（车辆工程专业论文）特种半挂汽车列车平顺性分析.pdf

摘要 abs tract t b e obje c t iv e ofinve sti g ationis a type of印 ec ials elln . tr a il erw hi c h c al r i esso me 皿p o 比 功 t 俪i l i ti e s . ll i s v ery nec es s ary tomve st i g atethe ri deo f 胡t o m o b i l e toa v o l d its 伽ili ties are d 出 刀 a g edbythe v ib r a t i on叨g e n d e r e d inri d i n g . for ll n p rov i n g the 丘 ic llities wor k in g env iro皿ent and r edu c m g s 洲 一 t r a i l erbodyd aj l l a g e ， th e n ewlyd evel 叩eddesi gn m e t h o dstonnp ro veth e ri d in g q u a i it y h av e b 伽 su g g e s t e d inthis p aper. it is ofgr e a t l m p o 比 功 c e top r o p er lygr 韶 p the r o addi s 奴 坟 b ance ins t u d 扒 n g the ri d e of 浏o m o b i l e . t i m e s 硕e s m e th o d h asb e ensuc c e s s fu l l y usedins l r n u 1 at in g m any r and o m fi el ds ， 胡 d anatte m p t is m a d e tod e v el 叩a model ofro adr oug b n e ssonth e b asisof t 五 n e s eries . hi加s p 叩e r， th c i n s 栩 lb i li tyo f a rmod eli s succ es s 佃lyreso l v edb y lev 众 巧 。 d u rb inrecursi v e al g o ri t h ma rm o de1 p r o v i d e typi c alro a d m o d e l o f n atio n a 1 s 1 朋d a r d s fo r th e s i mul atio n o f ri d e p e 到 为 rmanc e b ase d onmu l ti 一 b o d y d yda n l i c s 田 l d v ib tati onth cory ， the spe c i als e 力 q l 有ai l eri s 5 加p 】 i fi 比tow h o l e v ehiclemod el w i th1 5 云 e e d o m s ， 明 d th e m u l t l 一 b o dyd ynal ni c s m o d el o f th e v ehic l e i s bui l t 初tha d a m s s o n w ar e ， inc】 u d i n g s l l sp e n s l o n ， t 让 e ， s t abi l i z erb ar， bo勿， and soon the p ar a m e t e r s ofth e v ehic lemode1in g are o b t a in edb as edonb hi 印 石 刀 t ch ec k- up， c al 耐ations ， 朋 d c a dmode l i n g . b y c o n 1 p ann g the ro ade x p enm ent w i t h th e re s u l t o f s l m u l atio n ， th e model i s p ro v edtob e 戒i abl e b y c h angjng s o me p ar amet ero f th e 5 少 中 e n s l on阳d th e t i r e ， wec ang ain the ru l e b o wthe ri dep e r fo n 刀 anc eis a 月 免 c t e d bythis p ar 田 刀 et er . we c anal sog et the m easure tou n p r o v e th e s 田 刀 p 1 e v e hi cl e s ri d e p e r fo rm哪 e. k e y w0 rds:ri dep e d 沁 n n anc v i b r a t l onmod el ， t i m eseries ， 5 汕u l ation 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:0 7 年了 月1日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:， 1年1 月 日 南京理工大学硕士论文特种半挂汽车列车平顺性分析 1绪论 1 . 