（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的整车动力学仿真研究.pdf

摘要 虚拟样机技术变的日益重要，它能够使用计算机代码和方程准确的模拟真实 的机械系统，避免了传统的产品开发过程中零部件和样机的反复制造实验过程， 加速了开发设计过程。本文正是在这种背景下，由于新开发车型课题的要求，为 加速开发速度，运用多体动力学理论，借助软件a d a m s c a r ，建立了整车模型， 并对此进行操纵稳定性与平顺性仿真，针对车辆的不足，运用实验设计( d e s i g n o f e x p e r i m e n t s ，d o e ) 优化技术，改进了车辆性能。同时，仿真试验结果的数据 可为评估、改进、优化同类型车辆提供重要的理论参考。 本文的研究内容主要有以下几个方面： 首先，阐述了多体动力学的理论和a d a m s c a r 的建模方法，介绍了模型参 数获得的途径、方法，并在a d a m s c a r 环境下建立课题开发车型的前麦弗逊悬 架、后钢板弹簧悬架、横向稳定杆、轮胎和动力模块等。 其次，通过前悬架运动学仿真，详细考察运动学特性、车轮定位参数、垂直 刚度变化规律，并针对前悬架前束角过大的设计不足，运用实验设计优化技术， 对前悬架进行结构优化，取得比较好的效果；通过后钢板弹簧静载仿真，以验证 钢板弹簧的刚度，对模型进行反复修正，使其刚度接近设计值，保证模型精度。 再次，进行操纵稳定性试验，包括转向盘转角阶跃输入转向瞬态响应试验、 稳态回转仿真试验和蛇行仿真试验，验证整车操纵稳定性；进行平顺性随机输入 行驶仿真试验，测试车辆的行驶平顺性。车辆在稳态回转试验和蛇行试验中，性 能良好，满足国家标准。但就操纵稳定性和平顺性的综合性能上，都有比较大的 提升空间。 最后，针对操纵稳定性和行驶平顺性上的不足，选择实验设计( d o e ) 优化 技术，实现对操纵稳定性和平顺性的优化。在a d a m s i n s i g h t 中建立设计变量 ( d e s i g nf a c t o r ) 和评价指标( r e s p o n s e ) ，并确定转向盘转角阶跃输入转向瞬态响应 试验和平顺性随机输入行驶仿真试验为设计试验，对比优化结果，优化效果比较 理想。 整个研究过程以虚拟样机技术为核心，实现了在计算机上对整车的操纵稳定 性和平顺性的仿真研究，并探讨了针对整车的实验优化设计方法。该研究结论和 方法对在车辆产品开发设计、改进汽车的性能有一定的指导和参考意义。 关键宇：虚拟样机实验设计优化操纵稳定性平顺性 a b s t r a c t v t r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t , w h i c hc a l lu s e c o m p u t e rc o d ea n de q u a t i o nt os i m u l a t et h et r u em e c h a n i c a ls y s t e m , a n dt h a tc a n a v o i dt od o i n gr e p e t i t i v ep a r t sa n dp r o t o t y p et e s ti nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t u n d e r t h i sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e ri sb a s e do nt h em u l t i b o d yt h e o r y , u s et h ea d a m s c a r t ob u i l dt h ef u l lv e h i c l em o d e l d o i n gt h eh a n d l es t a b i l l t ya n dr i d ec o m f o r tt e s la n d u 辩t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t s 0 e ) o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yt o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f v e h i t i e a tt h es a m et i m e , t h es i m u l a t i o nr e s u l td a t a 啪b eh e l p f u lt o e v a l u a t e , i m p r o v ea n do p t i m i z et h es a m et y p ev e h i c l e t h ef o l l o w i n gs u b j e c t s 黜s t u d i e d ： f i r s t l y , t h ep a p e re x p a t i a t e st h em u l t i - b o d yt h e o r ya n dt h em e t h o do f a d a m s ，a rt ob u i i dm o d e l a n di ta l s oi n t r o d u c e st h ew a yh o wt og e tt h em o d e l d a t a i nt h ea d a m s c a re n v i r o n m e n t , t h ef r o u tm a c p h c r s o ns u s p e n s i o n , r e a rl e a f s p r i n gs u s p e n s i o n , a n t i r o l l t i r ea n dp o w e rs y s t e i n 黜b u i l t s e c o n d l y , b yt h ef