（车辆工程专业论文）麦弗逊式悬架结构的有限元分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 汽车悬架是现代汽车上的重要总成之一，其结构形式和性能参数的选择 合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。 本文对某微型车的前麦弗逊式悬架进行了运动学仿真分析和横摆臂受力 求解，再对横摆臂进行了静态和模态的有限元分析。主要的研究内容有以下 几点： ( 1 ) 在a d a m s 软件的c a r 模块中，建立了前麦弗逊式悬架系统的仿真模 型。 ( 2 ) 在屈服模式下，对麦弗逊式悬架进行了车轮上、下跳动的运动仿真 分析，得到车轮定位参数的变化曲线。研究了车轮定位对汽车性能的影响关 系，说明了该车定位参数的不合理性，并对其进行了优化，改善了汽车的性 能，继而使得仿真模型更趋于合理。 ( 3 ) 在满足汽车性能的基础上，对麦弗逊式悬架进行动力学仿真，得到 了簧载质量通过衬套对横摆臂的作用力。 ( 4 ) 在p r o e n g i n e e r i n g 软件中，建立了带有复杂曲面的横摆臂几何模 型。 ( 5 ) 在a n s y s 软件中，建立了横摆臂的有限元模型，研究了有限元建模 的合理流程。其中，着重探讨了有限元网格划分的方法和质量控制技术。 ( 6 ) 通过横摆臂有限元模型的静力分析，研究了横摆臂的结构静力特性， 从其变形和应力分布等情况，判断是否能满足汽车结构性能的要求。 ( 7 ) 通过横摆臂有限元模型的模态分析，研究了横摆臂的固有振动特性， 检查其固有频率是否引起汽车的共振。 ( 8 ) 探讨了有限元分析的误差来源，并在运动学分析和有限元分析的基础 上对横摆臂的结构提出了合理性建议，为悬架结构的优化设计提供一种依据。 关键词：麦弗逊式悬架；a d a m s ；有限元分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t v e h i c l es u s p e n s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s s e m b l i e si n m o d e r na u t o m o b i l e s t h es t a n do rf a l lo fc h o s ei ns u s p e n s i o ns t r u c t u r e s t y l ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sh a v ed i r e c ti n f l u e n c ei nv e h i c l er i d e c o m f o r ta n dh a n d li n gs t a b ilit y t h ep a p e rp r o c e s s e dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n sa n dl o w e r c o n t r o l a r m sf o r c es o l u t i o n st ot h ef r o n tm a c p h e r s o ns u s p e n s i o n ，t h e nd i d s t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e sa n dm o d a la n a l y s e s t h em a i n l yw o r k a u t h o rd i dc o n t a i n ： ( 1 ) b u il ts i m u l a t i o nm o d e lo ff r o n tm a c p h e r s o ns u s p e n s i o ns y s t e m i nc a rm o d u l eo fs o f t w a r ea d a m s ( 2 ) w o r k e do u tt h er e s u l tc u r v e so fl o c a l i z e dp a r a m e t e r sd u r i n g u p 。a n d d o w n m o v e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s e so ff r o n t m a c p h e r s o n i n c o m p l i a n tm o d e l r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c er e l a t i o n s h i do fl o c a l i z e d p a r a m e t e r st ov e h i c l ep e r f o r m a n c e ，e x p l a i n e dt h eu n r e a s o n a b l eo ft h e v e h i c l ep a r a m e t e r s ，a n do p t i m i z e dt h el o c a l i z e dp a r a m e t e r s ，i m p r o v e d t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e ，w h i c hl e tt h es i m u l a t i o nm o