1课题的来源及意义 军用半挂汽车列车是军用重装备陆地机动的重要武器装备之一，具有运载能力 大， 最大载重量可达上百 吨; 机动性好， 既可公路运输也可越野运输; 速度快， 能运 载装备快速及时地到达预定区域;目 标小，便于伪装隐蔽; 对运输路线选择余地大， 使用灵活方便; 有效地保存履带式装备的战斗力， 使之能迅速投入战斗; 避免履带式 装备损坏公路路面等优点。 因此无论是在部队的作战行动中， 还是在平时训练演习中 都具有重要作用。 半挂汽车列车也是民 用运输市场中重型机械、 集装箱等大型设备和 物资的主要运输工具， 由 于运载对象和使用环境特殊， 民用半挂汽车列车的结构和性 能不能完全满足部队作战使用需要， 只能作为战时临时征用补充的应急运输工具。 汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击对乘员舒适性的 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fl 习 。 汽车 行 驶平 顺 性的优劣直接影响到乘员的 舒适性， 并波及到汽车动力性和经济的发挥， 影响到零部 件的 使用寿命， 因而改善汽车行驶平顺性方面的 研究工作越来越受到重视. 该特种半 挂车运载的是一些重要的 仪器设备， 在行驶过程中由于受到路面不平度的激励， 车辆 会产生振动， 为了确保其上装设备不因行驶过程中的振动而遭到损坏， 必须对该特种 半挂车进行平顺性分析。本课题来源于工程应用项目。 1 . 2 车辆行驶平顺性研究现状 1 . 2 . 1影响平顺性的因素 平顺性是现代汽车一个很重要的性能指标，一直是汽车设计使用者研究的热点。 研究汽车平顺性的目的就在于控制振动的传递， 使乘坐者或运载货物所承受的振动控 制在一定的界限以内。 汽车平顺性讨论的对象是“ 人 ( 货物) 车道路”构成 的 振动系统。 汽车悬架系统的动态性能是对汽车的 行驶平顺性起着决定性的作用。 路 面不平度是决定汽车平顺性的最主要因 素。 此外， 发动机、 传动系和轮胎等转动时也 会引起振动。 这些振动经过由轮胎、 悬架、 座垫等刚性、 弹性及阻尼元件构成的振动 系统， 传递到 悬架支承质量和人体上. 列成框图 如图1 . 2 . 1 所示i3) : 南京理工大学硕士论文特种半挂汽车列车平顺性分析 图1 . 2 . 1 “ 人 ( 货物) 车 道路” 系统的 框图 随着行驶速度的断提高， 汽车高速行驶时的平顺性已引起了 人们的关注。 尤海胜 就汽车高速行驶的平顺性进行了分析。 他指出， 车速提高后， 输入谱密度值增大， 汽 车振动的频率向高频扩展， 在同一路况下， 车速提高， 平顺性下降。 汽车高速行驶时， 由 车轮不平衡引 起的振动，使整车产生严重的振动， 汽车的平顺性严重破坏。 如果把汽车作为一个系统来研究， 汽车本身就是一个具有质量、 弹簧和阻尼的 振 动系统。 由 于汽车内 部各部分的固有频率不同， 汽车在行驶中常因路面不平、 车速和 运动方向的变化， 车轮、 发动机和传动系统的不平衡，以及齿轮的冲击等各种外部和 内 部的 激振作用而极易产生整车和局部的强烈振动。 汽车的这种振动使汽车的动力性 得不到充分的 发挥， 经济性变坏， 同时 还要影响汽车的通过性、 操纵稳定性和平顺性， 使乘员产生不舒服和疲乏的感觉， 甚至损坏汽车的零部件和运载的货物， 缩短汽车的 使用寿命。 汽车 是由 多 个系统 组成的 复 杂的 振动 系 统， 每个系 统都存 在振动问 题图 。 如发 动 机和传动系统、 制动系统、转向 系统、悬架系统、车身和车架都会产生振动。其中， 由弹簧和减振器组成的悬架系统要缓和由 不平路面传给车身的冲击载荷， 衰减由 冲击 载荷引起的承载系统的振动。 研究汽车平顺性的主要问题是减小悬架系统的振动加速 度。 1 . 2 . 2车辆行驶平顺性的评价方式 从20世纪50年代起， 国外就开始对车辆振动和乘坐舒适性进行研究。当时的 研 究，一方面从实验角度研究人体对振动的感受，以解决平顺性评价问题，并于20世 纪7 0 年代制定出了国际标准15026 31一74 人体承受全身振动的评价指南 ， 20世纪 8 0 年代，经修订后推出ti s 026 3 1 一8 5 ，1 9 9 1 年又提出ti s 026 3 1 的新草案.国内 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 在这方面的 研究始于20世纪70年代后期， 并参照15026 31于1 9 85年制定了g b 4 9 7 o 汽车行驶平顺性随机输入试验方法 标准， 除了随机输入平顺性评价外， 为了评价 汽车通过单个凸起或凹坑而受到突然冲击时的平顺性， 长春汽车研究所与清华大学于 1 985 年又制定了 汽车平顺性单脉冲愉入行驶试验方法国家标准，1 9 90 年制定了 gb1 2477 客车平顺性评价指标及限值标准. 初步构成了 一个比较完善的汽车平顺 性评价方法体系。 