r o n ts u s p e n s i o nk i n e m a t i c a ls i m u l a t i o n , s t u d yt h ek i n e m a t i c a l p r o p e r t y , t h el a wo fv e r t i c a ls t i f f n e s s , a n du t h ed o et oo p t i m i z et h ef r o n t s u s p e n s i o nc o n f i g u r a t i o n , s ot h a tt h et o ea n g l ec a nf h l f i l lt h er e q u e s t b yt h er e a rl e a f s p r i n gs u s p e n s i o ns t a t i c1 0 a ds i m u l a t i o n , t oc h e c kt h es t i f f n e s so fl e a fs p r i n ga n d r e p e t i t i v e l ya m e n dt h em o d e l ，s ot h a tt h em o d e lc a nb ec l o s et ot h et r u em e c h a n i c a l s y s t e m n 瑚l 弘d o i n gt h ec o n n o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t ys i m u l a t i o nt e s t , i n c l u d es t e e r i n g t r a n s i e n tr e s p o n s et e s t ( s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u t ) , s t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t , p y l o nc o u r $ es l a l o ml e s t , v a l i d a t i n gt h ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y d o i n gv e h i c l e r i d ec o m f o r tr a n d o mi n p u tr u n n i n gt e s t , t e s t i n gt h er i d ec o m f o r t i nt h es t e a d ys t a t i c c i r c u l a rt e s ta n dp y l o nc o n r s i a l o mt e s t t h ev e h i c l ep e r f o r m sw e l la n do g ns a r i s f y t h es t a n d a r d s b r a ti nt h es t e e r i n gt r a n s i e n tr e s p o n s et e s t , t h ev e h i c l eh a sc o m p a r a t i v e l y h u g er i s es p a c e f i n a l l y , c h o o s et h ed e s i g no f e x p e r i m e n t s ( d o e ) o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yt o i m p r o v et h eh a n d l es t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r t i nt h ea d u m s i n s i g h te n v i r o n m e n t b u i l dt h ed e s i g nf a c t o ra n dr e s p o n s e , a n ds t e e r i n gt r a n s i e n tr e s p o n s et e s t ( s t e e r i n g w h e e la n g l es t e pi n p u t ) a n dr i d ec o m f o r tr a n d o mi n p u tr u n n i n gt e s tw i l lb et h e d e s i g ne x p e r i m e n t st e s t c o n t r a s to p t i m i z e sr e s u l t , o p t i m i z a t i o ne f f e c ti s c o m p a r a t i v e l yi d e a l e n t i r er e s e a r c hp r o c e s sh a sb e e nc e n t e r i n go nv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , h a s c a r r i e do u tt h eh a n d l es t a b i l i t ys i m u l a t i o nt e s ta n dr i d ec o m f o r ts i m u l a t i o nt e s t , a n d h a sd i s c u s s e df u l lv e h i c l eo p t i m i z a t i o nm e t h o d t l l i sr e s e a r c hc o n c l u s i o na n dm e t h o d c o u i db eh e l p f u lt ov e h