（光学工程专业论文）基于虚拟样机技术的摩托车行驶状态仿真.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着多体动力学技术的发展和计算机应用水平的不断提高，使得利用多体动 力学原理进行产品整机虚拟样机设计成为可能。作为重庆乃至全国传统支柱企业 的摩托车企业在新产品设计中虽然也广泛应用了如c a x 技术的现代设计技术，但 是在利用多体动力学原理对整车进行系统设计和优化方面与日本及欧洲著名摩托 车生产企业相比仍然十分落后。如何利用多体动力学原理建立摩托车整车的虚拟 样机并应用于系统的设计和优化，已成为我国摩托车企业感兴趣的问题。 本文利用大型商用多体动力学软件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 l和有限元分析软件 建立了某中排量越野摩托车的多体s _ y s t e m ) a n s y s 动力学模型，并建立了包含轮胎路面在内的真实工作环境，模拟了摩托车实际使 用工况下的行驶和制动过程，分析了行驶平顺性、舒适性和制动安全性等指标。 并根据样机虚拟实验的结果进行了发动机悬置的结构优化工作；讨论了悬架参数 对摩托车固有特性的影响，并由此总结出制动过程摩托车驾乘舒适性与悬架参数 之间的关系。 本文在摩托车虚拟样机的建立方面进行了多种尝试，提出了建立多体样机的 不同方法并进行了比较。认为在以摩托车整车固有特性研究以及摩托车行驶状态 研究为研究目的时，多刚体样机的仿真结果和多柔体样机的仿真结果没有大的区 别，所以结合当前摩托车生产企业的计算机装备水平和多体动力学技术的应用水 平，本文认为采用多刚体动力学样机进行仿真实验是现阶段在摩托车企业切实可 行的设计方法。 关键词：多体动力学，摩托车，平顺性，制动，仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em u l t i - b o d y - d y n a m i c sa n dt h ew i d e l yu s eo f c o m p u t e r , i te n a b l e dt h ev i r t u a lp r o t o t y p et ob ed e v e l o p e df o re n t i r em a c h i n e t h em o t o ri n d u s t r y , a sak e yi n d u s t r yi no u rc o u n t r y , h a sw i d e l ye m p l o y e dc a xt e c h n i q u e sd u r i n gt h e p r o d u c t sd e s i g n i n gp e r i o d ，b u tt h eu s eo fm u l t i b o d y - d y n a m i c st e c h n i q u ei sd r o p b e h i n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha sj a p a na n ds o m eo ft h ee u r o p ec o u n t r i e s h o w t o d e v e l o pav i r t u a l - m o t o r - p r o t o t y p ev i am u l t i d y n a m i ct e c h n i q u ei sm u c hm o r e i n t e r e s t sc h i n e s em o t o r c y c l ef a c t o r i e s t h i sp a p e rb u i l ta no f f - r o a dv i r m a l - m o t o r - p r o t o t y p ev i aa d a m sa n da n s y s s y s t e m i n c l u d e dt i r ea n dr o a ds u r r o u n d i n g s ，t h ep r o t o t y p ec o u l db es i m u l a t e df o r d r i v i n ga n db r a k i n go p e r a t i o n w i t ht h er e s u l to ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e r a l s oe v a l u a t e dt h eh a r s h n e s s ，v i b r a t i o na n db r a k i n gs e c u r i t yo ft h ep r o t o t y p e f u r t h e r , t h i sp a p e rd e s i g n e dan e ws t y l eo fe n g i n em o u n t i n gt or e d u c et h ev i b r a t i o ng e n e r a t e d b ye n g i n ei n e r t i a la n de x p l o r e dt h en a t u r a lc h a r a c t e r si n f l u e n c eo