a d a m s 奖列出以下刚体运动方程。 6 个一阶动力学方程( 将与加速度相联系) 鲁c 筹，一筹+ 喜鬻 一e = 。c 一忍 c z 圳 g = ( x ，y ，z ，咖7 6 个一阶运动学方程( 将位置与速度相联系) ： 一屹= 0 多一n = 0 j 一矿= 0 妒一万。= 0 0 一缸口= 0 驴一万。= 0 ( 2 _ 8 ) 此外还有约束代数方程、外力定义方程和自定义的代数微分方程。 系统的约束方程： 妒( 口，q ，f ) = 0、 l 系统的微分方程：m 珥g ，f ) = 0 ( 2 9 ) i 自定义代数一微分方程：d i f f ( t ， ，口，f ，f ) = 0 j 其中q 为笛卡儿广义坐标，“为广义坐标的微分，则由外力和约束组成，t 为时间。 令y = 【g ，“ 为状态向量，于是系统方程可写为 西北1 二业大学硕士论文第二章a d a m s 虚拟样机技术及理论基础 2 3 a d a m s 模块简介 g ( y ，夕，f ) = 0 a d a m s 作为世界上应用最广且最具有权威性的机械系统动力学仿真软件， 除了三大核心模块( v i e w 、s o l v e r 、p o s t p r o c e s s o r ) 还有许多功能扩展模块、专业 模块、工具箱、接口模块，本文只是用了a d a m s c a r 模块和a d a m s c o n t r o l s 模块，本节就对这两个模块作如下简要介绍。 2 3 1 a d a m s c a r 模块简介 a d a m s c a r 是m d i 公司与a u d i ，b m w ，r e n a u l t 和v o l v o 等公司合作开发 的整车设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验，利用该模块， 工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机( 包括车身、悬架、传动系统、发动 机、转向机构、制动系统等) 并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验 工况下( 例如：天气、道路状况、