i c l ep r o d u c td e s i g na n dd e v e l o p m e n t g u i d et oi m p r o v et h e v e h i e l ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p e d e s i g no fe x p e r i m e n t so p t i m i z a t i o n c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y r i d ec o m f o r t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书两使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、途交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 计算机辅助设计、制造自上世纪9 0 年代初进入国内以来，已经被广泛应用 于汽车设计和加工的各个阶段，“虚拟开发”逐渐成为变革传统的汽车开发程序。 采用这些技术，使得轿车开发的造型、设计、计算、试验直至制模，冲压、焊接、 总装等各个环节中的计算机模拟技术联为一体，使汽车的开发、制造都置于计算 机技术所构造的严格的资料环境中。这些技术的采用，使得在整个汽车开发过程 中至少能节约3 0 的开发成本，极大地缩短了汽车的开发周期1 2 j 。进入9 0 年代 末期，随着各种三维造型软件仿真分析处理模块的出现，以及虚拟技术的引入， 使汽车行业这一几乎涉及了国家大多数基础工业与生产领域的产业激发出新的 活力【3 】。同时，计算机技术及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。多 体系统( m u l t i b o d ys y s t e m ) 动力学分析通用软件如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 4 1 。 在工程应用领域，机械系统的计算机仿真技术变的日益重要，这种应用在于 仿真软件能够使用计算机代码和方程准确的模拟真实的机械系统，避免了传统的 产品开发过程中零部件和样机的反复制造实验过程，加速了开发设计过程，同时 硬件建设成本的降低节省了大量的时间和财力。以往在改善车辆操纵稳定性和平 顺性的前提下，是通过不断的“试验修正再试验再修正”，最后达到期望值 这样一种办法1 5 1 。而利用多体系统动力学方面的知识和虚拟样机技术，可以在物 理样车生产出来以前，在计算机上实现对虚拟样车进行“操稳性试验”，“行驶平 顺性试验”，“结构的优化设计”等一系列工作，从而缩短样车的生产周期，降低 生产成本和风险，应用前景十分广阔。这种以现代的电子计算机软硬件技术为支 撑的c a d c a e c a m 的方法代表了更加先进的设计方法。它能把工程技术人员 从繁重的设计计算中解放出来，去从事更富有创造性的工作。 随着汽车工业的不断发展以及我国道路条件的改善，如今的车辆无论在自身 的动力性还是在行驶路况方面都有了很大的提高，车速的提升也迫使人们更加关 注车辆的操纵稳定性和行驶平顺性等动力学特性。国内的虽然有院校和研究开展 整车动力学的计算机仿真研究，但一般都是为现有的车型的进行改进而进行而 的，很少在全新车型的开发上进行部分系统和整车动力学计算机仿真：很多大中 武汉理工大学硕士学位论文 型企业虽然购买了u g 、p r o e 、a n s y s 、a d a m s 等国外先进的软件，但普遍 存在消化吸收不够，应用水平低。因此，本课题的研究既能对目前项目开发的整 车提供理论依据，也能对国内整车企业在新车型的开发中应用多体动力学计算机 仿真技术有一定的参考价值。 本课题是受国外厂商的委托，为其全新开发小型轿车。开发过程中充分利用 虚拟样机技术，用c a d 软件u g 建立小型四轮轿车的部件和整车的数据模型， 取得相应的数据，在主流的多体动力学仿真软件a d a m s 中的c a r 模块中分别 建立前后悬架模型、底盘模型、发动机模型、转向系统模型、轮胎模型和路面谱， 装配成前悬架一转向系统、后悬架系统和整车。通过仿真计算结果和试验、资料 数据的对比修整模型，使之达到一定的精度和可信度，在此基础上进行整车的操 纵稳定性和行驶平顺性的仿真，评价整车的性能，通过实验设计优化整车性能， 得到的仿真结果数据可以作为新车改进设计的依据，具有现实的工程意义。 1 2 国内外研究现状的概述【3 】f 1 9 】【2 2 】【2 3 】 车辆动力学主要是研究汽车受力和汽车运动的关系，并找出汽车性能的内在 联系和规律。车辆动力学是一门新兴的科学，最早可以追溯到上个世纪初。车辆 动力学的发展是伴随着分析力学、结构力学、材料力学和计算机技术的发展而发 展的。近年来，由于计算机技术的迅猛发展，以及在工程上的广泛应用，有力的 推动了车辆动力学的发展。 在车辆动力学发展的初期阶段，由于受至u 研究水平和研究手段的限制，一般 只能局限于车辆的零部件或菜单一性能。1 9 2 5 年平顺性理论初步形成，2 0 世纪 3 0 年代出现对悬架和车辆稳定性的研究。英国的l a n c h e s t e r 、美国的o l l e y 、法 国的b r o u l h i e t 对车辆的独立悬架进行了研究，并对转向动力学和悬架运动学对 车辆操纵稳定的影响进行了分析。 5 0 年代是车辆动力学发展的“黄金时期”，期间建立了较为完整的车辆动力 学线性域理论体系，形成了较为完整的操纵稳定性和转向的基础理论体系。1 9 5 6 年，c o m e l la e r o n a u t i c a l 实验室的w i l l i a mf m i l l i k e n , d a v i d w w h i t c o m b ，和 l e o n a r ds e g e l 发表了一系列关于车辆操纵稳定性的理论和定量分析的文章。这 些文章成为6 0 年代汽车操纵稳定性发展的基石，这其中许多理论到现在仍被引 用。