d e lb em o r e r a t i o n a l ( 3 ) b a s e do nt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e ，p r o c e s s e dm a c p h e r s o n s u s p e n s i o nk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ，w h i c hg o tt h ef o r c eo fb u s ht o lo w e r c o n t r o la r mb ys p r u n gm a s s ( 4 ) b u ii tl o w e r - c o n t r o la r mm o d e lw i t hc o m p l e xs u r f a c ei ns o f t w a r e p r o e n g i n e e r i n g ( 5 ) b u i l tf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f1 0 w e r c o n t r 0 1a r mi ns o f t w a r e a n s y s ，a n dt h e nr e s e a r c h e dt h er e a s o n a b l ef l o wo fb u i i d i n gf i n i t e m o d e li n g ，i nw h i c ht h ea u t h o rd i s c u s s e dt h em e t h o do ff i n i t em e s ha n d t e c h n o l o g yo fm a s sc o n t r 0 1 ( 6 ) r e s e a r c h e dt h es t a t i cs t u r c t u r ec h a r a c t e r i s t i ct h r o u g hs t a t i c a n a l y s e st of i n i t ee l e m e n tm o d e lo fl o w e r c o n t r o la r m ，f r o mw h i c hw e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l l d e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i n gc i r c u m s t a n c e ( 7 )i n v e s t i g a t e dt h el o w e r c o n t r o la r m si n h e r e n c ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dc h e c k e dw h e t h e rt h ei n h e r e n c ef r e q u e n c ya c t i v a t e d t h ev e h i c l er e s o n a n c eb ym o d a la n a l y s e st ot h ef i n i t ee l m e n tm o d e lo f l o w e r c o n t r o la r m ( 8 ) r e s e a r c h e dt h ee r r o rs o u r c ei nf i n i t ea n a l y s e s ，a n db r o u g h t f o r w a r dr e a s o n a b l es u g g e s t i o no fl o w e r - c o n t r o la r m s t r u c t u r eb a s e do n k i n e m a t i c sa n a l y s e sa n df i n i t ea n a l y s e s ，s op r o v i d e da f o u n d a t i o nt o s u s p e n s i o ns t r u c t u r eo p t i m a l d e s i g n k e yw o r d s ：m a c p h e r s o ns u s p e n s i o n ；a d a m s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：王卡 日期- b , og 。 1 - f 指导老师签名：呵叼歹帕 日期：砒舌i 歹 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 通过麦弗逊式悬架的仿真分析，求解横摆臂受力情况，为有限元分 析提供数据，实现了a d a m s 软件和a n s y s 软件的结合。 ( 2 ) 使用弹性材料的变形来模拟衬套的有限运动和球铰链的有限转动。 ( 3 ) 探索了麦弗逊式悬架有限元分析的实现方法、步骤，为以后的工作 提供分析思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景和研究意义 1 1 1 研究背景 汽车悬架是现代汽车上的重要总成之一，主要是传递作用在车轮和车架 ( 或车身) 之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架( 或车身) 的冲击 载荷，衰减由此引起的承载系统的振动以保证汽车平顺地行驶，并改善汽车 操纵稳定性n 1 。