（机械电子工程专业论文）摩托车车架虚拟试验技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 摩托车车架是摩托车主要的承载部件，其强度和疲劳寿命对摩托车整车 来说至关重要。不论是仿制还是自主开发新型车架的传统方法，般是先进 行结构功能设计，再试制样机，然后进行样机的静强度试验、模态试验和动 态响应试验，检验车架的静动态特性。如不能达到设计要求，需重新更改设 计、试制样机和试验，如此循环往复，直到车架满足设计要求为止。这一过 程周期长，耗费大量的人力、物力和财力。随着计算机软硬件技术的发展， 虚拟试验技术应运而生。虚拟试验就是在计算机系统中采用软件代替部分硬 件或全部硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环境 中一样完成各种预定的试验项目，使所取得的试验效果接近或等价于在真实 环境中所取得的效果。 本文以某型摩托车车架为研究对象，将先进的虚拟试验技术应用于车架 新产品的研发过程，即用计算机虚拟试验技术代替车架的物理样机试验，快 速提供车架的静动态特性。首先在m s c p a t r a n n a s t r a n 有限元软件中建立车架 的静强度、模态和动态响应分析的有限元模型，进行静力、模态和瞬态响应 分析，即虚拟试验。然后做车架的静强度、模态和动态响应试验，比较虚拟 试验结果与物理样机试验结果，改进有限元的模型，最终得到能够反映实际 的修正模型，利用修正模型进行虚拟试验的结果与物理样机试验结果接近， 实现了用车架的计算机虚拟试验取代车架的物理样机试验，从而为缩短研发 周期、节省样机制造和物理试验的费用提供了手段。 本文虚拟试验结果说明此款车架的动静强度是足够的，但固有频率需要 提高以避免和发动机产生共振，这与物理样机试验的结果等价。通过本文的 研究，作者掌握了摩托车车架虚拟试验技术，为今后丌发新型车架所进行的 虚拟试验打下了良好的基础。 关键词：摩托车车架；虚拟试验；物理试验；有限元； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h em o t o r c y c l ef r a m ei st h em a i np a r tt os u p p o r tt h el o a df o rm o t o r c y c l e i t s s t r e n g t ha n df a t i g u el i f ea r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h ew h o l em o t o r c y c l e a sf o rt h e t r a d i t i o n a la p p r o a c h e se i t h e rd u p l i c a t i o nm a n u f a c t u r eo rs e l fr do ff l a m e ， g e n e r a l l yf i r s t l yc a r r y i n go u tt h es t r u c t u r a la n df u n c t i o n a ld e s i g n ，t h e nm a k i n g p r o t o t y p ea sw e l la st h es t a t i cs t r e n g t h ，t h em o d a la n dt h ed y n a m i ce x p e r i m e n t so n i t ，w i t ht h e s ep r o c e s s e s ，t h es t a t i c d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff r a m ec a nb ec h e c k e d ， i ft h er e s u l t sa r en o ts a t i s f i e d t h es a m ep r o c e s s e ss h o u l d b ed o n er e p e a t e d l yu n t i l t h er e s u l t sa r ec o n f o r m e dw i t ht h ed e s i g n t h e s et r a d i t i o n a la p p r b a c h e sn e e dl o n g t i m ea n dc o s t st o om u c hi nm a n p o w e r ,m a t e r i a l sa n dm o n e y w i t l lt h e d e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ev i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yh a v e o c c u r e dc o n s e q u e n t l y , t h i st e c h n o l o g ya i m sa te s t a b l i s h i n gav i r t u a le n v i r o n m e n t t h r o u g h t h ea p p l i c a t i o no fs o f ta w a r ei n r e p l a c e o fh a r d w a r ep a r t i a l l yo r c o m p l e t e l y , t h u st h es c h e d u l e de x p e r i m e n t se a r lb ea c c o m p l i s h e di n v i r t u a l e n v i r o n m e n ta si nr e a ls i t u a t i o na n dt h er e s u l t so b t a i n e df r o mv i r t u a le n v i r o n m e n t i sc l o s et oo re q u i v a l e n tt ot h eo n e sg o t t e nf r o mr e a le n v i r o n m e n t b a s e do nat y p eo fm o t o r c y c l ef r a m e ，t h et h e s i sa l m sa ta p p l y i n gt h e a d v a n c e dv i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yi