ft h es u s p e n s i o n p a r a m e t e r s w i t ht h ec o n c l u s i o no fs u s p e n s i o np a r a m e t e rw o u l di n f l u e n c et h en a t u r a l c h a r a c t e r so ft h em o t o r c y c l e t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dt h er d a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s u s p e n s i o np a r a m e t e r sa n dt h eb r a l d n gv i b r a t i o n t h i sp a p e rt r i e dt ob u i l du pt h ev i r t u a l m o t o r - p r o t o t y p ev i ad i f f e r e n tm e t h o d sa n d c o m p a r e dt h er e s u l t so ft h o s ed i f f e r e n tm o d e l s w h e nv i r t u a lp r o t o t y p eb u i l tf o r h a r s h n e s sa n d b r a k i n gs e e u r i t ) ，e x p e r i m e n t , t h e r ei sn oo b v i o u sd i f f e r e n ta m o u n tt h o s e p r o t o t y p e s s i n c et h ew e a ko fc o m p u t e re q u i p m e n ta n dt h em u l t i - b o d y - d y n a m i c s t e c h n i q u e su s el e v e li nc h i n e s em o t o ri n d u s t r i e s ，m u l t i - r i g i d - b o d yv i r t u a lp r o t o t y p ei s ar e a s o n a b l ed e s i g nm e t h o df o rc u r r e n tc h i n e s em o t o rf a c t o r y k e yw o r d s ：m u l t i - b o d y - d y n a m i c s ，m o t o r c y c l e ，h a r s h n e s s ，b r a k e , s i m u l a t e i l 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 多体系统动力学研究现状 1 1 1 多体系统动力学的发展1 】 2 3 】 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( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的学科 8 】。 多体系统动力学作为一般的力学分支学科已经经历了3 0 年发展历程。在现代 科学技术发展的冲击下，传统的以经典力学为依托的分析方法已不能应付由大量 作大幅运动部件组成的复杂工程对象的动力学问题。而飞速发展的计算机技术使 得对复杂系统进行大规模数字仿真成为可能，于是多体系统动力学作为与计算技 术的完美结合应运而生。多体系统动力学的早期研究对象为多刚体系统，并且已 经发展得十分完善，在拉格朗日方法和笛卡儿方法的基础上已经发展了成熟的商 业计算软件。多体系统的进一步发展是考虑了系统内部件的弹性变形。将研究对 象由多刚体系统拓展为多柔体系统，尽管在理论建模方面并不特别困难，但在数 值计算方面，由于慢变大幅变量和快变微幅变量的耦合而导致严重的病态问题。 因此，柔性多体系统动力学的发展必然与计算方法和软件工程紧密联系，而逐渐 成为计算力学的一个组成部分，即计算多体系统动力学。 对于多刚体系统，自上世纪6 0 年代以来，从各自研究对象的特征出发，航天 和机械两大工程领域分别提出了不同的建模策略，主要区别是对刚体位形的描述 【9 【l 0 1 。 航天领域以系统每个铰的邻近刚体为单元，以一个物体为参考物，另一个物 体相对该刚体的位形由铰的拉格朗日广义坐标来描述。这样树系统的位形完全可 由所有铰的拉格朗日坐标阵q 确定。其动力学方程的形式为拉格朗日坐标阵的二 阶微分方程组，即 4 口= b 1 1 这种形式首先是在解决拓扑为树的航天器问题时推出。其优点是方程数量少， 但方程呈严重非线性，矩阵a 、b 的形式相当复杂。为使方程具有程式化和通用 性，在矩阵a 和b 中描述系统拓扑的信息。 机械系统是以系统每一个物体为单元，建立固结在刚体的坐标系，刚体的位 形均相对于一个公共参考基进行定义，其位形坐标统一为刚体坐标系基点的笛卡 儿坐标与坐标系的姿态坐标，一般情况下为6 个。对于n 个刚体的系统，位形坐 标阵q 中的坐标数为6 n ，由于铰的存在，这些位形坐标不独立。