对于该特种半挂车， 其上装设备的振动加速度均方值应该满足 协 议要求:垂直方向不超过 2 . o 25m / 尹;横向不超过 1 . 03m /s2 ;纵向不超过 10 3 邢/ 5 2 。 1 . 2 . 3车辆行驶平顺性研究现状 以 往一 辆新设计汽车的乎顺性， 一 般是在做成样车并进行试验后才能 最后确定。 在设计阶段， 由于计算工具的限制以 及缺少路面谱资料等因素的影响， 难以 精确的预 测平顺性。 悬架参数及整车参数等主要凭设计经验对比计算来确定， 难以 迅速找到优 化设计 方 案4 。 重型 汽车 行 驶性能的 试 验 研究 价 格非常昂 贵， 因 此理论 研究 有很多 优 势。 从理论上讲， 任何一个机械系统可以 建立相应的数学模型， 通过分析模型， 可以 确定和评价某些性能。 在设计阶段可采用分析方法对汽车平顺性进行评价和预测， 并 做相应的设计修改， 平顺性理论分析主要是建立在汽车振动模型的基础上。 平顺性模 型主要有1 /2整车模型和整车模型。 汽车 振动系统模型的 精度不仅取决于力学 模型的简化， 而且还与模型参数的准确 性密切相关。 最初人们研究汽车平顺时， 只是把汽车简化成单质量系统模型， 以后逐 步增加其自 由 度， 使汽车的力学模型 越来越接近实车系统。 即 从力学模型来看自由 度 越多就越精确。 但另一方面自由 度越多， 所需测量的参数就越多， 难于准确测量的参 数也随之增加， 误差也会随之增大， 随着自由 度的增加， 这种矛盾就越突出。 那么怎 样建立一个合理的自由度模型是人们无法回避的问题。 1 9 7 6 年长春汽车研究所郭孔辉曾 就如何改善汽车平顺性对单输入2 自由 度汽车系 统 定 性地 探讨了 如何 选择 悬挂参数的 问 题61 。 1 9 78年 武汉工学 院 提出了 汽 车 9 个自 由 度振动模型， 并在电子计算机上模拟四 个车轮上随机输入预侧车身上加速度响应。 长 春汽车研究所与吉林工业大学合作进行的1 0 个自由 度模型计算机模拟工作中， 利用了 先进的mts 电 子液压振动台进行c a 1 41汽车振动参数的动态识别， 获得了与实际结果十 分吻合的 模拟结果。 1 9 84年北京工业大学章一鸣等对车辆悬挂系统优化设计进行了研 究 阅 ; 1 9 90 年 章一鸣 等对车辆悬挂阻 尼的 微 机控 制进行了深入 的 研究， 该文 在自 适应 控制理论的基础上，提出了一种车辆悬挂阻尼自 动调节的微机控制方法。结果表明: 南京理工大学硕士论文特种半挂汽车列车平顺性分析 该 控制系统是可靠的， 能使车辆行驶平顺性得到明 显地改善7l 。 1 9 93年东风汽车工程 研究院 谢卫国 对半挂汽车列车平顺性分析进行了 探讨， 该文介绍了18 个自 由 度的半挂 汽车列车振动模拟模型， 利用该模型和计算机软件分析了各种结构参数对半挂汽车列 车行驶平顺性的影响。 1 9 97年辽宁工学院石晶就乘龙l z 6 4 00轻型小客车行驶平顺性的 改进问 题进行了 探讨，该文针对乘龙l z 6 4 00轻型小客车行驶平顺性不十分理想的问 题， 进行了原车的道路试验， 查明了原因， 通过计算机模拟， 对后悬架进行了改进设 计 侧.19 9 9 年张庆才等人 用多刚体系统动力学建立了 汽车7 自 由 度的振动模型，以 各 态历经的路面随机输入对汽车的平顺性进行了 仿真。 孙建成应用系统动力学和随机振 动理论， 建立了 计及车体弹性和发动机支承的二维巧自由度的汽车线性振动模型， 利 用 该 模型 在计 算 机上 求出 了 汽 车各 个部位的 振动 特性叫。 王 连明 运用 模 态分 析技 术建 立了13自由度人体 座椅汽车系统的动力学模型， 利用随机振动原理， 给出了 振 动 模态、 传 递函 数、 悬 架动 挠度， 车轮 动 载 荷、 座椅加速度 等参量的 计 算方法to 。 国外很多学者在汽车的平顺性及主动控制方面有许多研究。 g obsi， g . mas tinu 和d oniselli 按照全局 近似方法， 将物理汽车 模型用另一种纯粹的 数字数学模型代 替。 这个数学模型可以 很精确地模拟很多 行车条件， 允许通过修改底盘参数来实 现所 期望的汽车动力学性能， 从而改善汽车的平顺性。1 9 97 年中南工业大学刘少军等与 日 本名古屋大学未松良 一对最优预见控制设计及在汽车主动悬架控制中的应用进行 了 探索性的研究。 一个不仅考虑系统当前的状况， 而且还为未来的目 标或夕h 比加以 考虑的预见控制系统， 常常能取得改善控制性能 和降低系统能耗的双重效果tlo。 为此， 该文将最优预见控制方法应用于汽车主动悬架控制， 取得了良 好的效果。 随着计算机技术的快 速发展， 计算机成为车辆平顺性研究的有力工具， 特别是计 算速 度的 大幅度提高为复杂车辆模型的模拟计 算提供了 可能。 各国 学者开始用更复杂 的振动模型来逼近车辆振动系统， 对于不同的 车辆类型， 则建立不同形式的振动模型 来进行模拟。 随着对基础理论的深入研究， 汽车试验及研究工作取得突飞猛进的发展， 基于ada m s 软件对汽车平 顺性的 研究开始出 现。 1 9 9 8 年清华大学的金睿臣， 宋健在加人 m s 软件中国地区用户年会论文集上发表文 章， 研究 在a da ms软 件 里实 现 汽车 对路面随 机 输入的 响 应的问 题训。 