（车辆工程专业论文）基于adams的汽车abs整车控制技术研究.pdf

眄华人学硕十学位论文 基于a d a m s 的汽车a b s 整车控制技术研究 车辆工程专业 研究生刘文婷指导教师徐延海 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 sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是国内外广泛 应用的机械系统动力学自动分析软件，本文通过该软件建立了某轿车的1 4 自 由度虚拟样机仿真模型。采用该模型在设计阶段就可以准确地预测整车操纵稳 定性、乘坐舒适性、安全性等其它性能参数。因此可以在产品丌发阶段实现节 约时白j 、降低成本、提高质量的目标，从而避免传统的实车试验存在的成本大、 周期长、危险系数高等不足。 本文包含以下的研究内容，首先利用多体动力学软件建立了某轿车的1 4 自由度虚拟样机仿真模型；再在m 棚a b ，s i m u l i n k 环境下建立a b s 制动器及 其控制模型：并将虚拟样机模型与a b s 的控制模型相结合，构成研究a b s 性 能的联合仿真模型。 众多针对a b s 的研究主要集中在基于单轮模型的控制策略的研究，重点 在汽车的制动距离方面以及车轮的抱死程度上，并对路面状态的考虑比较简 单，基本缺乏跟踪路面变化的能力当基于a b s 单轮控制技术的汽车在非对 称路面进行制动时，山于左右两侧的制动力不等将使汽车产生侧向偏转的过 程。极端情况下将驶出相应的车道，产生极大的不安全性目前的这些控制方 法虽然可以处理不同的路面给汽车的制动效能等带来的影响，但是却很少研究 汽车制动过程中的制动跑偏以及汽车制动过程中的方向稳定性问题。本文通过 对控制系统中单轮控制策略的研究，提出了基于道路自动识别的a b s 逻辑门 限控制策略，首先根据制动压力进行道路自动识别，然后根据路况自动调整左 右两侧车轮的制动力之差，以保证车辆制动时的方向稳定性。结合1 4 自由度 两华大学硕十学位论文 的虚拟样机整车模型，分别在对接路面和分离路面上进行基于 a d a m s s i m u l i n k 的联合仿真制动模拟试验。结果表明该方法能够较好的识别 路面状态，使车辆在兼顾其制动距离与时间的前提下提高其直线制动的方向稳 定性，为一些基于路面状态的汽车主动控制策略提供了条件。 最后对研究内容进行了总结，本文的研究虽然初步达到了一定的目的，但 是也存在一些不足和缺陷，有待于进一步的改进和完善。基于虚拟样机技术的 联合仿真是一项新兴技术，从本文的工作可看出将虚拟样机仿真软件a d a m s 和控制工程软件m a t l a b 结合起来，可以发挥各自的优势，较好地实现研究 目的，其前景十分广阔。 关键词：虚拟样机，联合仿真，制动防抱死系统，整车控制技术 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h ea b sc o n t r o ls t r a t e g yf o r f u l l v e h i c l eb a s e do na d a m s v e h i c l ee n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l i uw e n t i n g s u p e r v i s o r ：x uy a n h a i a d a m si st h es o f t w a r eo fa u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m a p p l i e dw i d e l ya th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e rt h ev i r t l _ l a lp r o t o t y p em o d e lw i t h 1 4d o f sw a sb u i l tw i t ht h eh e l po fa d a m sp l a t f o r m t l l i sm o d e lc a l le v a l u a t e a c c u r a t e l ys o m ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so fv e h i c l e i n d e s i g ns t a g e ，s u c ha s f u l l v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y i tc a l ls a v et i m e ，r e d u c ec o s ta n di m p r o v et h eq u a l i t y o f a u t o m a t i cd e v e l o p m e n tw i t ht h ea p p l i c a t i o no f v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y 1 r t 把m a i nw o r ko ft h i sp a p e rc a l lb es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g f i r s t l y , t h e v i r t u a lp r o t o t y p em