在车辆动力学的发展过程中，理论研究和试验是两种有效的手段，起到了很 大的推动作用。 1 9 9 3 年s e g e l 在关于车辆操纵稳定性和平顺性的机械工程学会上发表演讲， 对早期车辆动力学的发展作了概括。 2 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 早期车辆动力学发展概要 第一阶段2 0 世纪初2 0 世纪3 0 年代初 对于车辆动态性能的经验性观察 认识车辆平顺性是车辆的一项重要性能 第二阶段2 0 世纪3 0 年代初一1 9 5 2 了解简单轮胎力学，定义侧偏角；了解稳态转向特性； 建立二自由度操纵动力学方程； 提出平稳行驶概念； 引入了悬架模型： 第三阶段1 9 5 2 年以后 通过试验结果分析和建模，加深对轮胎特性的了解； 建立三自由度操纵稳定性方程； 扩展操纵动力学分析内容，包括稳定性和转向相应特性分析； 开始采用随机振动理论对行驶平顺性能预测。 在以后的几十年间，人们越来越注重车辆的操纵稳定性和行驶平顺性，车辆 动力学得到了迅猛发展，车辆动力学仿真模型变得更加的复杂和真实。2 0 世纪 8 0 年代初期，车辆动力学建模过程发生了很大的改变。对车辆模型精度的要求 日益提高，且大型的多体系统动力学方程推导十分困难，因而出现了通用的多体 仿真代码，主要有a d a m s 、m e d y n a 、d a d s 、a i h o s i m 和s 讧p a c k 等， 这些通用软件都有各自的特点。 现阶段走在商品化前列、比较有影响的虚拟样机多体动力学软件是美国 m s c 公司的a d 舢讧s ，比利时i m s 公司的d a d s 和德国航天局的s i m p a c k 。 这些成熟的商业软件为进行复杂的机械系统的动力学仿真提供了有力的工具，能 进行多自由度、非线性的仿真，模型更加通用、高效和精确。 1 3 课题研究的方法和任务 课题新车型的开发思路：以满足委托厂家的设计任务为目标，充分利用市 场上现有车型的零部件，新开发底盘和车身，达到操纵稳定性、行驶平顺性和动 力性综合性能良好。 课题新车型的开发原则：开发的车辆车身和底盘是全新开发的，为节约开发 和生产成本零部件大都是利用市场上现有的车型的零部件。 本课题的主要研究方法：在小型轿车的开发过程中，应用虚拟样机技术，以 多体动力学为理论基础，在a d a m s c a r 平台上建立车辆的系统和整车的动力学 3 武汉理工大学硕士学位论文 模型，对车辆进行仿真和分析。通过方向盘角阶跃输入仿真、稳态回转仿真试验、 蛇行仿真试验和平顺性随机输入行驶仿真试验得到车辆的操纵稳定性稳态响应 和瞬态响应评价指标以及平顺性的主要评价指标，全面评价操纵稳定性和行驶平 顺性，在此基础上采用实验设计优化技术，力图平衡和提高这两个性能。主要的 研究内容有以下几个方面： l 、建立车辆的前后悬架系统的刚柔耦合动力学模型，并且在此基础上建立 整车的刚柔耦合动力学模型。以c a d 建模为主，结合查阅图纸，实际测量、理 论推算等多种方法取得部件、系统和整车的动力学仿真数据，并且对整车动力学 仿真模型的正确性和精确性进行必要的验证。 2 、通过前悬架一转向系双向跳动仿真，研究悬架的运动学特性、车轮定位 参数、垂直刚度变化规律；通过后钢板弹簧悬架静载仿真试验，验证后悬架刚度； 通过整车仿真操纵稳定性和平顺性仿真试验，研究整车性能。 3 、评价整车性能，研究、分析整车性能的影响因素和规律，为该车的改进 设计、优化提供理论依据、参考和借鉴。 4 、利用实验设计优化技术，改进操纵稳定性和平顺性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章虚拟样机技术及a d a m s 计算原理 和建模方法 2 1 虚拟样机技术 2 1 1 虚拟样机技术和虚拟样机的概念和基本原理【刀嘲【1 1 】 机械工程中的虚拟样机技术( v j r h l a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 又称机械系统动态 仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而出现的一项巳嗵技术， 它属于计算机辅助工程的一个重要分支。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性 能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该 技术中，工程设计人员可以直接利用c a d 系统所提供的各零部件的物理信息及 其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配， 从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟 系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验 各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验 不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做 出物理样机。 虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合 体( c a x 、d 、外观、仿真) ，这些数字模型联合体即虚拟样机，它能从视 觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上模拟真实产品。这些分布的、不同工具 开发的、甚至异构的子模型组成的模型，包括产品的c a d 模型、产品的外观表 示模型、产品的功能和性能仿真模型、产品的各种分析模型( 可制造性、可装配 性等) 、产品的使用和维护模型、以及环境模型等。 虚拟样机可以分为需求样机、概念样机、工程样机、最终样机。