系统动力学模型 的一般形式可表示为： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 爿百+ 西：2 b 1 ， o ( g ，t ) = 0 式中为位形坐标矩阵q 的约束方程，巾。为约束方程的雅可比矩阵，为拉 格郎日乘子。这个数学模型是个数相当大的代数一微分方程组。 上述不同类型的多刚体系统动力学形成了两种完全不同的数值处理方法，在 软件的实现上也各不相同。因此，就多刚体系统而言，存在两种相互独立的计算 多体系统动力学的流派，现分别称为多刚体系统动力学的拉格郎日方法和笛卡儿 方法。 对于多柔体系引3 】【4 】【5 】 6 1 ，自上世纪8 0 年代后也日趋成熟。从计算多体系统动 力学的角度看，柔性多体系统动力学的数学模型首先应与多刚体系统动力学和结 构动力学有一定兼容性。当系统中的柔性体变形可以不计时，即退化为多刚体系 统。当部件的大范围运动不存在时，即退化为结构动力学问题。其次，由于结构 动力学已相当成熟和完善，导出的柔性多体动力学方程中应充分利用该领域内的 成果。 柔性多体系统不存在连接基，通常选定一浮动坐标系描述物体的大运动范围， 物体的弹性变形将相对于该坐标系定义。根据上述建模观点，弹性体相对于浮动 坐标系的离散将采用有限单元法和现代模态综合分析方法。在用集中质量有限单 元法或一致质量有限单元法处理弹性体时，用节点坐标来描述弹性变形。在用正 则坐标或动态子结构等模态分析方法处理弹性体时，用模态坐标描述弹性变形。 这就是莱肯斯首先提出的描述柔性多体系统的混合坐标方法。即用坐标阵 p 2 【g 旷j 。描述系统的位形，其中q 为浮动坐标系的位形坐标，a 为变形坐标。 与多刚体系统的两种流派相对应，在柔性多体系统动力学中也相应有两种坐标， 即浮动坐标系的拉格郎日加弹性坐标与浮动坐标系的笛卡儿坐标加弹性坐标。 将多刚体系统动力学的方法拓展到柔性多体系统，根据动力学基本原理，推 导出相应的动力学方程并不困难，其形式也如同式1 1 和式1 2 两类，只是将式中 坐标阵q 用p 替代。然而在解决柔性多体系统的动力学仿真中将出现在多刚体系 统中见不到的数值计算困难。因为事实上，混合坐标中描述浮动坐标系运动的刚 体坐标是慢变大幅的变量，而描述相对于浮动坐标系的弹性变形的坐标a 快变微 幅的变量。两类变量出现在严重非线形与时变的耦合动力学方程中，其数值计算 将呈病态。故根据力学基本原理得到的形式不同的动力学方程，尽管在理论上方 程等价，但其数值性态的优劣不尽相同。如果说这种情况在多刚体系统动力学仿 真计算中表现不明显的话，那么在处理多柔体系统动力学中却可能成为最主要矛 盾。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 2 多刚体系统动力学的研究方法 目前，多刚体动力学已经形成了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常 用的常规经典力学方法( 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) ，图论方法( r w ) 方法，凯恩方法、变分方法 【1 【2 】 3 】 4 】 5 】【6 。 牛顿一欧拉方法 对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时，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系情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动消除 铰的约束能力。德国学者s c h i e h i e n 在这方面做了大量工作。其特点是列举出系统 的牛顿一欧拉方程后，将不独立的笛卡儿广义坐标变换为独立坐标，对完整约束 系统用d a l e m b e r t 原理消除约束反力，对非完整系统用j o u r d i a n 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，希林等人编制了符号推导的 计算机程序n e w e u l 。 拉格朗日方程法 由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用独立的拉格朗 日坐标将十分困难，而采用不独立的笛卡儿广义坐标比较方便。对于具有多余独 立坐标的完整和非完整约束系统，用带乘子的拉氏方程是十分规格化的方法。导 出的以笛卡儿广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标相同的带乘子的微分方 程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。c h a c e 等人应用吉尔( g e a r ) 剐性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编制了a d a m s 程序；h a n g 等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了d a d s 程序。 图论方法( r 一w ) 方法 r e r o b e r s o n 和j w i t t e n b u r g 创造性的将图论引入多刚体系统动力学，利用其 中的一些基本概念和数学工具成功的描述了系统内各刚体内之间的联系状况。 r w 方法以十分优美的风格处理了数结构的多刚体系统。对于非数系统，则必须 利用铰切割或刚体分割方法转换为数系统处理。