同时，汽车悬架做为车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间作连接 的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。悬架结构形式和性能参数 的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影 响。 麦弗逊式悬架是双横臂式悬架的发展，其优点是结构紧凑，减振器活塞 和连杆兼作转向主销，占用空间少，易于在微型轿车上布置，且在车轮跳动 时，前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，但是其结构复杂，成本较 高，为了传递各种力和力矩，需要保证各部件具有足够的强度。传统的计算 方法，则是基于材料力学经典理论，建立悬架各元件的计算模型再进行分析。 这种方法往往带有局限性，模型也常常过于简化，计算也过于粗糙、不很精 确，从而不能确切的反映悬架各元件的力学性能，同时这种传统的方法所耗 周期比较长，不能满足现代工业快速发展的步伐。因此，迫切需要采取新的 方法对其进行深入的分析。 有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) 方法则为解决这些复杂的工程 分析计算问题提供了有效的途径。它的一个独特优点就是可以求解结构形状 和边界条件都相当任意的力学问题，并且有限元通用程序使用方便，计算精 度高，耗费周期较短，故有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，n ! m ) 被广泛采用， 有限元分析已成为汽车设计中的重要环节之一。 国际上早在二十世纪五十年代末、六十年代初就投入大量的人力和物力 开发具有强大功能的有限元分析程序。我国在”九五”计划期间大力推广计算 机辅助技术( c a d ) ，机械行业大中型企业c a d 的普及率从”八五”末的2 0 提 高到目前的7 0 。在工程实践中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：增加设计功能，减 少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用 优化设计，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在 的问题；模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查 找事故原因等位1 。 1 1 2 研究意义 应用有限元法对汽车结构件进行分析，是一项综合性的工作。它包括从 结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型，计算程序的选择或修改， 在计算机上的实施，以及计算前后大量信息数据的处理等这样一个全过程。 这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、变形分布，内力分布， 结构的固有特性( 固有频率和相应的固有振型) 和动态响应。利用这些数据， 就可以对所研究的结构进行相应的分析。这些分析的目的包括1 ： ( 1 ) 进行结构的最优方案设计 在进行机械与汽车的结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限 元法计算。根据对方案计算结果的分析和比较，按强度、刚度和稳定性要求， 对原方案进行修改补充，使能得到较合理的应力、变形分布，并且经济性又 较好，从而得到较好的结构设计方案。 ( 2 ) 分析结构损坏原因，寻找改进途径 当构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨损过大等时，可应用有限元 法进行计算研究结构损坏的原因，找出危险区域和部位，提出改进设计的方 案，并进行相应的计算分析直至找到合理的结构为止。 本课题的研究意义在于分析麦弗逊悬架结构的合理性，得到结构的薄弱 部位，并且提出悬架机构优化的改进设计方案，为悬架结构的进一步分析设 计提供了必要参考数据，具有较好的参考价值和经济价值。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 有限元法的演变至少可以追溯到四十年代初期。在1 9 4 3 年，当时的数学 家r 库朗r c o u r a n t ) 己明确提出过有限元的思想，他第一次尝试应用定义在 三角形区域上的片连续函数的最小位能原理求解s t v e n a n t 扭转问题。然而， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由于条件的限制，当时未得到世人的重视。直到1 9 5 6 年，m j t u r n e r 等发表 了一篇关于结构分析直接刚度法的文章。文中介绍了一种新的计算方法，将 矩阵位移法推广到求解平面应力问题。他们把结构划分成一个个三角形和矩 形的“单元 ，利用单元中近似位移函数，求得单元节点力与节点位移关系的 单元刚度矩阵。 1 9 6 0 年，c l o u g h 在他的名为“t h ef i n i t ee l e m e n ti np l a n es t r e s sa n a l y s i s 刀 的论文中首次提出了有限元( f i n i t ee l e m e n t ) 这一术语。 