需求样机 是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字化描述，描述产品功能和外部行 为的结构模型；进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功能的具 体要求和使用环境；给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、 细化和完善的功能模块组成。概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产 品的方案设想的可视化和数字化描述：细化了功能模块和模块间的信息流动关 系；为产品的性能和外部行为提供物理细节和更详细的可视化描述；对产品的可 制造性、可装配性及其可维护性进行概略评估。工程样机是概念样机的进一步细 武汉理工大学硕士学位论文 化，主要由产品的各种物理性能模型、c a d 模型以及其他模型( 成本、维护等) 组成；开展产品的各种仿真试验工作，评估详细设计方案的优缺点，以及可制造 性、可装配性、可维护性等；根据评估结果，对产品的开发和生产进度、成本、 质量提出更为全面的要求。最终样机，在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在 工程上基本定型。原型样机是将原有样机与实际使用环境相结合，检验产品的实 际使用效果，评估进一步改进设计方案的可能性：加入可靠性模型、维护模型和 可用性模型，支持产品的虚拟维护；加入虚拟仿真模型和操作模型，支持产品的 使用训练模拟。 2 1 2 虚拟样机技术的意义【1 7 】【1 8 】 在虚拟样机技术出现以前，传统的设计方式是由下到上，即从部件设计到整 机设计。这种方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节上，从而忽略了整体 性能。这种事情在我国经常发生，在对国外的引进样机的整机性能还没吃透的情 况下，就开始照抄零件，结果很可能是重复人家走过的弯路。这样做的结果只能 是产品永远比别人至少落后一代，水平永远上不去。而通过虚拟样机技术，就能 以较低的代价摸索别人的设计思路，在仿制中改进、创新，提高自己的研发水平。 在传统的汽车设计过程中，通常都是先提出目标，然后进行子系统和部件设 计，再经过生产加工组装成整车，而最后设计出的产品能否达到设计要求，只有 通过对物理样机进行试验才能得出结论。如果试验时只发现一些小问题，那只需 要做简单改动就能够解决，但如果发现重大问题或系统问题，可能就需要推翻原 设计。由此可见，这种模式存在很大的盲目性，风险较大。 借助于虚拟样机技术，在车辆基本设计完成后，在进行产品加工以前就能够 对整车性能有一个大致的了解，避免代价昂贵的系统设计失误。早期阶段的虚拟 样机的仿真结果还可以做零件设计时参考，例如，动力学或静力学分析的结果可 以用来指导零件的强度设计。与传统设计过程相比，增加了虚拟装配、虚拟试验 等过程，产品只有在达到产品要求后，才能进入加工、装配和实物试验。 虚拟样机的作用还可以通过传统设计与现代设计过程的对比来说明。在传统 设计中，从产品设计到定型往往要经过“设计一加工一试验”多次循环，每次循环 都涉及到物理样机的加工和试验，造成大量的时间，人力和物力消耗。而在现代 设计中，在设计和加工之间增加了虚拟样机试验这一环节，不用再进行“设计一 加工一试验”循环，在节约费用的同时，有利于及早发现设计缺陷，实现优化设 计，缩短研究开发周期。 虚拟样机开发过程是产品全生命周期内基于模型的不断提炼与完善的过程， 如图2 - 1 所示为产品生命周期内虚拟样机的开发过程。 6 武汉理工大学硕士学位论文 系绕琵汁子系统设计 图2 - 1 产品生命周期内虚拟样机的开发过程 2 1 3 虚拟样机技术在工程上的应用 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成，目前有 二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动 力学公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s ，比利时l m s 公司的d a d s 以及 德国航天局的s i m p a c k 。其中美国机械动力学公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上。 虚拟样机技术已经广泛地应用于各个领域，包括汽车制造业、工程机械、航 天航空业、国防工业及通用机械制造业。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样 机技术都可以为用户节省开支、时间，并提供令人满意的设计方案。 众所周知，在产品开发的不同阶段，越晚发现问题，就需要花费越高的成本， 同时也延长了开发周期，尽早发现问题很重要。以丰田汽车为例，在九十年代初 期的开发过程中，通过加强各部门之间的沟通和协调，可在初样机前发现4 0 的问题，在正样机前发现7 5 的问题。在九十年代中期应用三维c a d 进行试设 计后，在初样车、正样车前发现问题的比例分别达到了5 0 、9 0 ( 我们正处 于这个阶段) 。在九十年代末期应用虚拟样机后，在初样车、正样车前发现问题 的比例分别达到了8 0 、9 5 。既然在正样机前9 5 的问题都已发现并得到解 决，则正样机的重要性大为降低，因此节省了部分程序，在不影响产品质量的前 7 武汉理工大学硕士学位论文 提下将研发时间和成本缩短了3 0 4 0 。另据资料，丰田佳美在采用虚拟样机 技术后，研发时间减少了l o 个月，人力投入减少了2 0 ，研发成本降低了3 0 ， 样车数量减少了6 5 。另一个成功例子是福特公司在采用v p 技术后，也将开发 每款新车的实验次数从3 0 0 次降到8 0 次。在工程矿山机械行业，如约翰迪尔 公司利用虚拟样机成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及 在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程矿 山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一 片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了开 发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。 