o d e lw i t l l1 4d o f sw a sb u i l tw i t l lt h ea p p l i c a t i o no fa d a m s p l a t f o r m 1 1 l cb r a k es y s t e mm o d e la n di t sc o n t r o la l g o r i t h mw e r ed e v e l o p e db y u s i n gt h es o t t w a r em a t l a b s i m u l i n k t h ee o - s i m u l a t i w a sp e r f o r m e dw i t ht h e c o n j u n c t i o no f t h ea b o v em o d e l sa n dt h ea b sp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c ho f a b si sm a i n l yf o c u s e do nt h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns i n g l e w h e e lm o d e l h o w e v e r , t h ec o n t r o la l g o r i t h mo n l ye m p h a s i z e st h ec a r sb r a k i n g d i s t a n c ea n dw h e e ll o c k m o r e o v e r , i t sa b i l i t yi st o os i m p l i f i e dt ot r a c kt h ev a r i a n c e o fr o a ds t a t ei nt h i sm o d e l w h e nt h ea b sb a s e do ns i n g 玉ew h e e lc o n t r o l t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ob r a k i n go nt h es p l i tr o a d ，t h el a t e r a ld e f l e c t i o nw o u l d a p p e a rb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tr o a da d h e s i o ne o e f f i c i e n t s , e v e nt h ec a rc o u l dg e t o u to f t h el a n e a tp r e s e n t , a l t h o u g ht h ec o n t r o ls t r a t e g yc a nh a n d l et h ee f f e c to f t h e c a r sb r a k ee f f i c i e n c yc a 璐e db yd i f f e r e n tw a d s , t h e 锄p h a s i so nb r a k i n gd i r e c t i o n s t a b i l i t yd u r i n gb r a k i n ga n dr u n n i n gd e f l e c t i o na l ef e wc o n s i d e r e d i no r d e rt o i m p r o v ed i r e c t i o ns t a b i l i t y , t h i sp a p e rp r e s e n t san e wc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc o u l d i d e n t i f yr e a da d h e s i o nt o e m c i e n t sa c c o r d i n gt ot h eb r a k i n gp r e s s u r ea n dt h e n i i i 荫华人学硕十学位论文 a d j u s tt h eb r a k et o r q u eo f t i r e s w i t ht h e1 4d o f sv i r t u a lp r o t o t y p ev e h i c l em o d e l t h es i m u l a t i o nb a s e do na d a m s s u l i n ks o f t w a r ei sc o n d u c t e dt oa n a l y z et h e b r a k i n ge f f i c i e n c ya n dt h ed i r e c t i o ns t a b i l i t yo nt h er o a d sw i t hd i f f e r e n ta d h e s i o n c o e f f i c i e n t s i ti ss h o w nf r o mt h er e s u l t s t h a tt h ea p p r o a c hc o u l dn o to n l yr e d u c e b r a k et i m ea n dd i