r w 方法以相邻刚体之间的相对 位移作为广义坐标，对复杂的数结构动力学关系给出了统一的数学模式，并据此 推导出系统的微分方程。相应的程序有m e s a v e r d e 。 凯恩方法 r w 方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式；而凯恩方法提供了分析复 杂机械系统动力学性能的统一方法，并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普 遍形式的动力学方程，广义速度的选择也需要一定的经验和技巧，这是他的致命 缺点。但这种方法不用动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积和叉积计 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 算，节省时间。 变分方法 在经典力学中，变分原理只是对力学规律的概括，而在计算技术飞速发展的 现代，变分方法已成为不必建立动力学方程而借助于数值计算直接寻求运动规律 的有效方法。变分方法主要用于工业机器人动力学，有利于结合控制系统的优化 进行综合分析，对于变步态系统，可以避免其他方法每次需要重新建立微分方程 的缺点。 以上几种研究方法，虽然风格迥异，但共同目标都是要实现一种高度程式化， 适于编制计算程序的动力学方程建模办法。多刚体系统动力学各种方法的数学模 型，可归纳为纯微分方程组和微分一代数混合方程组两种类型。对于数学模型的 数值计算方法也有两种，即隐式的直接数值方法和显式的符号一数值方法。 1 1 3 柔性多体系统动力学研究方法【3 】 4 1 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把系统中的零部件抽象为刚体，但 可以记及各部件连接点处的弹性、阻尼等影响，而多柔体系统则在此基础上还进 一步考虑部件的变形。多刚体系统侧重的是系统的“多体”性质，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；而多柔体系统动力学侧 重的是部件的“柔性”性质，研究柔性体变形与整个系统刚性运动的耦合，以及 这些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相互耦 合正是多柔体系统动力学的核心特征口”。 推导多柔体系统动力学方程的基本原理和方法与一般的力学问题一样，可以 分为三类。第一类为牛顿一欧拉向量力学法，简称n e 方法；第二类为拉格郎日 方程为代表的分析力学方法，对于多柔体系统，为了建立动力学方程及计算机软 件程式的实现方便，一般采用带拉格郎日乘子的拉格郎日方程，尽管拉格郎日方 法推导公式烦琐，但其在基于d a l e m b e r t 原理的基础上，引入偏速度、偏角速度， 导出的动力学方程可以很方便的同多刚体系统动力学和有限元技术相衔接；第三 类方法是基于高斯原理等具有极小值性质的极值原理，这个方法开辟了一个不必 建立微分方程的新途径，可直接应用优化方法进行动力学分析。其他方法，可视 为这三类方法的变形。 多柔体系统运动的描述方式，按选取参考系的不同，可分为绝对描述和相对 描述两种类型。绝对描述是在指定某一惯性参考系后，系统中每一个物体在某一 时刻的位形都在此惯性参考系中确定。而相对描述是对每一个物体都按某种方式 选定一个动参考系，物体的位形相对于自己的动参考系确定。通常，这些动参考 系是非惯性的。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相对描述方法特别适用于由小变形物体所组成的系统，此时可以适当的选择 动参考系，使得物体相对于动参考系的变形总是小的。这样，对于变形可按通常 的线形方法处理，例如进行模态展开和截断等。将描述变形的弹性坐标和描述刚 体运动的参数合起来，作为系统的广义坐标，就可以按通常的离散系统分析动力 学方法建立系统的动力学方程。相对描述的方法的核心问题为物体变形与整体刚 性运动的相互作用，这种相互作用可以通过规范场论的方法完全确定。于是动力 学方程分为互相耦合的两类，即控制物体整体刚性运动的动力学方程和控制物体 相对变形的动力学方程。 在目前广泛使用的多体系统动力学软件中，为了解决模型中广泛存在的柔性 体，采用了许多实用的方法。以a d a m s 软件为例 2 5 【2 6 】 2 7 】【2 8 1 柔性连接和柔性体 两类。柔性连接包括弹簧阻尼器( s p r i n g d a m p e r ) 、衬套( b u s h i n g ) 、力场( f i e l d ) 、 梁( b e a m ) ，其中弹簧阻尼器又分为平动弹簧阻尼器和转动弹簧阻尼器。对柔性 物体的运动，也有两种实现方式。第一种是将物体离散化为多个柔性连杆，各个 连杆之间通过柔性连接一梁来实现连接，这种方法较易实现，只要零件的离散数 目合适，分析结果就能基本达到工程要求；另一种方法是实现与有限元分析方法 的连接，集成有限元的模态分析结果，通过物体的模态振型来描述物体的变形特 征，这种方法需要有限元软件的支持，模型分析精度较高，但较难实现。 1 2 现代设计方法在摩托车设计中的应用 摩托车设计主要包括概念设计、零部件设计、整车校核、制造工艺设计等多 个环节1 1 】 12 】 13 【1 7 【1 9 】。 当前国内摩托车企业对上述几个设计环节的技术掌握和能够用的发展层次各 有不同，与国外的差距不一。