2 0 00年同 济大 学刘岩等对汽车高 速振动仿真与 试验进行了 研究。 该文系统介绍应用ad胡5 软件建立 多自由度汽车振动模型的方法， 并且建立与实际悬架系统和转向系统结构相对应并考 虑内 外激励的43个自由 度整车动力学模型， 研究汽车高速行驶时影响平顺性、操纵 稳定性的主要原因刘 。 2 0 00年， 王其东， 钱立军等在农业机械学报上发表了一篇 基 于平顺性仿真的农用运输车悬架c ad研究软件完成了汽车脉冲平顺性的仿真分析。 2003年， 北京工业大学机电学院的王国权， 许先锋等在计算机上对福田i o 28e2汽车 进 行平顺性的虚拟样机试验研究叫。 他们都利用ad胡5 软件对汽车平顺性仿真做了 成 4 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 功的探讨。 从以 上的回顾可以 看出， 行驶平顺性是现代汽车一个很重要的性能指标。目 前的 研究状况可以 概括为: 通过复杂的 模型试图更真实、 更精确地描述真实的汽车， 在设 计过程中预知汽车的平顺性，并对影响平顺性的悬架参数进行优化。 1 . 3本文的主要工作 汽车悬架的运动学和动力学分析是汽车总体布置设计、运动校核的重要内容之 一， 也是研究平顺性等汽车性能的 基础。 本论文以 特种半挂车为研究对象建立 车辆平 顺性分析的 微分方程模型， 利用机械系统动力学仿真软件ada m s ， 对该特种半挂车进 行整车建模和平顺性仿真。具体说来有以下几个方面: ( 1) 动力学建模 分析该特种半挂车整车振动模型自 由度与计算精度之间的关系， 用拉格郎日 方程 和多刚体动力学建立整车振动模型。为平顺性研究提供理论基础。 (2) 路面不 平度的模拟 通过对时间序列参数模型的 研究， 运用a r 模型 模拟国 家标准的d 级公路的随机路 面模型，为平顺性仿真分析提供与实际相符的激励。 ( 3) 在a d a m s 中建立整车模型 本文在进行虚拟样机建模过程中， 根据平顺性研究的特点建立了包括悬架、 轮胎、 横向稳定杆、 车身等系统的整车振动模型. 通过图纸查阅、 理论推算和三维建模相结 合的方法获取整车动力学仿真模型的基本参数。 ( 4 ) 平顺性仿真与影响因素分析 通过对整车振动模型输入随机路面激励，获得样车在随机路面上的时域响应。 并研究影响样车平顺性的因素( 弹簧、 减振器、 轮胎) 及提出改善车辆平顺性的 措施。 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 2虚拟样机、多体动力学及软件简介 2 . 1虚拟样机技术 虚拟样机技术又称为动态仿真技术， 是20世纪80年代随着计算机技术的发展而 迅速发展起来的一项新技术， 其核心是机械系统运动学、 动力学和控制理论， 同时还 包括三维c ad建模技术、 有限 元分析技术、 机电液控制技术、 最优化技术等相关技术。 它通过设计中的反馈信息不断地指导设计， 保证产品寻优开发过程顺利进行。 同传统 的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点: ( 1) 全新的 研发模式。 在传统的设计与制造过程中， 首先是概念设计和方案论证， 然后进行产品设计。 在设计完成后， 为验证设计， 通常要制造样机进行试验， 有时 这 些试验甚至是破坏性的。 当 通过试验发现缺陷时， 又要回头修改设计并再用样机验证。 只有通过周而复始的设计 试验 设计过程， 产品才能达到要求的性能而虚拟样 机技术真正地实 现了 系统角度基于并行工 程的产品优化， 使产品 在概念设计阶段就可 以 迅速地分析、比较多种设计方案， 确定影响性能的敏感参数， 并通过可视化技术设 计产品、预测产品在真实工况下的特征以 及所具有的响应， 直至获得最优工作性能。 (2 )更低的研发成本、 更短的 研发周期、更高的 产品质量。 采用虚拟样机设计方 法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型即虚拟样 机， 可以 完成无数次物理样机无法进行的 虚拟试验， 从而无需制造及试验物理样机就 可获得最优方案， 因此不但减少了物理样机的制造成本， 而且缩短了研发周期、 提高 了产品质量。 ( 3) 实现动态联盟的重要手段。目 前世界范围内 广泛地接受了动态联盟( v i rtual c 恤p a n y ) 的概念， 即为了 适应快速变化的 全球市场， 克服单个企业资源的局限性， 出 现了 在一定时间内， 通过i nternet(或工 ntranet)临时缔结成的一 种虚拟企业. 为实 现 并行设计和制造， 参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要， 而虚拟样机是一种数 字化模型， 通过网络输送产品信息， 具有传递快速、 反馈及时的特点， 进而使动态联 盟的活动具有高度的可行性112. 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分析， 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， 同时， 通过求解方程组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。 