s t a n c eb u ta l s oi m p r o v eb r a k i n gd i r e c t i o ns t a b i l i t ya n di tc a n p r o v i d ei n f o r m a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to nt h ea c t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e so f v e h i c l e s f i n a l l y , as u m m a r yi sg i v e nt ot h ec u r r e n tr e s e a r c hw o r k a l t h o u i g ht h e c o - s i m u l a t i o nm o d e li s d e v e l o p e d a n dc a nc a l t yo ns o m ev e h i c l ev i r t u a l e x p e r i m e n t s ，t h es y s t e mi sn e e d e df o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tw h e ni ti sa p p l i e d i n t op r a c t i c ea n dt h e r ea r em u c hw o r k sl e f tt ot h ef u r t h e l - r e s e a r c h a h h o u g ht h e c o s i m u l a t i o nb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p ew a sa l le m e r g i n ga n dc h a l l e n g i n g t e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fc o - s i m u l a t i o ni nv e h i c l ev i r t u a le x p e r i m e n t si sv e r y w i d ea n di n n o v a t i v ef r o mt h ev i e w p o i n to f c u r r e n tr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p e ，c o s i m u l a t i o n , a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m c o n t r o la l g o r i t h mf o rf u l lv e h i c l e i v 两华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学 位论文或证书所使用过的材料与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期闻在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明! 学位论文作者签名 导师签名 r 月够日 汨诺日 两华人学硕十学位论文 l 引言 1 1 虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术【i 。2 l 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，并针对该产品在投入使用后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 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周 期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目 标。早推出产品者先占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要 求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，为了验证设计，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。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不 用谈对市场的灵活反应了样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工 程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不 足的毛病在竞争的市场的背景下，基于物理样机上的设计验证过程严重地制 约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占有。 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a 岫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动力，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。 