与此同时，数学家们发展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法， 变分原理和加权余量法。 这一时期，国内力学工作者也为有限元方法的初期发展做出了许多贡献， 比较著名的有：陈伯屏( 结构矩阵方法) ，钱令希( 余能原理) ，钱伟长( 广义变 分原理) ，胡海昌( 广义变分原理) ，冯康( 有限单元法理论) 。其中，冯康在研 究变分问题的差分格式中，也独立地提出了分片插值的思想，并把它用于工 程结构的分析为有限元法的形成做出了贡献h 1 。 近4 0 年来，随着电子计算机的飞速发展，有限元法的应用范围不断扩 大。在汽车领域，先后应用于汽车工程中各种结构件、传动件等的计算分析 中，应用十分广泛，并取得了许多实际效益。 在国外，从6 0 年代起，有限元法就开始用于汽车车架结构强度和刚度的 计算。1 9 7 0 年美国宇航局将n a s t r a n 有限元分析程序引入汽车结构分析中， 对车架结构进行了静强度有限元分析，减轻了车架的自重，是最早进行车架 轻量化的分析。当前，国外各大汽车公司利用有限元软件进行车架结构静态 分析、模态分析的技术己非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声 分析、碰撞分析等领域。特别是随机激励响应分析备受青睐，主要是因为它 可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析。 我国于七十年代末八十年代初在高校和有关研究所开始从事有限元法 的研究和应用，如长春汽研所的谷安涛等人建立了车架的有限模型，并进行 了分析计算。当时汽车行业研究工作主要集中在车架分析以及用梁单元来模 拟大客车骨架等方面的工作。清华大学的田应刚、周建明等，采用大型结构 有限元分析软件a l g o r f e a s 系统对麦弗逊悬架进行静态有限元分析，计算 了在一些典型工况下的应力分布，并就结构关键点( 高应力点) 的应力对各方 向载荷的敏感性进行了分析。泛亚汽车技术中心的朱文学和同济大学的郑惠 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 强、石来德，也是采用该软件系统，对麦弗逊悬架结构进行了静力分析和模 态分析。 国内各大汽车公司已逐步将有限元分析应用到实际的汽车设计中。如东 风汽车公司引进了专门进行整车动态、静态分析的软件，将有限元分析技术 运用到汽车设计中；长春第一汽车厂将所有主要的零部件都用有限元校核。 但与国外公司相比，国内公司整体上在软件和硬件上还有比较大的差距。 研究表明，各种汽车的结构件都可应用有限单元法进行静态分析、固有 特性分析和动态分析，并且已从原来对工程实际问题的静态分析为主转到要 求以模态分析和动态分析为主，甚至根据工程实际结构的特点要求进行非线 性分析。由于计算机技术的飞速发展，现在利用有限单元法求解分析汽车结 构，计算规模和计算机容量、计算速度，对各种通用实用程序来说已不再作 为主要矛盾。应用中的一些难题，或者说关系到有限元计算成功与否的关键， 仍在于形成的计算模型中各种支承、连接怎样与实际结构相符，以及载荷， 特别是动态分析中的激励，怎样反映实际情况。 综上所述，目前国内外汽车结构有限元分析的研究应用及发展趋势主要 表现在以下几个方面：h h 5 1 汽车结构的有限元强度和刚度分析。 汽车结构件或零部件的优化设计。如以汽车质量或体积为目标函数的 最优化设计，还有对比分析中的参数化设计和形状优化。 汽车动力学分析。应用有限元法，对汽车结构件进行模态分析、瞬态 分析、谐响应分析和响应谱分析等，为结构的动态设计提供方便有效的工具。 汽车零部件及整车的疲劳分析。定义载荷时间历程，根据有限元应力 分析结果进行构件疲劳分析。 汽车整车分析。在防撞、噪声、振动及可靠性等方面，应将车身、底 盘看作一个整体，统一在一个模型下进行分析和研究。 汽车操纵稳定性分析。 汽车结构噪声分析。包括车身内的噪声分析，车身内空间的吸声分析， 以及制动器的噪声分析。其中，车身内的声学设计，将车身结构模态与车身 内声模态耦合，评价成员感受的噪声并进行噪声控制。 汽车空气动力学分析。解决流体结构的耦合问题，为汽车性能和造 型设计服务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 更为精确的非线性分析。其中包括从整车入手的非线性分析。 汽车被动安全性分析。通过汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析， 提高汽车结构的被动安全性。 刚柔耦合的动力学分析。从传统的刚体动力学分析到考虑结构弹性的 应力响应，如悬架车轮系统等。 目前，关于麦弗逊悬架结构有限元分析的公开研究成果较少，因此本论 文旨在采用a n s y s 软件对麦弗逊悬架结构进行有限元分析，在保证整车性能 的前提下，探索其应力、变形等结构性能的分布规律，以此提出改变结构性 能的参数的合理化建议，为结构的优化分析等提供思路。 1 3 研究内容和方法 本文研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 研究麦弗逊式悬架的运动性能，分析该车的定位参数与汽车性能的关 系，并对定位参数进行优化。在此基础上，求解麦弗逊式悬架横摆臂的受力 情况。 ( 2 ) 建立麦弗逊式悬架中的横摆臂有限元模型，主要包括横摆臂几何模型 的建立，单元类型的选取，网格划分，载荷施加及边界条件的处理等。 ( 3 ) 根据有限元模型求解的结果，进行横摆臂有限元模型的结构分析，包 括横摆臂的静力分析和模态分析两方面。静力分析主要用来分析横摆臂的结 构静力特性，看其是否能满足汽车结构性能的要求；模态分析主要是研究横 摆臂的固有特性，探讨其与整车的共振情况。 ( 4 ) 探讨横摆臂的有限元分析的误差原因，提出结构的改进意见，使横摆 臂具有更为合理的结构性能，为悬架结构的优化设计提供一种依据。 本文的研究方法主要有： ( 1 ) 在a d a m s 动力学分析软件中，建立前麦弗逊式悬架的动力学仿真模 型，对悬架进行运动学仿真，分析定位参数的变化规律，研究其对汽车性能 的影响规律。如果定位参数不能满足汽车性能要求，则对定位参数进行优化， 使达到汽车性能要求。在此基础上，进行悬架的动力学仿真分析，求解横摆 臂受力情况。 ( 2 ) 在p r o e n g i n e e r i n g 三维造型软件中，根据图纸数据，建立横摆臂的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 几何模型。 ( 3 ) 在a n s y s 软件环境下，建立横摆臂的有限元模型，对其进行静力有限 元分析，通过软件的后处理功能，获得横摆臂的变形和应力分布等情况。 ( 4 ) 进一步对横摆臂进行模态分析。通过软件的后处理功能，得到结构的 固有特性。 ( 5 ) 在前面的研究分析的基础上，分析有限元求解的误差来源，并提出合 理的改进意见。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章麦弗逊式悬架动力学仿真分析 2 1 引言 a d a m s 软件，即机械系统动力学自动分析软件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 fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c s i n c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿真m s s ( m e c h a n i c a ls y s t e m s i m u l a t i o n ) 软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学 分析软件，在全球占有率最高吲n 1 。目前，a d a m s 己经被全世界各行各业的数 百家主要制造商采用。本章即研究该软件求解横摆臂的受力情况问题。 麦弗逊式悬架系统的空间结构关系复杂，该系统中存在柔性体和刚体的 连接，这就使得悬架的受力情况更为复杂。因此，本文通过a d a m s 软件求解 麦弗逊式悬架的受力情况。 2 2a d a m s 软件概况 2 2 1a d a m s 软件的功能和特点 a d a m s 是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对 虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。同时，它又是虚拟样机分 析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行 特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。a d a m s 软件的功能特点如下： 匝卜【铂 ( 1 ) 利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库来建立机械系统三维 参数化模型。 ( 2 ) 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性 动力学分析，包括刚性和柔性体分析。 ( 3 ) 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 ( 4 ) 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程中 变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。 ( 5 ) 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 ( 6 ) 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 ( 7 ) 自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 画和曲线图形。 ( 8 ) 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计 算有限元的输入载荷。 ( 9 ) 支持同大多数c a d 、m 和控制设计软件包之间的双向通信。 2 2 2a d a m s 软件模块简介 朋) a m s 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具 箱5 类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真， 而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与 仿真分析。 下面重点介绍三个核心模块，以及本文用到的一个软件扩展模块和一个 专用领域模块：a d a m s v ie w ，a d a m s s o l v e r 和a d a m s p o s t p r o c c s s o r 两个 基本模块，a d a m s i n s i g h t 软件扩展模块以及a d a m s c a r 专用领域模块。 