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。 2 . 2多体动力学简介 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， 它是研究多体系统 6 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 运动规律的科学， 也是虚拟样机技术的 核心理论， 其主要研究任务是如何用计算机自 动建立复杂的系统运动方程， 以 及如何快速地求解这些方程， 以 实现机械系统的运动 学和动力学仿真，构造虚拟样机叫. 20世纪60年代末至70年代初，以欧拉 (euler 1 7 o 7 一 17 8 3) 为代表的 经典刚体 动力学已 不能解决工程技术中由多个物体组成的复杂系统的 运动学和动力学问题， 当 时， 美国 的r ， e . r o b e r s on、 tr . c a n e 、联邦德国的j . w i t t e r n b u r g 等人先后提出t 各自 的方法来解决这些复杂的动力学问 题， 这些方法的共同点是建立一种通用性的动 力学方程， 只要用最少量的准备工作就能处理任何特殊的多刚体系统， 也就是说， 提 供一种计算程序，只要用户输人具体系统的各种参数就能将动力学方程自 动编排出 来。 因此， 多刚体系统动力学的主要研究内 容一般只局限于动力学方程的建立， 而方 程的处理则由 计算机去完成. 将古典的刚体力学、 分析力学与计算机技术想结合， 形 成了 新的力学分支 多刚体系统动力学目 前，多刚体系统动力学理论体系己 趋完 善， 模型问 题和数值求解问 题己得到很好解决。 与结构动力学的发展相类似， 多刚体 系统动力学正从被动的系统分析扩大到主动的系统优化设计， 这也是理论发展与实际 需要的必然结果。计算多体动力学的任务为: ( 1) 建 立复杂机械系统运动学 和动力学程式化的 数学模型， 开发实 现这个数学模 型的软件系统， 用户只需输入描述系统的最基本数据， 借助计算机就能自 动进行程式 化处理。 (2 )开发 和实 现有效的 处理数学模型的计算方法与数值积分方法， 自 动得到运动 学规律和动力学响应。 实 现有效的数据后处理， 采用动画显示、 图表或其他方式提供 数据处理结果l1. 多柔体动力学研究开始于20世纪50年代末。 多柔体系统动力学的研究对象是由 大 量刚体和柔体组成的 系统。 多柔体系统动力学可以 看作是多刚体系统动力学的自 然延 伸. 根据多柔体系统组成特点， 一般以多刚体系统动力学的研究为基础， 对系统中 柔 体进行不同的 处理， 在机械系统中 常用的 处理方法有离散法、 模态分析法、 形函数法 和有限单元法等。 将柔性体的分析结果与刚体系统的研究方法相结合， 最终得到多体 系统动力学的方程。 在建立多柔体系统的动力学方程时， 根据描述柔性体上任意一点 位置矢量所选取的坐标系框架的不同， 可分为相对坐标系和绝对坐标系两种不同的建 模方法。 相对坐标法可以 看作是多刚体建 模方法的 直接推广， 它是在柔性体上建立一个浮 动坐标系， 从而将柔性体的运动分解为随动坐标系的 牵连运动和相对于动坐标系的相 对 运动的叠加。 相对坐标法有利于小 应变构件的 离散化， 是目 前多数学者 所采用的方 法。 以 a v ello、 5 o n g 等为 代表的另一派学者将柔性体的大位移及弹性变形都用相对惯 7 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 性坐标系的单元结点坐标描述， 推导出变形体的应变位移关系， 在此基础上发展 了能处理同一柔性体内发生大的相对变形的非线性有限元模型， 这种方法称之为绝对 坐标法。 这种方法虽然可以 得到相对简单的非动力祸合质量阵， 但形成的刚度阵却是 非线性的。 2 . 3a d 胡5 软件介绍 多体系统动力学理论的发展，推动了 机械系统多体仿真软件的迅速发展，其中， 美国 脚1( m e c h ani c a 1d y n ajni c sl n c . )公司开发的 a mam s( aut oma t i cd y n ami c analysi s ofmechani cal) 是最为常用的 虚拟样机分析软件。 工程中利 用ad胡5 交互 式图形环境和零件约束、 力库等， 进行仿真分析和比 较多种设计方案。 ada m s 软件功 能强大， 可以预测系统的性能、 运动范围、 碰撞检测、峰值载荷计算有限员的输入载 荷。a d a m s开放性的程序结构和多种接口，使得它能与 c a d 、f e a及控制软件设计包 之间进行数据通讯， 而且用户可以根据具体要求进行二次开发。总之， ad阴5 软件是 一个功能强大的cae 软件， 提供了一个直观的、 功能强大的建立、 分析汽车系统的途 径。 2 . 3 . 1模块简介 ada m s 软件包括基本模块、扩展模块、接口 模块、专业领域模块及工具箱。 