虚拟样机技术可侵产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体 的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或 根本无法进行的试验，直到获得系统的最优设计方案。虚拟样机技术的应用贯 西华大学硕士学位论文 串在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中。设计师可以把自 己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机晕，让想象力和创造力充分发挥。 当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计 质量和效率得到了提高。 1 2 虚拟样机技术在车辆工程中的应用 汽车工业作为国家的支柱产业，在带动和辐射相关产业的技术创新和产业 发展方面起着非常重要的作用。而汽车的传统设计方法也是采用设计试验 设计的流程，这样的设计方法，需经多轮样车试制与反复试验，不仅花费 大量人力、物力，延长设计周期，而且有些试验因具有很大的危险而难于进行。 同时汽车已经是机电液和控制集成的复杂产品，有许多设计已经无法通过试验 来确定，更为重要的是，对汽车结构与性能关系的本质规律无法掌握，不能用 于指导设计。 虚拟样机技术仿真软件a d a m s 具有针对汽车设计与分析的专业模块 a d a m s c a r ，可以使工程师快速建立并测试包括悬架、轮胎和转向机构在内 的整车机械模型，可在屏幕上模拟汽车的运动状态，并自动生成每次仿真的标 准试验报告。在这种虚拟设计环境下，可以进行方向盘角阶跃、斜坡和脉冲输 入、加速试验、制动试验和稳态转向试验等多种仿真工况啪。还可以在不同道 路状况下试验其虚拟样机的性能，完成在试验道路上进行的各种操纵稳定性试 验。虚拟样机技术的应用，使得在构造物理样机之前就可以准确地预测整车操 纵稳定性、乘坐舒适性、安全性等其它性能参数。这样就可以在产品丌发阶段 实现节约时间、降低成本、提高质量的目标 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 研究目的 本项研究旨在通过利用多体动力学仿真软件a d a m s 建立基于虚拟样机 技术的整车模型“1 ；对过份强调路面附着系数的单轮控制算法6 川进行研究和 完善，得到基于整车的a b s 控制策略，从而避免由于所处路面条件的不一致 性而使车轮附着系数不等时引发的跑偏现象，使汽车的方向稳定性提高从而有 2 西华大学硕士学位论文 效提高汽车的主动安全性”一；然后在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立a b s 制 动器及基于整车控制技术的控制模型，并将虚拟样机模型与a b s 控制模型相 结合。从而构成研究a b s 性能的联合仿真模型阻哪，为汽车产品的开发提供新 的平台和方法 1 3 2 研究意义 汽车的行驶安全性一直是伴随着汽车发展的研究热点之一随着汽车电子 技术的发展以及快速的产业化，也给汽车的主动安全性提供了应用的空俺j a b s 作为一种可靠的提高汽车制动性能的电控装置，其装车量在不断的增加， 甚至在某些地区是强制性的施行 近年来，随着控制工程在制动系统中的应用，促进了a b s 研究途径的多 样化：有的采用创建数学模型的方法。有的采用半物理仿真技术，有的在通用 软件m a t u 墟中创建模型进行分析，有的对a d a m s 进行二次开发编制子程 序进行控制“o 虽然都可以实现对a b s 制动系统的仿真以及开发等工作， 但其模型大多比较简单。同时在传统仿真模型上编写控制程序不仅增加了问题 的复杂性，而且在深度上也无法满足现实的需求将虚拟样机仿真软件 a d a m s 和控制工程软件m 触l a b 结合起来，进行a b s 联合仿真，可以发挥 各自的优势，较好地实现研究目的利用虚拟样机技术可以开发更复杂的、更 接近汽车系统的动力学模型，同时利用专业的控制工程软件可以便捷的开发相 应的控制策略，为a b s 系统的开发以及控制策略的完善提供了新的平台和工 具。 在众多的针对a b $ 的研究中主要集中在单轮模型，并且对于路面状态的 考虑比较简单。基本缺乏跟踪路面变化的能力在当基于a b s 单轮控制技术 的汽车在非对称路面进行制动时，由于左右两侧的制动力不等将使汽车产生侧 向偏转的过程，极端情况下将驶出相应的车道，产生极大的不安全性。目前的 这些控制方法虽然可以处理不同的路面给汽车的制动效能等带来的影响，但是 却很少研究汽车制动过程中的制动跑偏以及汽车制动过程中的方向稳定性问 题针对这种情况在当前技术条件下，最为实用的方法就是通过a b s 自身的 整车布置方式和相应的整车控制技术来提高汽车在不同路面条件下的操纵性 堕兰盔兰堡主兰堡丝壅 和稳定性“，即由单一的a b s 控制转向多目标的综合控制以及整车的控制技 术。 1 4 国内外现状和发展趋势 目前国外的各种a b s 控制系统层出不穷，并且在国内投产的一些新车型 中丌始了应用。但是核心技术基本上为外方所控制，国内在核心技术领域显得 相对落后。 近年来国内对发展自主知识产权汽车的呼声越来越高，发展汽车技术，尤 其是一些新领域的技术核心，已经被提高到国家战略的高度。作为汽车安全性 能的重要保障，汽车a b s 控制技术的研究一直是国内各高校、汽车研究所和 生产厂商的重要课题。