设计中应用了c a x 设计方法的主要是概念设计、零 部件结构设计、寿命校核等环节。而对于整车行驶过程中涉及到的运动学、动力 学问题，如摩托车行驶时产生的前轮摆振问题、在行驶过程中的驾乘舒适性问题 以及制动安全性问题等，都没有在摩托车设计阶段就通过现代多体动力学方法对 其进行很好的仿真计算和虚拟试验研究。 1 ) 概念设计阶段 在产品设计中c a d 技术是一种不断发展的技术。传统的c a d 设计系统基本 上是把已成型的产品借助c a d 系统表达出来，在一定程度上提高了设计开发的 效率。但在决定着产品总成本7 0 以上的产品概念设计阶段，其c a d 问题尚没 有成熟的计算机辅助概念设计( c c a d ) 系统以供设计人员使用。而在后期的详 细设计阶段则很难甚至不能纠正概念设计阶段的缺陷，它严重地影响了新产品开 发的质量，以及选择新产品方案的决策效率，所以需要一种可支持产品创新设计 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的新的c a d 系统，适应日益加快的新产品开发需求。 所以，在概念设计阶段摩托车产品开发主要受到工具的制约，迫切需要有新 的、有效的计算机辅助概念设计系统以支持工程技术人员进行新产品的概念设计。 2 ) 零部件设计阶段 c a d c a m 技术在我国制造业中得到了广泛的应用。c a d 技术已由计算机辅 助绘图和设计结果模拟，向着目前的人工智能和知识工程方向发展，即所谓的 i c a d 。在传统c a d 技术的基础上，系统可以对设计好的零件进行成组管理，建 立相应零件库，并根据对比现有零件的结构特征，设计出符合新零件的加工方法 和加工工艺过程。对通过c a d 设计的零部件产品进行强度、疲劳c a e 校核分析 也是零部件设计的一个重要环节，在现代企业中，零部件c a e 工作的开展已经十 分普遍。 国内各大摩托车制造公司都有自己的c a e 实验室和c a e 分析工程人员，在 零部件设计方面在逐渐缩小同国外大公司的差距。 3 ) 整车系统设计与校核阶段 国外对摩托车虚拟样机技术的研究和应用非常重视，日本本田( h o n d a ) 、 铃木( s u z u k i ) 、雅马哈( y a m a h a ) 等国际著名的摩托车企业都有自己的完 整的从事虚拟样机技术研究与应用的专门研究队伍，并使虚拟样机技术贯穿于新 产品的整个设计周期，全面采用基于虚拟样机技术的设计分析手段，大大缩短了 产品的设计周期、降低了产品开发成本，提高了设计效率，并能在新产品的设计 阶段对产品的主要动力学性能如：整车的安全性、动力性、经济性、舒适性以及 结构动态特性、强度、刚度、动态应力、疲劳寿命等进行准确的预测和评估，及 时针对存在的缺陷和不足加以改进和优化，确保了产品具有良好的性能和相当强 的市场竞争力。 重庆乃至全国摩托车产业链中最薄弱的环节就是对整车系统的开发与优化。 嘉陵、建设以及全国众多的摩托车企业，引进的都不是国外最新技术或行业领先 技术。虽然各大企业都拥有自己的研发中心，但所从事的多为引进、消化、仿制 的工作，不能进行深入的产品设计开发。摩托车现代设计方法的研究和应用特别 是基于整车人机系统的虚拟样机技术的应用工作还没有展开，这也是导致我国 摩托车企业新产品研发力量薄弱的主要原因。 1 3 摩托车工业实施虚拟样机技术的关键 建立摩托车的虚拟样机既是对以往技术路线的改造，又涉及对旧的管理方式 的革新。通过合理的实施步骤和完善的管理模式可以使虚拟样机技术的推广应用 少走弯路。根据作者在对摩托车企业建立虚拟样机的工程实践，我们认为实施虚 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 拟样机应遵循以下规则： 严格产品的3 维几何定义，建立企业内部产品三维几何模型的数据标准。 零件发放至加工部门之前，必须严格定义其配合约束，进行装配干涉检验 和工装设计等问题。 关键零部件( 如传动系统) 必须对其进行工程分析和性能评估优化。 对有关零部件进行加载工程仿真。 对整车实体模型( 可忽略对整车重心影响不大的零件) 进行重量、平衡和应 力分析。 通过虚拟装配完成管路设计、布线设计以及论证零部件的可装配性和可拆 卸性。 实施小组化( t e a m w o r k ) i 作方式，通过项目管理来进行数据管理和并行协 同设计。 检验零件的数字化、工装与工装之间的配合、装配能力和功能实现等问题。 实施产品数据管理，保证数据在产品的生命不同阶段流动顺畅。 必须建立零件加工制造、安装和生产现场布置的相关数据库信息。 确定主模型数据的唯一权威性和有关其校核、审定和修改制度。 1 4 本文的主要研究内容及意义 综上所述，摩托车多体动力学己逐渐获得了广泛关注，随着计算机技术、建 模技术和试验分析技术的发展，基于精确系统动力学分析的多体仿真技术必将广 泛地应用于摩托车动力学研究中，对提高产品的动力学性能、缩短产品的开发或 改进周期、降低产品的开发设计成本的作用将日益显著。 本课题正是应用计算机技术，利用目前最为流行的多体动力学分析软件 a d a m s ，建立某越野摩托车的多体模型，对摩托车在路面激励和发动机激励共 同作用的真实工作环境下的行驶姿态进行了仿真分析，对驾乘舒适性和制动安全 性做出了预测评价并提出优化方案。 在建模过程中，根据模态集成法的基本原理，探索建立该车前悬架多柔体系 统动力学模型，实现有限元分析技术和多体动力学分析技术的有机结合，进一步 充实我国在摩托车多体动力学领域的研究。