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 采用专用模块对特定行 业应用领域的问 题进行快速有效的建模与仿真分析. a d ams/v i ew ( 用户界 面模块) 是最基本的 核心模块之一。 该模块提供了 一个直接 面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能， 另外， 该模块还提供了 多种位移函数、 速度函数、 加速度函数、 接触函数、 样条函数、 力和力矩函数、 并且 支持布尔运算。 adams /solver( 求解器模块) 也是adams 软件的核心模块之一。 该模块能自 动形 成仿真模型的动力学方程， 提供静力学、 运动学、 动力学的解算结果。 该模块提供了 各种模型的求解选项， 以 便用户根据具体要求精确有效的解决各种工况问 题。 该模块 还可以对刚体和弹性体进行仿真研究， 除了 输出 力、 位移、 速度、 加速度外， 用户还 可以输出自定义的数据以 便进行有限元分析。 ada m s /postprocessor ( 后处理模块) 可以 回放仿真结果， 也可以 绘制各种分析 曲 线， 除此以外， 还可以 对仿真曲 线进行一些数学和统计计算， 用户可以 在该模块里 更方便的观察、研究仿真结果。 ad姗5 / f l e x( 柔性体模块) 可以 研究柔性体对机械系统的影响，该模块用模态频 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 率生成柔性体的ad胡5 模型， 考虑了柔性体对模型的影响， 因此可以提高模型的仿真 精度. 该模块支持ana s ys、 硒 s c / n a ntr a n 、 1 一 d e a s 格式. 通过对柔性体的节点增加适 当的力和约束， 就可以 使柔性体和其他刚体形成一个有机的adams 模型。 a d 胡5 /car( 车辆模块) 是ad胡5 软件的专业模块之一， 是姗1 公司与a udi 、 b 姗、 yol vo等公司合作开发的整车设计软件包。 利用该模块， 工程师可以快捷的建立精确 的样机， 包括悬架、车身、 转向系、 轮胎、制动系等。 拥护可以在各种不同的路面下 仿真，分析模型的操作稳定性、安全性、乘坐舒适性及其它性能参数。 2 . 3 . zad胡5 模型的特点 a d a m s 软件特点可以 概括以 下几点: ( 1) 该软件具有建立二维和三维模型的能力; ( 2 )具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型的某一变化过程的 能力; ( 3) 具有先进的数值分析技术和强大的功能的求解器; ( 4 ) 可以 直接进行静力学、准静力学、运动学、动力学分析。静平衡法 可以 进行多种级别的积分，当一种积分失效，软件可以自 动使用另 外一种积分，求解器有自 动处理病态矩阵的能力; (5) 有强大的函数库， 用户可以自 定义里或运动发生器; ( 6 ) 有开发式结构，用户可以自己集成子程序; ( 7 ) 具有有限元的输出接口，可以将a d 胡5 模型中刚体或柔体模型载荷直 接输出 a n a s ys， n a s t ran 等兼容的格式; (8) 可以接受多种c a d 软件( 如u g ， c atia， p r o /e等) 绘制的三维实体模型， 强化了 a d a m s 软件建模的功能; ( 9) 开放性的程序结构， 可以为特殊行业用户提供二次开发平台: ( 10) 可以 预测机械系统的 性能、 速度、 加速度、碰撞、峰值载荷: ( 1 1 )自 动输出速度、加速度、位移、作用力，其仿真结果可以动画显示 或保存电影文件。 2 . 3 . 3ad胡5 的理论基础 a d 胡5 采用广泛流行的多体动力学理论中的拉格朗日 方程方法， 建立系统的 动力 学方程。 它选取系统内的每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方 位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标， 用带乘子的拉格朗日处理具有多余坐标的完整 约束或非完整约束系统， 导出以 笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程。 朋胡5 的计算 南京理工大学硕士论文特种半挂汽车列车平顺性分析 程序应用了吉尔的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率. 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。 ad胡5 用刚体1 的质心 笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标.即q 二 i x， y ， 2， 护 ， 0， 司 r ， q = 伪 不 ， ， 叮 。 每 个刚 体 用 六 个 广 义 坐 标 描 述。 ad心5 程序采用拉格朗日 乘子法建立系统运动方程: ( 。 t 丫 ( a t 丫 丽 l 可 ) 一 七 司 十 “ 十 丐 “ = u 式中: t 系统动能; q 系统广义坐标; q 广义力列阵; p 对应于完整约束的 拉氏 乘子列阵: 尸 对应于非完整约束的 拉氏 乘子列阵。 