n t ot h er do fn e wt y p eo fm o t o r c y c l e f r a m e t h a ti ss t u d y i n gt h ea p p r o a c ht or e p l a c et h et r a d i t i o n a lp h y s i c a le x p e r i m e n t w i t ht h ea d v a n c e dv i r t u a le x p e r i m e r i tt op r o v i d et h es t a t i c d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s q u i c k l y f i r s t l ye s t a b l i s h i n gt h es t a t i cs t r e n g t h ，m o d ea n dt h ed y n a m i c sr e s p o n s e a n a l y s i su p o nt h em o t o r c y c l ef l a m ew i t ht h es o f t w a r em s c p a t r a r d n a s t r a nt o a n a l y z et h e m ，i ev i r t u a le x p e r i m e n t s t h e nc a r r y i n go u tt h er e a le x p e r i m e n t s ， c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t s r e s u l t sw j t 1t h ev i r t u a lr e s u l t s 。g r a d u a l l yi m p r o v i n g t h ef e am o d e l ，u n t i lo b t a i l f i n gt h em o d i f i e dm o d e lw h i c hr e f l e c t st h er e a l i t y , f i n a l l yt h er e p l a c e m e n to fr e a lp h y s i c a lp r o t o t y p ee x p e r i m e n tw i t hv i r t u a l e x p e r i m e n ti sr e a l i z e d a f t e rt h ev i r t u a le x p e r i m e n t ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es t a t i ca n d d y n a m i cs t r e n g t ho ft h i st y p eo fm o t o r c y c l ef r a m ea r es u f f i c i e n t ，b u tt h en a t u r a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 f r e q u e n c yo ff r a m en e e db eh i g h e rt oa v o i dt h ec o v i b r a t i o nb e t w e e nf r a m ea n d m o t o r ，t h i sr e s u l ti se q u i v a l e n tt ot h ep r o t o t y p ee x p e r i m e n t t h r o l l 【g ht h es t u d y i n g ， t h ew r i t e rm a s t e r st h ev i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yo fm o t o r c y c l ef r a m e ，a n d c o n s t r u c t sag o o df o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h en e wt y p eo ff r a m ew i t hv i r t u a l e x p e r i m e n tt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m o t o r c y c l ef r a m e ；v i r t u a le x p e r i m e n t ；p h y s i c a le x p e r i m e n t ；f e a ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先介绍在中国摩托车业快速发展壮大以及计算机辅助工程快速 发展的情况下对摩托车先进研发技术的需求，研究摩托车车架的计算机虚 拟试验技术代替物理试验的理论及实践意义；继而对该研究领域内的国内 外研究现状和发展动态作一介绍；最后介绍了本论文研究的主要内容与研 究方法。 1 1 研究背景与意义 中国的摩托车业在经历了二十年的快速发展后，后来居上成为世界上 产销量第一的摩托车生产大国。我国的摩托车业自主开发速度、能力和技 术创新能力较之国外同行还有很大差距。在摩托车业发展之初，我们走了 一条从国外直接引进技术和车型的捷径，为抢占国内国际市场赢得了时间， 并获得了巨大利益。但在随后的发展中，大部分企业忽略了自主研发新产 品的重要性，长时间停留在测绘仿制阶段。随着我国摩托车业的强大，中 国加入w t o ，再想继续仿制下去，除了惹来众多的国际官司外，还因为技 术落后而缺乏发展后劲。近几年来，国内的大企业已认识到这个问题，纷 纷组建研发中心，加大自主开发新产品的力度，保护自有知识产权。一些 高校与企业联合，投入人力物力对摩托车的各个部件进行研发，为民族产 业发展状大提供技术支持。 计算机技术、信息处理技术、c a x ( c a d c a e c a p p ，c a m ) 技术的迅 猛发展，虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术的逐渐应用，为工业产品的研发、 设计、制造及性能试验，提供了一种全新的解决方法一在计算机上建立产 品完备的三维实体模型，创建虚拟的制造工厂、虚拟的实验室及运行环境， 在虚拟的环境下完成各种测试、试验，评定未来产品的制造性能、装配性 能、使用性能。