研究内容主要集中在基于单轮模型的控制策略的研究， 重点在汽车的制动距离方面以及车轮的抱死程度上。主要的控制方法有简单的 逻辑门限控制，模糊控制等。但汽车制动过程中的方向稳定性还没有得到人们 极大的重视，而这方面的研究也显得不足。为了保证汽车在制动过程中的直线 行驶稳定性，在当前技术下最实用的方法就是通过a b s 自身的整车布置方式 和a b s 整车控制技术来满足汽车在不同路面下的操纵性与稳定性。 总的来说。目前国内的制动系统研究主要沿着如下两个方向发展：1 ) 沿 着汽车工程设计的角度，对传统汽车制动系统不断进行优化，主要体现在制动 力合理分配和各种制动力调节阀的分析研究。2 ) 沿着控制工程在制动系统中 的应用，对a b s ，a s r 等新技术进行研究 国内外的研究中主要从仿真着手，再进行实车试验。从整个行业的发展来 看，由于实车试验在整个a b s 产品开发过程中占有的周期较长，特别是需要 相应的冬季试验。虚拟样机技术的广泛应用，避免了实车试验所承担的风险和 危险，并能够有效的缩短产品的开发周期。必将在a b s 产品开发中有较大的 应用价值。随着控制工程在汽车各系统仿真的应用日益广泛深入，在传统仿真 模型上编写控制程序不仅增加了研究的复杂性，而且在深度上将逐渐无法满足 现实需求。将虚拟样机仿真软件和控制工程软件结合起来进行联合仿真就可以 发挥各自优势“7 ，较好地实现研究目的 4 西华人学硕士学位论文 1 5 课题研究的主要内容与方法 本项目将在汽车制动防抱系统单轮控制模型的基础上，提出相应的提高汽 车制动方向稳定性的控制方法首先在多体系统仿真软件a d a m s 中建立一 个多构件多自由度的整车模型。为了模拟汽车制动过程中车轮能够处于不同路 面状态的工况，将根据a d a m s 中3 d 路面的编写格式编制路面文件建立 相应的路面模型。运用m a t l a b s i m u l i n k 建立相应的整车控制策略，然后借助 予a d a m s c o n t r o l s 模块将整车模型作为一个机械系统模型引入控制分析软 件m a t l a b s i m u l i n k 中“”，依据g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件中关于 制动系性能检测的工况要求进行机电一体化系统的联合仿真。本文通过对汽车 制动过程中的整车控制，来避免两侧车轮附着系数不等时引发的跑偏现象以保 证汽车在制动过程中的方向稳定性伽。 通过对控制系统中单轮控制策略的研究来开发提高汽车直线制动行驶稳 定性的控制方法，在兼顾车辆制动距离的同时提高车辆的方向稳定性。同时利 用虚拟样机技术在a d a m s 环境或控制应用程序环境获得机电联合仿真结果， 以此来避免实车试验所承担的风险和危险，同时给出控制策略的可靠性和有效 性 顺利完成本课题，需依次完成如下工作： l 、整车模型：系统模型化是系统仿真的核心问题，建立正确可靠有效的 仿真模型是保证仿真结果具有较高可信度和准确性的关键和前提本文中将利 用多体动力学分析软件建立多自由度的汽车整车模型 2 、道路模型：将根据a d a m s 中3 d 路面的编写格式编制路面文件建 立相应的路面模型 3 、a b s 的控制策略：通过对控制系统中单轮控制策略的研究，提出了基 于道路自动识别的a b s 逻辑门限控制策略，首先根据制动压力进行道路自动 识别，然后根据路况自动调整左右两侧车轮的锖动力之差，以保证车辆制动时 的方向稳定性，使车辆在兼顾其制动距离与时间的前提下提高其直线制动的方 向稳定性。 4 、联合仿真：使用a d a m s c o n t r o l s 模块进行a d a m s 程序和m a t l a b 控制软件联合分析，包括四个基本步骤： 5 曲华人学硕士学位论文 1 ) 输入己构造好的a d a m s 整车模型。该模型中包括几何模型、各种约 束和作用力等。 2 ) 确定a d a m s 的输入和输出。输出是指进入程序的变量，表示从 a d a m s c o n t r o l s 输出到控制程序的变量。输入是指从控制程序返回到 a d a m s 的变量，表示控制程序的输出。通过定义输入和输出，实现a d a m s 和控制程序之间的信息封闭循环。 3 ) 构造控制系统方框图。控制系统方框图是用m a t l a b 控制程序编写 的整个系统的控制图。在a d a m s c o n t r o l s 中通过定义p l a n te x p o r t 建立与控 制程序m a t l a b 之间的接口从而构成闭环控制系统。a d a m s 的机械系统样 机模型被设置为控制图中的模块。 4 ) 系统联合仿真分析。对机械系统和控制系统进行联合分析，通过与常 规控制方法结果的比较得到相应控制策略的有效性和可靠性。 6 西华大学硕士学位论文 2 机械系统分析软件a d a m s 简介及其计算方法 2 。1 创d a m s 软件简介 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 sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是国内外广泛 应用的机械系统仿真设计软件，工程中可利用a d a m s 交互式图形环境、零 件约束、力库等建立机械系统三维参数化模型”“。并通过对其运动性能进行高 精度逼真的仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。 