2 2 多体系统动力学简介 2 2 1 多体系统动力学概念3 1 1 2 2 3 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( 一般由若干个柔体和刚体物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体系统 动力学是在经典力学基础上发展起来的，与车辆设计、航天器控制、机器人学、 机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的力学分枝。 随着近几十年来对机械系统的高性能、高精度的设计要求不断的提井，加之 高速度、高性能计算机的发展和计算方法的成熟，多体系统动力学已由早期的多 刚体系统动力学发展成为多柔体系统动力学。多柔体系统自上世纪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，由于结构动力学己相当成熟和完善，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。 多柔体系统动力学是分析力学、连续介质力学、多刚体系统动力学、结构力 学等多学科交叉发展的必然结果。这门边缘学科以当代航天事业的发展为标志， 所研究的问题囊括了宏观世界的机械运动的主要问题。多柔体系统不同于多刚体 系统，它包含了柔性部件，变形不可忽略，其逆运动学具有不确定性；它与结构 力学不同，部件在自身变形运动的同时，在空间中经历着大的刚性移动和转动， 刚性运动的和变形运动相互影响、强烈耦合。与一般系统不同，它是一个时变、 高度耦合、高度非线性的复杂系统，这就决定了其理论和方法有着自己的独特性。 柔性多体系统不存在连接基，通常选定一个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 8 武汉理工大学硕士学位论文 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。 2 2 2 多刚体系统动力学的研究方法口】【l l 】【2 2 】【3 0 】 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) 、图论法( r - w ) 方法、凯恩方法、变分方法。 1 、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接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 l 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，将不独立的笛卡几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耳相同的动力学方程，希林等人编制了符号推导 的计算机程序n e w e u l 。 2 、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 n c e 等人应用吉尔( g e a r ) 刚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。 3 、图论方法( r - v 0 方法 1 9 6 6 年i l 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之间的联系 状况，使这个学科分枝跨入了新阶段。他们利用图论的一些基本概念和数学工具 成功地描绘系统内各个刚体之间的联系状况，这种联系状况被称作系统的结构， 借助图论工具可将系统的结构引进运动学和动力学的计算公式。 r o b e r s o n - w i t t e n b u r g 和h o o k e r - m a r g u l i e s 独立地重新发现并发展了增广体概念。 这一概念是由作为多刚体系统动力学的先驱者f i s c h e r 所创造的。利用增广体概 9 武汉理工大学硕士学位论文 念可对h o o k e或 的基本方程作出明确的物理解r - m a r g u l i e sr o b e r s o n - w i t t e n b u r g 释。r o b e r s o n - w i t t e n b u r g 方法以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，对于 非树系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。w i r c n b u r g 对 多刚体系统动力学作出了完整的阐述。r o b c r s o n - w i t t e n b u r g 方法以相邻刚体之间 的相对位移为广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，并 据此推导了系统微分方程，相应的程序有m e s a v e r d e 。 4 、凯恩方法 r o b c r s o n - w i t t e n b u r g 的图论方法提出了解决多刚体动力学统一公式，而凯恩 方法则提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法。凯恩方法是美国学者 k a n e 创立，并由他的学生h u s t o n 等人发展的。最先用于分析复杂航天器，以后 发展为使用范围更广泛的普遍性方法。这种方法源出于g i b b s 和a p p c u 的伪坐 标概念。其特点是利用广义速率代替广义坐标描述多刚体系统的运动，并将矢量 形式的力与达朗伯惯性力直接向特定的基矢量方向投影以消除理想约束力，因而 兼有矢量力学和分析力学的特点。