具体内容如下： 1 ) 利用三维c a d 软件u g i i 建立摩托车车架，转向把及前叉总成，后平叉 等主要零部件的三维实体模型，并在u g 中实现各部件的装配。输出装配 后的实体模型到a d a m s 中，实现c a d 软件与a d a m s 软件的结合； 2 ) 利用有限元软件a n s y s 计算零部件模态，并利用a d a m s 提供的柔体接 口将模态结果导入a d a m s 中实现模型的柔化； 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 ) 在a d a m s 中建立符合实际的多体动力学模型，既摩托车虚拟样机； 4 ) 根据国标中的评价实验标准在a d a m s 中进行虚拟实验，对样机的平顺 性、制动安全性做出预测。 5 ) 根据仿真实验的结果，讨论悬架、发动机悬置等主要隔振部件对驾乘舒适 性的影响。 重庆大学硕士学位论文2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 近年来，并行工程的概念在工程应用中日益受到广泛重视，按照并行工程概 念组织产品的设计到生产，可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件设计。 机械系统仿真分析m s s ( m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 技术是将分散的零部件设 计和分析技术揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，并通 过分析中的反馈信息指导设计，从而真正地实现并行工程设计要求。机械系统分 析软件a d a m s ( a u t o m a f 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 ) 采用模拟样机 技术，将多体动力学的建模方法与大位移、非线形求解功能相结合，并提供与其 他c a e 软件如有限元分析软件a n s y s 、m s c n a s t r a n 、a b q u a s 、i d e a s 和控制分析软件m a t r i x x 、m a t l a b 等的集成模块扩展设计手段。目前a d a m s 在汽车、航天等的并行工程中得到了广泛的应用。 2 1a d a m s 软件简介2 5 2 6 】 2 7 】 2 8 】 机械系统仿真软件a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库， 用堆积木的方式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“模拟样机”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。a d a m s 的核心软件包包括交互式图形界面a d a m s v i e w 和仿真求解器a d a m s s o l v e r 。 与其他许多分析软件相比，a d a m s 有如下几个鲜明特点： 1 ) 提供了多个通用求解器 a d a m s 软件针对不同的系统仿真目的和模型，提供了不同的求解器求得数 值解。例如若只想得到系统各零部件之间的相对运动关系，而对各零部件之间的 相互作用力并不关心，则可以选择运动学求解器( k i n e m a t i c ss o l v e r ) ：若对各零部 件之间的力作用关系感兴趣，则可选择动力学求解器( d y n a m i cs o l v e r ) 。此外， a d a m s 软件还提供了供静力学分析的静力学求解器( s t a t i cs o l v e r ) ，求解静平衡 位置的准静力学求解器( e q u i l i b r i u m ) ，振动分析的振动分析求解器( v i b r a t i o n ) ，线 性模态分析的线性化求解器( l i n e a r ) 。 2 ) 提供丰富的样本库、专用模块 在a d a m s 软件，使用软件本身提供的部件库与布尔运算器，可以方便的产 生各种简单形状的零部件。在模型的各零件之间，通过联接件库、运动发生器以 及广义力和力矩施加约束，建立系统的多体分析模型。 在此基础上，a d a m s 软件还提供了各种动力学分析专用模块。如为汽车动 9 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 力学分析而开发的a d a m s c a r 模块、为发动机动力学分析而提供的 a d a m s e n g i n e 、为铁路车辆动力学分析而开发的a d 伽s 瓜a i l 。 此外，还可通过编写用户函数和用户子程序进行二次开发，实现用户的一些 特殊要求。 3 ) 开放的软件环境为集成c a d c a e c a m 软件提供了方便 对于几何形状复杂的零部件，可以首先利用c a d c a m 软件建立其数学模型， 然后利用a d a m s 软件提供的多种图形接口，调入上述模型，同时也调入相应部 件的质量特性和坐标特性，为建立高精度的动力学模型提供了丰富的建模工具。 物理模型中的许多柔性零部件，a d a m s 软件也提供了多种相应建模方法。 