a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心 的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建 模、仿真计算、动画显示、优化设计、x - y 曲线图处理、结果分析和数据打 印等功能集成在一起。该模块采用简单的分层方式完成建模工作。采用 p a r a s o l i d 内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力 力矩库，并且支持布尔运算、支持f o r t r a n 7 7 和f o r t r a n 9 0 中的函数。 除此之外，还提供了1 3 个位移函数、9 个速度函数、8 个加速度函数、2 个 接触函数、3 个样条函数、1 4 个力力矩函数、8 个合力力矩函数、6 个数据 元函数、若干用户子程序函数以及6 个常量和变量等。 a d a m s s o l v e r 是a d a m s 系列产品的另一核心模块，是a d a m s 产品 系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程， 提供静力学、运动学和动力学的解算结果。它有各种建模和求解选项，以便 精确有效地解决各种工程应用问题。它可以对刚体和弹性体迸行仿真研究。 为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加 速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、 运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不周的约束。用户同时可求 解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 m d i 公司开发的后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r ，用来处理仿真结果 数据、显示仿真动画等。a d a m s p o s t p r o c c s s o r 的主要特点如下：r 埘 ( 1 ) 采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的 有效性。 ( 2 ) 使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象。 ( 3 ) 具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能。 ( 4 ) 具有灵活多变的窗口风格，支持多窗口画面分割显示及多页面存储。 ( 5 ) 多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件。 ( 6 ) 具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等。 ( 7 ) 具有丰富的数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、 缩放、编辑和生成波特图等。 ( 8 ) 为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式。 ( 9 ) 强化了曲线编辑工具栏功能。 ( 1 0 ) 能支持模态形状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有： 幸舀f ，宰j p g ，毒b m p ，幸x p m ，幸a v i 等。 ( 1 1 ) 在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能。 ( 1 2 ) 可进行几何属性的细节的动态演示。 a d a m s i n s i g h t 是基于网页技术的新模块，企业不同部门的人员都可以 共享分析成果，加速决策进程，最大限度地减少决策的风险。 应用a d a m s i n s i g h t ，工程师可以规划和完成一系列仿真试验，从而精 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 结果进行各种专业化统计分析的工具。a d a m s i n s i g h t 是选装模块，既可以 在a d 触涯s 厂v i e w ，a d a m s c a r , a d a m s p r e 环境中运行，也可脱离a d a m s 环境单独运行。 a d a m s i n s i g h t 采用的试验设计方法包括全参数法、部分参数法、对角 线法等。其具有很多功能，例如，可以通过扫描识别影响系统性能的灵敏参 数或参数组合，还可以采用响应面法( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d s ) 通过对试验 数据进行数学回归分析等。应用a d a m s i n s i g h t ，工程师可以将许多不同的 设计要求有机地集成为一体，提出最佳的设计方案，并保证试验分析结果具 有足够的工程精度。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够 帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动系 统、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画直观地再现 在各种试验工况下( 例如：天气、道路状况、驾驶员经验) 整车的动力学响应， 并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减 少对物理样机的依赖，而仿真时间只是进行物理样机试验的几分之一。