作为k a n e 方法的具体应用，h u s t o n 和p a s s e r c l l o 将z a l e 方法用于分析人体的多刚体模型，l f l d n s 则用于考虑弹性效应的多体航 天器研究。该方法没有给出一个适合于任何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，这是该方法的缺点，但这种方法 不用推导动力学函数，不需要求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算。 5 、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，交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代数混合方程组两种类型。 2 2 3 多柔体系统动力学的研究方法【l l 】【1 4 1 1 1 5 】【l j 7 】 随着工程技术的发展，机械系统部件采用了更柔的材料，而且有些部件的运 转速度很高；另一方面，为了缓和冲击和振动，在各构件之间的连接部位也采用 了大量的柔性材料，所以在研究多体系统的动态特性时，这些柔体材料的影响越 来越引起人们的关注。多柔体系统动力学成为近十几年来的应用力学方面最活跃 的领域之一。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在研究汽车的诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解 始终是一个关键性问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加 复杂，加上人一车一路环境的相互作用，给汽车系统动力学研究带来了很大困难， 由于理论方法和计算手段的限制，该学科曾一度发展缓慢，许多情况下不得不把 模型进行较多简化，以便使得问题能够用古典力学的方法人工求解。这导致汽车 系统动力学很多重要特性无法得到较精确的定量分析。计算机技术的迅速发展， 使我们在处理上述问题方面产生了质的飞跃。 8 0 年代初，不仅有许多通用多体软件可以对汽车系统进行分析和计算，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方方面面。国内各个主要汽车厂家和研究机构在其 c a d 系统中均安装了多体系统动力学分析软件并与有限元、模态分析、优化等 软件一起构成一个有机整体。国内从1 9 8 7 年开始自行开发了汽车多刚体动力学 软件，在悬架分析和整车性能分析方面得到了成功的应用。8 0 年代后期人们开 始把柔体系统动力学理论和方法用于汽车技术领域，这标志着汽车多体系统动力 学向新的层次发展。人们曾试图用各种有效的方法将柔性体的力学效应并入多体 动力学方程中进行分析和求解，这些方法中既有探索直接建立和求解刚柔混合的 多体系统进行分析的方法。后者一般要通过以下几种途径：l 、用多刚体系统加 弹簧和阻尼来近似模拟多柔体系统；2 、先不考虑构件位移运动与弹性变形运动 的动力耦合，首先计算多刚体系统的动力学特性，然后通过边界条件与结构力学 的方法对柔性构件进行计算，最后把两者叠加；3 、先用有限元计算重要的柔体 部件，得到其刚度特性，然后对整个系统进行多体系统分析。 从整个汽车c a e 的角度来说，汽车多体系统分析软件可完成三项任务： ( 1 ) 对直接设计的系统进行性能预测； ( 2 ) 对已有的系统进行性能测试评估； ( 3 ) 对原有的设计进行改进。 多体系统动力学分析软件的分析范围包括：运动分析、静态分析、准静态分 析、动态分析、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 舢a e 软件，真正实现汽车的虚拟设计。基于多柔体系统理论、面 向汽车机械系统设计和动态性能分析的软件系统及专业化模块，可以对整车快速 建模，并针对操纵稳定性、平顺性和制动性等性能进行动态仿真。参考实车试验 的标准，根据在实际典型工况采集的物理数据，可以建立包括操纵稳定性各种试 验工况，平顺性时域分析、频域分析试验工况，以及直线制动、转弯制动工况的 虚拟试车场，使功能化样机在虚拟试车场能逼真的模拟车辆的各种动态性能。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3a d a m s 软件的计算和建模方法 2 3 1a d a m s 软件的计算方法口2 】【2 5 】 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 ) 软件是美国 m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司( 现己被m s c 公司收购) 开发的多体系统动 力学仿真分析软件。a d a m s 软件是世界上占有率最高的机械系统仿真 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 ) 软件。它使用交互式图形环境和零件库、约 束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动 力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静 力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计 算有限元的输入载荷等。 a d a m s 一方面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。另一方面，又是虚拟样机 分析开发工具，其开放性的程序结构和各种接口，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 利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出最大数量坐标的 微分一代数方程( d a e ) 。它选取系统内每个刚体质心在惯性