对于弹簧、减振器等常用弹性部件，可以采用平移弹簧阻尼器( t r a n s l a t i o ns p r i n g ) 和扭转弹簧阻尼器( t o r s i o ns p r i n g ) 来生成；对于系统中的橡胶元件可采用橡胶 ( b u s h i n g ) 来生成；对于物理系统中用于传递力矩、扭矩、弯矩等复杂工况的零件， 采用a d a m s f l e x 模块提供的离散化方法和集成有限元模态分析结果的方法， 可以得到工程需要的分析精度：此外，a d a m s 软件还提供了更为一般的梁和柔 性矩阵生成器来满足用户特殊的要求。 4 ) 充分考虑工程应用实际，提供功能齐全的工程分析与优化设计功能。 a d a m s 软件可以利用a d a m s l i n e a r 模型的特征值分析。同时，通过a d a m s 软件的参数化设计功能、优化设计功能、灵敏度分析功能，计算模型在不同参数 情况下的动力学响应，分析比较各参数的变化对整个系统工作性能的影响，然后 提出修改意见，减少设计时间与设计成本。 5 ) 提供了与控制软件的接口 为了使物理系统能按照规定的运动路线运动，即机械系统的逆运动，必须对 系统施加适当的控制。在目前比较流行的几种著名的控制类软件中， a d a m s c o n t r o l 模块提供了与m a t l a b 、m a t r l x x 、e a s y 5 的接口，可以 对机械控制系统方便的实现动态仿真。 6 ) 提供了实体动画功能与运动干涉检查 在设计验证阶段，由a d a m s a n i m a t i o n 模块提供的模型分析结果动画显示功 能，直接地检查模型的设计结果。a d a m s 软件能使设计人员同时检查一个模拟 样机或数个不同模拟样机的工作性能，并检查系统的工作情况，充分模拟实际工 作人员观看样机的感觉，以便在物理样机制造前分析出系统的性能。针对复杂机 械系统设计中容易出现的机构运动干涉，a d a m s 软件可以进行自动检查，并给 出相应的声音提示。 重庆大学硕士学位论文2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 2 2 多刚体动力学理论 2 】【2 5 】 2 2 1 广义坐标的选择 动力学的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。a d a m s 用刚性质心 笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作为广义坐标，即 q i = i x ，y ，z ，_ ；f ，0 ，妒f ，q = q j ，吼t r 。由于采用不独立的广义坐标，系统动力学方 程是最大数量但却高度稀疏耦合的代数一微分方程组，适用于用稀疏矩阵的方法 高效求解。 2 2 2 动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格郎日乘子法建立系统运动方程： 导( 罢) 7 一( 兰) 7 + 咖+ 咖= q a l o g叼 完整约束方程庐( g ，t ) = 0( 2 1 ) 非完整约束方程 o ( q ，香，t ) = 0 其e e ：t = 去( 必y v + i 国国) 为系统能量，q 为系统广义坐标列阵，q 为系 统广义列阵，p 为系统对应于完整约束的拉氏乘子矩阵，为系统对应于完整约 束的拉氏乘子矩阵，m 为质量列阵，i 为转动惯量列阵，v 为广义线速度列阵，m 为广义角速度列阵。 重新改写式( 2 1 ) 成一般形式： f f ( q ，v ，p ，a ，f ) = 0 g ( v ，口) = y 一口= 0 【中( 吼f ) = 0 其中：q 为系统广义坐标列阵，口，y 为系统广义速度列阵， 用力列阵，f 为系统动力学微分方程及用户定义的微分方程， 的代数方程列阵，g 为描述非完整约束的代数方程列阵。 ( 2 2 ) 为约束反力及作 巾为描述完整约束 如定义系统的状态矢量y = 9 7 ，v 7 ，r ，式( 2 2 ) 可写成单一矩阵方程： g 口，丘t ) = 0 ( 2 3 ) 2 2 3 动力学分析 应用a d a m s 软件建立的系统的多体模型，其动力学方程一般为隐式非线形 的微分一代数混合方程( d i f f e r e n t i a la n d a l g e b r a i ce q u a t i o n s ) 。对于此类方程，适合 采用g e a r 预测校正算法。通过求解该方程，可以得到系统中所有部件的边界条件， 即力、速度、加速度。为了高效准确的求解这类方程，a d a m s 采用如图2 1 所 示的求解流程。 微分一代数方程组求解时，采用如下步骤： 1 ) 高斯消元。在进行高斯消元时，需要判断矩阵的主元，以防止求解的失败。 2 ) lu 分解。完成高斯消元的方程组，通过lu 分解求得方程组的解。 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 图2 1 a d a m s 中d a e 的求解流程 f i 啦1t h es o l v e rp r o c e d u r eo f d a ei n a d a m s 进行动力学分析时，a d a m s 积分器可以分为两种：刚性积分器和非刚性积 分器。 1 ) 功能强大的变阶、变步长刚性积分器：g s t i f f 积分器、w s t i f f 积分器、 d s t i f f 积分器、s 1 2 g s t i f f 积分器。