该模 块包括整车动力学模块( v e h i c l ed y n a m i c s ) 和悬架设计模块( s u s p e n s i o n d e s i g n ) 。m 们 2 3 麦弗逊式悬架动力学仿真模型的建立 2 3 1 麦弗逊式悬架机构分析 本文分析的是前置前驱的某微型轿车，其前悬架为麦弗逊式独立悬架， 机构示意图如图( 2 1 ) 所示。该悬架主要由螺旋弹簧、减震器、横摆臂和转向 节总成等组成。其中，车架和横摆臂之间通过转动铰链连接；横摆臂与转向 节总成( 包括减振器筒) 之间是球铰连接；车轮与轮轴之间用固定铰链连接： 轮轴与转向节总成之间用转动铰链连接；减振器筒与减振器杆是圆柱铰链连 接；减振器杆与车架是通过万向节铰链连接；螺旋弹簧上端与车身相连，下 端固定在减振器筒的外面；转向横拉杆一端与转向节总成之间通过球铰连接， 另一端与转向器齿条通过万向节相连。若不考虑转向系的影响时，齿条相当 于通过固定铰链与车身相连。 2 3 2 建立仿真模型的参数准备 仿真模型的参数准确与否，是影响仿真模型分析精度高低的主要因素。 因此模型参数的准备，对仿真人员尤为重要。仿真模型的参数可以概括为以 下几个主要方面：运动学参数，物理参数，力学特性参数，外界参数。参数 的获取方法主要有以下几种：图纸查阅法、实验法、计算法、c a d 建模法等。 运动学参数，即运动构件的几何定位参数。本文建立麦弗逊式前悬架模 型，所用到的硬点位置坐标由厂家提供，硬点包括：横摆臂与车架连接点， 横摆臂与转向节连接点，弹簧下支点，弹簧上支点，减振器下支点，诚振器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 上支点，转向拉杆内支点，转向拉杆外支点和车轮中心点。前轮定位参数主 要包括：前轮外倾角，前轮前束，主销后倾和主销内倾。以上参数决定了各 构件的几何运动关系。定位参数初值如表格( 2 1 ) ，所示硬点坐标如表格( 2 2 ) 所示。 图2 1 麦弗逊式悬架机构示意图 卜车架2 一横摆臂3 一转向节总成4 一横拉杆， 5 一螺旋弹簧6 一减振器杆7 一车轮 表2 1 车轮定位初始参数 前轮外倾角主销内倾角主销后倾角前轮前束角 0 0 3 3 3 。1 2 6 8 04 00 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表2 2 麦弗逊式悬架硬点坐标 悬架结构仿真关键点左右 x 坐标y 坐标z 坐标 参数名称名称对称 横摆臂与 车架连接 a r l t li n n e r l e f t f i g h t 5 8 8 7 3 8 6 4 94 3 8 8 点 横摆臂与 转向节连 a r m o u t e rl e f t r i g h t 8 0 4 16 6 2 8 2 61 1 1 0 7 7 接点 弹簧下支 点 s p r i n g _ l o w e rl e f t r i g h t 2 0 2 2 1- 5 5 2 9 7 62 8 6 4 4 1 弹簧上支 s p r m g _ u p p e rl e f t r i g h t 3 3 1 8 55 2 6 5 9 14 7 9 2 8 3 点 减振器下 支点 s t r u tl o w e r l e f t r i g h t 7 6 8 56 2 0 6 7 11 0 2 4 4 5 减振器上 支点 s t r u t _ u i p p e rl e f t r i g h t 3 6 0 2 55 2 1 1 7 95 1 8 3 0 9 转向拉杆 内支点 t i e r o di n n e r l e f t r i g h t 1 5 0 5 0 23 7 0 06 9 9 9 9 转向拉杆 外支点 t i e r o do u t e r l e f t r i g h t 1 1 7 9 46 2 7 6 42 1 2 3 车轮中心 点 w h e e lc e n t e r l e f t r i g h t 0 0 0 0 1 6 16 9 9 8 5 9- 0 0 0 3 物理参数，指运动部件的质量、质心、转动惯量等，这些参数决定了系 统的动力学特性。构件的质量、质心、转动惯量等参数由厂家提供。 力学特性参数，一般指系统或零部件的刚度、阻尼等。力学元件主要包 括弹簧、衬套、轮胎等。这些参数对汽车的各项性能，尤其是操纵性和平顺 性等具有决定性影响。本文用到的弹簧、阻尼、衬套和轮胎的力学特性文件 来自a d a m s c a r 软件中同类车型的仿真模型。 外界参数，主要是指汽车的使用环境，主要包括风力、路面等。对这些 参数，本文根据研究方便起见，部分参数影响忽略不计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 另外，需要计算簧载质量和车身的质心位置。其它用到的相关参数如表 ( 2 - 3 ) 所示。其中，通过取以下已知参数部件的全部质量总和，估算前簧载质 量：车轮质量，轮毂、制动器、转向节等的整体质量，以及下控制臂质量。 本文中研究的轿车后悬架为多连杆式非独立悬架，采用传统方法来估算，可 计算得到整个后悬架的非簧载质量。 