a d 舢s 自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真 的动画或x y 曲线图形，a d a l 垤s 仿真可用于预测机械系统的性能、运动范 围、碰撞检测、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持a d a m s 同 大多数c a d 、f l e x ( 柔性模块) 及控制设计软件包之间的双向通讯2 1 a d a m s 的核心配置方案是核心仿真软件包，它包括交互式图形用户界 面a d a m s ，v i e w 和仿真核心的求解器a d j w s s o l v o r 等。 a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的交互式图形环境，采用简单的分级 方式或建模工作。仿真结果采用强有力的、形象直观的方式描述虚拟样机的动 力学性能嘲，并将分析结果进行形象化输出c a d 几何造型可通过i g e s 接 口输入进a d a m s v i e w , a d a m s v i e w 的输出选项可以是曲线图、着色的或 线框式的动画显示及输出到e x c h a n g e 接口视频显示器或w a v e f r o n t 软 件接口 a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 可以通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线 圈等建立简单的控制机构，或者利用在通用控制软件( 如：m a t l a b 、m a t r i x 、 e a s y 5 ) 中建立的控制系统框图，建立包括控制系统、液压系统、气动系统 和动力机械系统的仿真模型 a d a m s s o l v e r 是位于a d a m s 产品系列心脏地位的仿真“发动机”该 软件自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的 解算结果a d a m s s o l v o r 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种 问题它可以对刚体和弹性体进行仿真研究。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，可以通过运动副、随机运动、用户自定义的子程序等添加不 同的约束，还可同时求解运动副之问的作用力和反作用力，或篪加单向外力 7 曲华人学硕十学位论文 a d a m s f l e x 是集成可选模块，是a d a m s 与f l e x 软件之自j 进行双向 数据通讯的接口，它可研究柔性体对机械系统性能的影响，该模块利用模态频 率生成柔性体的a d a m s 模型，由于系统仿真研究考虑了柔性体的影响，因 此可以明显提高仿真精度。f l e x 是合成柔性体的有效途径。a d a m s f i e x 支 持a n s y s 、m s c n a s t r a n 和1 d e a s 的中性文件e u t r a lf i l e ) 格式。通过 柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有 机的a d 舢“s 模型。 a d a m s c a t ( 轿车模块) 赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包 括悬架、传动系、发动机、转向机构、a b s 系统以及其它复杂总成。用户可 以在各种不同的道路条件下运行a d a m s c a r 模型，执行驾驶操作，使车辆 在试验跑道上正常行驶，准确模拟汽车的操纵稳定性、乘座舒适性、安全性及 其它各项性能。仿真功能还包括牵引性能控制、a b s 等控制系统。这为汽车 工程师提供了前所未有的仿真能力，世界五大汽车制造公司a u d i 、b m w 、f o r d 、 r e n a u l t 和v o l v e 形成了一个国际性合作集团，共同开发成功了a d a m s c a r 软件。 a d a m s t i r e ( 轮胎模块) 是研究轮胎与道路相互作用的可选模块。该模块 更完善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力， a d a m s t i r e 可计算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直、纵向和横向载荷，可 仿真研究车辆在制动、转向和滑行、滑移等大变形位移下的动力学特性；可与 a d a m s 结合共同研究车辆的稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾：输出 力和加速度数据可供有限元分析软件包进行压力和疲劳研究；计算由于制动力 矩和转动力矩产生的反作用力。 此外，a d a m s 还包括l i n e a r ( 线性分析模块) 、e x c h a n g e ( 图形接口模块) 、 m e c h a n i s m p r o ( 机构分析模块) 、v e h i c l e ( 车辆模块) 、a n i m a t i o n ( 动画模块) 、 a d a m s d r i v e r ( 驾驶员模块) 等。 