2 . 3 . 4ad胡5 仿真流程 a d 枷5 设计流程包括以 下四 个方面: 1 .建模型( b u i l d ) 在创建机械系统模型时首先要创建构成模型的物体( p art) 这些物体具有质量转 动惯量材料等物理特性。 创建物体的方法有两种: 一种是使用a d a m s / vi既中的零件库 创建形状简单的物体，另一种是使用a d 胡5 / e xch ange模块从其他c ad软件输入形状复 杂的物体。 创建完物体后需要使用ad胡5 /vi e w 中的约束库创建两个物体之间的约束副 (c onstrai nt)，这些约束副确定物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动 的。最后通过施加力( f orce) 和力矩( t orq ue)以 使模型按照要求进行运动仿真。 2 .钡 吐 试( t e s t ) 和验证( v a l i d a t e ) 模型 创建完模型后，可以对模型进行运动仿真， 通过测试整个模型或模型的一部分， 以 验证模型的正确性。 在对模型进行仿真的过程中， ad胡5 /vi ew自 动计算模型的运动 特性。 使用a d a m s / v i e w 可以 测量这些信息以 及模型中物体的其他信息。 在进行仿真时 a d a m s / v 沈w 可以 通过测量曲 线直观地显示仿真的结果。 如果将机械系统的物理实验数 据输入到ad枷5 / v ie w 中， 并且以曲 线的形式叠加到 a d 脚5 / v i e w 的 仿真曲 线中 通过比 较 这些曲线就可以验证创建的模型的精确度。 3 . 细化 ( r e f i n e ) 模型和迭代 ( i t e r a t e ) 通过初步地仿真分析， 确定了 模型的基本运动后， 就可以 在模型中增加更复杂的 因 素以 细化模型。 为了 便于比 较不同的 方案也可以 定义设计点 (desi gnp oint) 和设 计变量 ( d esi 叨 v ari abl e) 将模型进行参数化，这样就可以通过修改参数自动地修 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 改整个模型。 4 .优化设计( 即t i o n ) a d a m s /vi e w 可以自 动进行多次仿真， 每次 仿真改变模型的 一个或多个变量， a d 胡5 / vie ， 就可以找到机械系统的最优方案。 2 . 4本章小结 本章简要介绍了虚拟样机技术的概念和其核心理论多体系统动力学， 重点介 绍了多体动力学软件ad胡5 软件的各主要模块的功能和理论基础以及ada m s 软件仿真 过程的流程。掌握软件的内部算法对车辆动力学系统的建模和分析结果有重要的意 义。 南京理工大学硕士论文特种半挂汽车列车平顺性分析 3整车平顺性数学模型 进行汽车平顺性分析所用的是质点动力学的方法。 整车平顺性分析的第一步， 也 是关键的一步， 就是把所研究的对象以及外界对它的作用简化为一个既简单又能在动 态特性方面与原来的研究对象等效的力学模型。 在建立汽车平顺性模型时，车架、装载货物作为一个物体簧载质量来处理; 轮胎及其附件作为非簧载质量。 3 . 1模型概述 汽车之所以 会产生振动， 从外部条件看是因为系统受到了外界激励， 从内部条件 看是由于系统具有质量和弹性。 从能量转化过程看， 外界对系统的激励就是对系统做 功， 这个功被储存到系统中， 其中 一部分转化为 质量块的动能， 另一部分转 化为弹 性 件的 变形势能。 反复振动过程就是激励功、 动能和势能之间的不断转换。 如果系统没 有阻 尼， 只要给系统以 初始激励， 振动就一直延续下去; 若系统具有阻尼， 而系统又 没有继续从外界获取能量， 振动在经历一段时间 之后终将停止。由此可见， 激励、 质 量、 弹性和阻尼是振动系统的四大要素。 因此， 从实际的机械简化出的力学模型若要 确 切反映 其 物理过程的 话， 就要确定 这四 个要素 图 。 工程机械结构中 存在的 振动问 题， 其振动 特性往往带有不同 程度的非线性。 非线 性振动问题解决有着一定的特殊性. 首先， 不能像线性系统那样采用叠加原理， 另一 方面， 找出 解决这类问 题的一种通用的方法是比 较困难的， 并且其解析解也难以得出。 为此， 在常 规振动分析中， 如果这种非线性程度 较小， 往往忽略其非线性因 素， 认为 该系统近似为一线性系统， 然后采用线性问题的 解决方法来求解。 如果系统非线性过 程比较大， 以至于其非线性因素在系统振动特性中起主要作用时， 就不能简单地采用 上述简化方法， 通常采用针对一些特殊问题的 方法。 本文将半挂车的振动看作是线性 的。 在研究系统的固有频率时，结构因素尽可能多的考虑， 而阻尼可以 忽略; 但在研 究系统周期解稳定性时， 必须考虑各种阻尼的影响: 在研究系统受迫振动时， 为计算 共振振幅， 必须考虑阻尼，而结构因素可尽量简化。 阻尼常常是速度的非线性函数，但在计算时，一般都将它线性化，即认为它是线 性粘滞阻尼。 阻尼的线性化， 是因为阻尼对振动规律的影响很小。 