表2 - 3 整车参数 项目数据项目数据 外型尺寸( 长宽前轴簧下质量 高) ( m m ) 3 5 2 5 1 6 5 0 15 5 08 3 1 6 ( k g ) 前轴簧下质量 总质量( k g ) 1 3 6 57 3 1 3 3 ( k g ) 整备质量( k g ) 1 0 0 0轴距( m m )2 3 6 4 整备质量分配( 前 6 0 6 3 9 4单车轮质量( k g ) 2 4 7 轴后轴) ( k g ) 对于一辆4 - - 5 座的轿车的整车质心高度，可借助空载汽车高度来估算， 即： 魂一( o 3 8 0 0 2 ) x h ( 2 - 1 ) 式中：h 。为空载整车质心高度；h 为空载汽车高度( 取外形尺寸高度) 。 带入数据计算，空载整车质心高度取平均值为5 8 9 m m 。汽车加载时，整 车质心通常上升，根据不同的加载状态和非簧载质量的大小，车身质心比整 车质心高出2 0 - - 一4 0 m m n 。综合考虑，空载时取车身质心高度为6 1 5 m m ；满载 时取整车质心高度为5 8 0 m m ，取车身质心高度为6 1 0 m m 。 在静载情况下，由力学平衡原理，空载前、后轴负荷比可通过整备质量 分配计算处，可得到前轴的负荷比为6 0 6 。通过前、后轴整备质量分配和 轴距计算得到整车质心到前、后轴距离分别为1 4 3 2 5 8 4 m m 和9 3 1 4 1 6 m m 。 满载时，一般前轴荷的负荷比减小n ，这里取负荷比为5 6 。由此可得， 满载时前、后的前轴质量分配为7 6 4 4 k g 和5 9 9 6 k g ；整车质心到前、后轴距 离分别为1 3 2 3 8 4 m m 和1 0 4 0 1 6 m m 。 满载时，前、后轴簧上质量可通过下式计算：n 1 1 m 12 r a i l m z l ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 肌2 一历，2 一m ：2 ( 2 - 3 ) 以上两式中：历。为前轴簧上质量；臃：为后轴簧上质量；朋，为前轴分配 质量；册，：为后轴分配质量；m d 为前轴簧下质量；小：2 为后轴簧下质量。 带入数据计算，可得：空载时，前、后轴簧上质量分别为5 2 2 8 4 k g 和 3 2 0 8 6 7 k g ，总簧载质量为8 4 3 7 0 7 k g ；满载时，前、后轴簧上质量分别为 6 8 1 2 4 k g 和5 2 6 4 6 7 k g ，总的簧载质量为1 2 0 7 7 0 7 k g 。 2 3 3 仿真模型的建立 根据研究目的，为研究方便起见，本文对麦弗逊式悬架动力学模型进行 了如下假设： ( 1 ) 各运动副均为刚性连接，内部间隙不计，内摩擦力忽略不计。 ( 2 ) 由于减振器的结构过于复杂，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，来模拟减振器和弹簧，对实体模型进行了省略。 ( 3 ) 除轮胎、弹簧元件、阻尼元件和橡胶元件外，其余构件大部分为钢材 料，故均假定为刚体，包括转向节总成、横摆臂等，在仿真过程中不考虑它 们的柔性和变形。 ( 4 ) 不计风力。 ( 5 ) 把横拉杆与中间拉杆的球连接用万向节表示，这就取消了拉杆绕它的 纵向轴的旋转运动。 ( 6 ) 仿真模型分析时，假设车身相对地面不动。 ( 7 ) 假定前悬架关于整车纵向中心对称面对称。 ( 8 ) 为模拟地面不平引起的轮胎上下跳动，假想一构件，它与轮胎总是直 接接触，与地面之间通过移动副相连，可垂直地面上下运动。 仿真模型绝对坐标系的规定。坐标原点为两侧车轮接地印迹中心点连线 之中点，车辆行驶方向为x 轴负向，y 轴为坐标原点指向驾驶员右侧，z 轴则 符合右手螺旋法则垂直向上。 应用a d a m s c a r 对麦弗逊式悬架进行仿真模型的建模。其主要步骤如 下： ( 1 ) 建立硬点( h a r d p o i n t ) 。在a d a m s c a r 模块的模板建立( t e m p l a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 b u i l d e r ) 模式下，建立硬点。由于是对称结构，只需建立一边的硬点，另一边 的硬点自动生成。硬点坐标如表2 1 所示。 ( 2 ) 建立部件( p a r t ) 。包括横摆臂，万向节总成，转向横拉杆，轮轴。由 关键点生成各部件，然后修改部件的质心位置、质量和转动惯量等参数。 ( 3 ) 建立部件的几何形体。为了便于观察，建立各部件的几何形体。 ( 4 ) 创建弹簧和阻尼器。建立螺旋弹簧和阻尼器，使用特性文件( p r o p e r t y f i l e ) 定义弹簧刚度特性曲线和减振器特性曲线，数据来源于厂家。 ( 5 ) 建立连接。根据各部件的连接关系建立相应的铰链。然后建立横摆臂 与车架相连接处的衬套和减振器与车架连接处的衬套均使用a d a m s c a r 同 类型的特性文件。模板模式下的仿真模型如图( 2 2 ) 所示： ，1 ， 图2 - 2 模板模式下的仿真模型 ( 6 ) 建立仿真模型。将前悬架模型由模板模式转入到标准界面( s t a n d a r d i n t e r f a c e ) 模式下才能进行性能仿真。使用a d a m s c a r 模块提供的测试平台， 建立前悬架仿真模型，如图( 2 - 3 ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 z j ， 图2 - 3 标准界面下的仿真模型 ( 7 ) 性能仿真。通过菜单命令“s i m u l a t e ”“s u s p e n s i o na n a l y s i s ”“s e t s u s p e n s i o np a r a m e t e r