2 2a d a m s 软件的特点 具体地说，a d a m s 软件具有如下特点： a d a m s 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，其动力学数值积 8 西华大学硕士学位论文 分有极强的适应性，积分步长和输出步长无关，用户可以成功地进行高频输出： 分析类型包括运动学、静力学、准静力学、动力学分析其静平衡法包括 多种级别积分，因此当一种积分方法失效后软件就自动开始进行第二次积分， 同时解算器还可以处理病态矩阵； 具有二维和三维建模能力； 具有五十多种联结副、力和运动发生器组成的库： 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； 具有开发式结构，允许用户集成自己的子程序： 具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器； 有限元载荷的输出接口，a d a m s 运动时，刚体和柔体模型的载荷都可 直接输出a n s y s 、n a s t r a n 或a b a q u s 兼容的格式： 表面接触功能可自动检测接触是否发生并作出响应； 通过采用全局定位图识别过约束系统，功能更强，精度更高 鉴于a d a m s 软件的上述特点，目前在整个商品化的多体软件的销售中， 市场占有率最高，其中汽车行业的使用率约为4 3 。 2 3 分析、计算方法 只有了解a d a m s 软件的理论基础和求解方法，才能真正发挥其求解功 能，下面系统介绍一下a d a m s 的理论基础和求解方法 2 3 1 广义坐标选择 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。a d a m s 用 刚体i 的质心笛卡尔坐标和反映剐体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作为广义坐 标，即吼= k 乃z ，l ，只妒f ，q = 【g j ，q l ，g ：r 。由于采用了不独立的广义坐标， 系统动力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩 阵的方法高效求解。 9 婀华人学硕十学付论文 2 3 2 动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： 磊d ( a t 一( 争+ 刃p 十够删 ( 2 _ 1 ) 完整约束方程：妒( g ，f ) = 0 非完整约束方程：o ( q ，牙，t ) = 0 其中，t 系统动能； g 系统广义坐标列阵； q 广义力列阵： p 对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 2 3 3 动力学方程的求解 ( 2 1 ) 式更一般的形式为： f ( q ，女，2 ，f ) = 0 g ( u ，尊) = u - ( 1 = 0 ( 2 2 ) 中( g ，f ) = 0 其中，口广义坐标列阵： 口，“广义速度列阵； a 约束反力及作用力列阵； f 系统动力学微分方程及用户定义的微分方程( 如用于控制 的微分方程、非完整约束方程) ； 母描述约束的代数方程列阵。 1 0 西华大学硕士学位论文 如定义系统的状态矢量y = 【9 7 ，l t , 】r ，式( 2 2 ) 可写成单一矩阵方程： g ( y ，豇f ) = 0 ( 2 3 ) 在进行动力学分析时，a d a m s 采用两种算法： ( 1 ) 提供三种功能强大的交阶、交步长积分求解程序：g s t i f f 积分器， d s t i f f 积分器和b d f 积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方 法适用于模拟刚性系统( 特征值变化范围大的系统) 工程。 ( 2 ) 提供a b a m 积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微 分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 l 、微分代数方程的求解算法 用g e a r 预估校正可以有效地求解式( 2 - 2 ) 所示的微分代数方程。首先， 根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量 值： = 儿+ 誓 + 壶争肌 c ：4 ， 其中，时间步长 = f “- t 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，式( 2 2 ) 右 边的项不等于零，可以由g e a rk + l 阶积分求解程序( 或其它向后差分积分程 序) 来校正如果预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足式( 2 2 ) 。则 可以不必进行校正。 儿+ ，= 一 风夕- + i + 嘶y m 。 ( 2 5 ) 其中，) ，+ y ( f ) 在f = f - + 。时的近似值； 风，哦g e 缸积分程序的系数值 西华大学硕士学位论文 整理( 2 - 5 ) 得：夕。= 去【y 。一喜听) ，。+ l 】 将式( 2 - 2 ) 在t = t 。时刻展开，得 ( 2 6 ) ，( q + i ，。+ l ，西。“，九+ l ，t + 1 ) = 0 g ( u r + i7 q n + l m 。