此四种积分器都使用b d f ( b a c k d i f f e r e n c e f o r m u l a e ，向后积分差分) 算法，前三种积分器采用牛 顿一拉弗逊迭代方法来求解稀疏耦合的非线形微分代数方程，这种方法适 用于模拟刚性系统( 特征值变化范围大的系统) 。 2 ) 非刚性的a b a m ( 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 ) 积分器，采用坐标分离 算法，来求解独立坐标的微分方程，这种方法适用于非刚性的系统，模拟 特征值经历突变的系统或高频系统。 2 2 4 静力学分析 对于上面的动力学分析过程，在进行静力学分析、准静力学分析时，分别设 定速度、加速度为零，得到如式( 2 4 ) 所示的静力学方程： 8 f 劬 o 鼢= f 2 2 5 运动学分析 运动学分析研究零自由度系统位置、 解系统的约束方程： 中( g ，) = 0q 0 已知 ( 2 4 ) 速度、加速度和约束反力，因此只需求 ( 2 5 ) 重庆大学硕士学位论文2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 任一时刻位置的确定，司由约柬方程的牛顿一拉弗逊迭代得： 剥衄= 。 ( 2 6 ) 其中：幻，= q j + l - q j ，j 表示第j 次迭代。 时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、- - 一z 4 i ： f 娑k 一罢 ( 2 _ 7 ) l 旧2 一一 l z ，i ( 等 百= 窘+ 喜喜亲魄+ 昙( 著弘+ 毒罢亩 ， 0 时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格郎l e t 方程得到： 鼢= 一矧7 俐+ q 亿， 2 2 6 初始条件分析 在进行动力学、静力学分析之前，a d a m s 自动进行初始条件分析，以便在 初始系统模型中使各物体的坐标和各种运动学约束达成协调，这样可保证系统满 足所有的约束条件。初始条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度目标函数 的最小值得到。 2 3 多柔体系统动力学理谢1 】【2 1 1 2 8 然而，目前工程中复杂机械系统的部分构件已采用轻质柔性材料，加上系统 的运行速度加快，运行精度的要求越来越高，机械系统的动力学性态越来越复杂， 部件作刚性假设的多刚体动力学模型已无法描述系统的复杂动力学性态。因此， 必须同时考虑部件大范围运动和构件本身的变形，这种动力学模型称为刚柔混 合体模型。通常将剐体看作柔性体的特殊情况，所以，这类系统又称为柔性多体 系统或多柔体系统。 目前，最为流行且有效的描述柔性体位形的方法是采用混合坐标。首先，对 柔性体建立一浮动坐标系，将构件的位形认为是浮动坐标系的大范围运动与相对 于该坐标系的变形的叠加。提出了用大范围浮动系的刚体坐标与柔性体的节点坐 标( 或模态坐标) 建立动力学模型。在具体的建模过程中先将浮动坐标系固化， 弹性变形按某种理想下的结构动力学有限元( 或模态) 进行离散，然后仿照多刚 体系统动力学的方法建立离散系统数学模型。由此可见，该方法是借助于混合坐 标，将多刚体动力学方法拓展到柔性多体系统。该方法形式上并无问题，然而浮 动坐标的慢变大幅和变形的快变微幅出现在严重非线形与时变耦合的动力学方程 中，数值计算将呈病态。 重庆大学硕士学位论文 2 机械系统分析软件a d a m s 的理论基础和计算方法 应该指出，混合坐标的建模思想虽然考虑了构件弹性变形对大范围运动的影 响，但对低频的大范围刚体运动和高频的柔性体变形之间的耦合处理得过于简单， 在对柔性体变形位移场离散时没有考虑大范围运动对其的影响，用有限元( 或模 态) 进行离散时有很大的随意性。实质上，该方法是柔性多体系统动力学的一种 零次近似耦合。然而，在构件的大范围运动速度比较大的时候，用混合坐标建立 的模型准确性存在问题，出现所谓“动力刚化”现象。 a d a m s 软件中的柔体模型的实现就是基于混合坐标的模态集成方法。 重庆大学硕士学位论文3 摩托车直线行驶驾乘舒适性仿真、评价及结构改进 3 摩托车整车动力学仿真模型的建立 与建立运动学分析模型相比，建立一个典型机械系统的动力学仿真模型更为 复杂，大致可以分为以下五步： 1 ) 对实际的机械系统进行物理抽象； 2 ) 获得模型的几何定位参数，建立抽象系统的运动部件，确定各相对运动部 件之间的约束关系，分析理论模型与实际物理模型的运动一致性。 3 ) 根据获取的动力学参数对运动学模型中的各参数进行修改，建立动力学分 析模型。 4 ) 对动力学模型进行调整和仿真计算。 5 ) 对仿真模型进行后处理。 为了保证仿真模型的分析精度，一般步骤( 2 ) ( 4 ) 需要重复多次。 在摩托车整车多体动力学模型的建立过程中，参考了国内外相关文献对建立 摩托车整车的动力学模型和离散化分析模型的经验，在建立模型前，对整个摩托 车系统进行仔细分析，确定整车在正常运行工况下对乘坐舒适性有影响的结构特 性参数和外部激励。 3 1 摩托车多体模型建立中的假设与简化 由于本文研究的是摩托车的驾乘舒适性和直线制动安全性，所以主要讨论摩 托车在直线行驶工况下由路面不平度激励和发动机激励所导致的整车结构部件的 振动响应以及在直线行驶工况下突然制动时的轴荷转移情况和车身俯仰姿态的变 化情况。 对本文建立的摩托车整车动力学模型，我们做了如下假设”】 2 0 【2 5 】： 1 ) 驾乘人员在摩托车直线行驶的全过程中( 从启动加速到制动减速停止) ， 始终保持质心相对于车