在计算系统固有频 率和非共振情况下的振幅时，阻尼即可线性化，甚至可以完全忽略。 由于汽车是一个复杂的多自由 度振动系统，自由 度取得越多，理论上就越逼近真 实系统。 但计算前要求测定的有关参数就越多， 由于测试设备及手段的局限性， 产生 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 的测量误差会给计算结果带来较大的误差。 从计算精度及参数测量工作综合考虑， 根据问 题的需要， 对汽车振动系统进行适 当的模型简化， 研究其主要因素， 忽略其次要因素， 使问题既简单又符合实际。 为此 为原则， 将该半挂车简化为巧 自 由 度三维模型， 如图3 . 1 . 1 所示。 我们可做如下的 假设来建立整车的动力学模型: ( 1) 汽车在平衡位置附近做微幅振动; (2)运行工况为匀速直线运动; ( 3 ) 车体绕2 轴方向的转动不计; ( 4) 悬挂质量通过减振器和悬架弹簧与车轴、 车轮相连接。 不考虑悬架导向 机 构的作用。悬挂质量与非悬挂质量之间只考虑垂直方向的运动; (5) 车轴和车轮构成非悬挂质量， 车轮通过具有一定弹性特性的轮胎与地面接 触。只考虑车轮的垂向的运动。 图3 ， 1 . 1半挂车示意图 几 半 挂 车 质 心 垂 直 方 向 的 位 移 ; 凡 半 挂 车 绕x 轴 方向 转 动的 角 位 移 ; 凡 半 挂 车 绕y 轴 方向 转 动 的 角 位 移 ; l 车身宽; l l 、 l z 、 l ， 分 别 为1 、 2 、 3 轴 到 半 挂 车 质 心 的 水 平 距 离 ; 南京理工大学硕士论文 特种半挂汽车列车平顺性分析 乓、 气 分 别为 挂 车 和 牵 引 车 的 质 心 到 牵引 销 的 水 平 距 离 ; 、九 第1 轴非 悬 挂质 量的 垂直 位 移 和绕x 轴转 动的 角 位移; 2 ， 、2 ，li 车 架与 第1 轴 悬 架的 连 接处 的 位移，r 表 示 右 边， 1 表 示 左 边; 2 、2 * 各个车 轮路 面 不 平度处的 路 面不 平度; 与、k，rt一 第1 轴的 左右悬架的刚 度; c 。 、c ，i 第1 轴的 左右 悬架的阻 尼; 与、气 第1 轴的 左右 轮胎的刚度。 该 模 型 考 虑巧个自 由 度 : 半 挂 车 的 垂 直 运 动 2 : 、 俯 仰 运 动 凡、 侧 倾 运 动 人; 各 个 轴 的 垂 直 运 动、， 1 二 1，2，3， 4 ，5 、 绕x 轴的 侧 倾运 动r ， 1 二 1，2，3， 4， 5 ; 牵引 车的 垂 直 运 动 2 ; 、 侧 倾 运 动汽 。 需要注意的是，由 于受鞍座的 约束， 牵引车悬挂质量绕y 轴的俯仰运动与其质心 的 上 下 运 动 只 有 一 个 有 效 自 由 度。 牵 引 车 的 俯 仰 角 气 与 挂 车 的 俯 仰 角凡有 如 下 关 系 l 。 代+ l : 气= 0( 3 . 1 ) 一般为了描述物体的 运动， 必须设定基准坐标系。 根据其坐标系的设定不同， 运 动的描述可以 变简洁也可以变复杂。因此按对象的运动性质选择适当的坐标系很重 要。 模型坐标系有两个基本的 坐标系， 惯性参考系j 打 7和车身随动坐标系习 忆 ， 本文 中 把整车看作是一个振动系统， 因此只设有车身随动坐标系那 。 车身随动坐标系的 原点 位于半挂车悬挂质量质心处，x 轴平行地面指向 车辆行驶的 方向:y 轴指向 车辆 行驶方向的左侧且与地面平行;2 轴按右手法则确定垂直向 上。 汽车沿2 轴向的速度 ( 垂 直 车 速) 为v : ， 由 刚 体 动 力 学的 知 识 可 知， 刚 体的 定 点 转 动 可由 三 次 连续 转 动 实 现， 本文对半挂车悬挂质量的转动用卡尔丹角表示， 即分别是绕车身坐标系x 轴的转 动角护( 侧倾角)， 绕y 轴的 转动角0( 俯仰角)， 绕: 轴的 转动角俨( 横摆角)。 在有限 转动情况下， 悬挂质量刚体角 速度在车辆随动坐标系中的 分量为 沙 ，口 ，口 二 t 可表 示 为 ，5 ， ，“ c o s 夕 c o s 笋 一 cos 夕 si n 俨 吕 in夕 ( 32 ) 一一 月.1.seesj 叭叭叭 对于连续转动的 物体， 物体的运动可认为是无限小转动的累 积， 每一次转动角都 是无限小量，则物体的转动角速度可近似表示为 ( 3 . 3 ) 一!ij 丁口.0.尹 r.1，.we.eej 一一 ，1.es月eseses.j ，口.夕梦 fl on，1 n11n ，二00 rl.es心吸l 澎 叭叭叱 fesesesesesesesl 一- 产 这种角速度的近似表示方法在工程技术问 题分析中得到了 广泛的应用 本文将半挂车的角速度也表示成这种形式。 ， 目 1 ， 6 ， 。 因此 南京理工大学硕士论文特种半挂汽车列车平顺性分析 32整车平顺性模型 运用拉格朗日 方程建立半挂车的整车振动模型，首先需要列出车辆系统各个部 包括悬挂质量、 悬架系统和非悬挂质量的动能、 势能、 耗散能，以 及整车的广义 分力 3 . 2 ， 2悬挂质量 半挂车的 悬挂质量的动能为 几 二 合 m ，“ “ 、 告 、 、 十 合 、 、 j 。 、 、 牵引车的悬挂质量的动能为 (