氓一( 意，一酗k ) - o ( 2 7 ) o ( g ，t ) = 0 a d a m s 使用修正的n e w t o n - r a p h s o n 程序求解上面的非线性方程，其迭 代校正公式为： 乃+ 筹却，+ 篆血，+ 等越，+ 署鸲= 。 嘭+ 署 秘，= 。 卟詈舻。 其中，表示第_ ，次迭代。 幻= q i q j , a u ，= ”p i u j , j a 乃= 以“一 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 署= c 去n ，= 誓( 2 - 1 1 ) 将式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 代入式( 2 8 ) 得式( 2 1 2 ) ： a 觚一l慨舭 d = 叱 协 式 式 由 由 西华大学硕士学位论文 。差，( 誓一亨篆) 7l耋，：主， c z 2 ， ( 争 。o r l r 叫 式( 2 1 2 ) 左边的系数矩阵称系统的雅可比矩阵，其中_ o f 系统刚度 矩阵；罢系统阻尼矩阵：罢系统质量矩阵 通过分解系统雅可比矩阵( 为了提高计算效率，a d a m s 采用符号方法分 解矩阵) 求解幻，“，乃，计算出q j + l “川，乃+ ，雷，t m ，缸i ，重复上述迭 代校正步骤，直到满足收敛条件，最后是积分误差控制步骤。如果预估值与校 正值的差值小于规定的积分误差限，接受该解，进行下一时刻求解，否则拒绝 该解，并减少积分步长，重新进行预估校正过程。总之，微分代数方程的求 解算法是重复预估、校正、进行误差控制的过程，直到求解时间达到规定的模 拟时间 2 、坐标缩减的微分方程求解算法 a d a m s 程序提供a b a m ( a d a m s b a s h f o r t ha n da d a m s - m o u l t o n ) 积分程 序，采用坐标分离算法，将微分代数方程减缩成用独立广义坐标表示的纯微 分方程，然后用a b a m 程序进行数值积分 坐标减缩微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行： ( 1 ) 坐标分离将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解，可将系统的广 义坐标列阵 g 分解成独立坐标列阵k 和非独立坐标列阵矗。j ，即 g = 鼢 曲华人学硕十学侥论文 ( 2 ) 预估用a d a m s b a s h f o r t h 显示公式，根据独立坐标前几个时闻步 长的值，预估时刻f 。的独立坐标值k r ，p 表示预估值a ( 3 ) 校正用a d a m s m o u l t o n 隐式公式对上面的预估值，根据给定的收 敛误差进行校正，以得到独立坐标的校正值k r ，c 表示校正值。 ( 4 ) 确定相关坐标确定独立坐标的校正值之后，可由相应公式计算出 非独立坐标和其他系统状态变量值。 ( 5 ) 积分误差控制与上面预估校正算法积分误差控制过程相同，如果 预估值与校正值的差值小于给定的积分误差限，接受该解，进行下一时刻的求 解，否则减小积分步长，重复第二步开始的预估步骤。 2 3 4 静力学分析、运动学分析和初始条件分析 2 3 4 i 静力学分析 对应于上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析时，分别设 速度、加速度为零，得到如式( 2 1 3 ) 所示的静力学方程： 吾c 争 丝 。 却 吼= 圉 ( 2 1 3 ) 2 3 4 2 运动学分析 运动学分析研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束反力，因此只需 求解系统约束方程：中( g ，t ) = 0 ( 2 - 1 4 ) 任一时刻f 位置的确定，可由约束方程的n e w t o n - r a p h s o n 迭代求得： 1 4 西华大学硕士学位论文 剖”啪) ( 2 - 1 5 ) 其中，g ，= g ，+ i - q ，表示第- ，次迭代 f - 时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到： 掣) 寸；一塑( 2 - 1 6 ) ( 百坷一一o t 譬肛一 窘+ 喜喜蔫和，+ 詈c 争+ 若譬，矗c 2 朋， 时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到： 争拈。讲d ( o 街t n 昏，+ q 协 2 3 4 3 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 在初始系统模型中各物件的坐标与各种运动学约束之间达成协调，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 日标函数的最小值得到。 ( 1 ) 对初始位置分析，定义相应的位置目标函数三。 厶= 寺形( 吼- q 。) 2 + 驾o ， ( 2 1 9 ) - h i j i - 其中，一系统总的广义坐标数；4 m 系统约束方程数； o ，驾分别是约束方程及对应的拉氏乘子： 孙用户设定的准确或近似的初始坐标值或程序设定的缺省坐标值； 1 5 西华大学硕七学位论文 彬对应g 。，的加权系数，如用户指定的q o i 是准确坐标值，形取大值。 如用户指定的g 。，是近似坐标值，形取小值。如果是程序设定的q o i 坐标值，则 彤取零值。 l o l l z 最d 噶舳等o 篝_ o 得： 胁嘞弘