从而极大地减少样机的试验制造次数，缩短产品的开发周 期，降低开发成本。2 0 世纪9 0 年代后期以来，虚拟仿真技术飞速发展， 取得了令人瞩目的成果。目前，国外在工业产品的虚拟设计、制造、虚拟 试验技术等方面已经取得了很大的进展。对机械产品虚拟开发的基础理论 和应用技术的研究，是国内外工程技术界普遍关注的一个热点。采用虚拟 仿真系统代替实际系统，使试验次数可以不受限制，试验过程具有可重复 性。虚拟仿真试验技术是一个崭新的领域，是一种先进的以高性能计算机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统为支撑平台的计算机仿真技术，是随着计算机图形学、多媒体技术、 人工智能、人机接口技术、并行技术、传感器技术等一系列技术的迅速发 展而在上一世纪9 0 年代发展起来的新技术，自其产生之日起就以其无比的 优越性得到了机械制造业的广泛认可。由于虚拟技术具有易理解、可重复、 无危险、低成本等特点，所以它在车辆工程领域的应用受到了世界各大汽 车公司、大学和研究机构的极大关注，其研究工作方兴未艾1 1 - 4 1 。 摩托车车架是摩托车的骨架，用来固定和支承车辆的发动机、传动系统 和悬挂系统以及其它相关元件等，以保证车辆行驶的灵活性、加速性和稳定 性。摩托车操纵的平顺性、驾驶的安全性、乘坐的舒适性和在各种路面条件 下的通过性与车架都有不可分割的关系 5 , 6 1 。由于虚拟试验技术的特点和优 点，很多科技工作者研究将虚拟试验技术应用于摩托车及车架的研发上，一 旦虚拟试验技术成熟并普及应用，将会使摩托车及车架的研发节约大量的人 力、物力和财力。国内外对汽车的虚拟仿真试验研究应用的比较早，成果较 多，对于摩托车的虚拟仿真试验研究的相对较少。我国对于摩托车虚拟仿真 试验技术的研究起步较晚，目前还没有专用于摩托车的虚拟仿真试验软件。 本课题拟利用有限元软件进行摩托车车架虚拟试验技术的研究，为摩托车车 架虚拟试验技术的实际应用做些探索性的工作。 1 2 国内外的研究现状 计算机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，推动了虚拟试验在车 辆方面的应用。虚拟试验技术在车辆工程中应用的主要领域为车辆轮胎模 型研究、车辆系统可靠性和耐久性的虚拟试验、车辆动力学与操纵稳定性 的虚拟试验、虚拟原型试验仿真技术的运用研究、车辆碰撞和安全分析应 用研究等方面。1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了车辆动力性和经济 燃油性的通用预测程序g p s i m ，该程序可以模拟汽车在任何工况下的瞬时 油耗、累计油耗、行驶时间和距离，预测汽车设计参数如：质量、传动比、 空气阻力系数等的变化对汽车性能的影响。美国能源复用实验室在m a r l a b 的环境下，利用s i m u l i n k 工具箱开发的a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l e s i m u l a t o r ) ，能够在汽车未成型前评价出普通汽车、电动汽车和混合动力 汽车的动力性、经济性和排放等性能。美国北卡大学虚拟环境实验室，开 展了车辆驾驶员虚拟环境的研究，具有极强的工程应用性。美国m d i 公司 开发的a d a m s 软件是构造产品的虚拟原型的一个很好的平台，其中的c a r 模块是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 公司合作开发的整车虚 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 拟设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验。利用该模块、 工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机( 包括车身、悬架、传动试验、 发动机、转向机构、制动系统等) 并进行仿真，通过高速动画真观地显示 在各种试验工况下( 例如：天气、道路状况、驾驶员经验) 整车动力学响 应，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。v t l ( v i r t u a lt e s tl a b ) 系统是由美国m t s ( m e c h a n i c a lt e s ts y s t e m ) 公司研制的虚拟试验系统，该系统通过在产品或 者部件上安装虚拟传感器，并将虚拟原型安装在不同的试验环境中，可获 得产品的疲劳强度、动态特性、操作舒适性、噪声以及振动等试验结果。 在v t l 环境中，一旦虚拟模型确定，可以反复进行试验，并根据虚拟试验 结果对设计进行反复修改，从而获得最佳设计方案。1 9 9 9 年1 0 月在德国慕 尼黑召开的第1 3 届国际地面机器系统力学大会上，德国学者i n g o b e r t c s c t m a i d 对一辆带有主动悬挂系统的二轴卡车在随机选定的路面上，对路 面土壤和车轮之间的作用进行了虚拟仿真试验。轮胎模型采用的是f e m ( f i n f f e e l e m e n t m e t h o d ) ，仿真的结果采用曲线和图像输出，轮胎在地面的 作用下变形的过程被实时地用图像表现出来，驾驶员驾驶车辆时的前方视 景根据提供的数字地面被逼真再现，他的研究成果受至了广泛的关注。在 可靠性、耐久性的虚拟试验的应用研究上，日本的丰田、本罔、五十铃、 美国的通用、欧洲的大众等汽车厂家都投入大量的入力、物力和财力。其 中，五十铃公司在大中型卡车车体的强度试验方面目前处于领先的水平， 它们已成功地将虚拟试验技术应用于部分关键零部件的疲劳强度试验中， 目前正在开发运用于如车体强度甚至整车动力学特性研究的虚拟试验系 统。戴姆勒奔驰汽车公司己成功地将虚拟试验技术用于系列高速轿车的产 品开发中。设计者只要给出新车型、新部件的设计方案和参数，就可通过 汽车动态仿真器进行仿真试验，从而准确预测和评价新型汽车的动力学特 性。由于车辆的破坏性碰撞和安全性试验既危险成本又高，所以往往要先 进行计算机仿真，然后进行实车试验。较为成熟的c a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ) 软件也能对车辆的碰撞进行仿真和进行安全性的分 析，如利用悬架系统模型和前向撞击模型就能准确地对车辆的动力学机械 变形、冲击载荷的形式和受力的路径、车辆对撞击能量的吸收等进行分析。 然而在v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 中，除了能完成上述的撞击仿真和分 析外，在整车的翻转事故的虚拟再现和分析更具魅力。实际上，多辆汽车 同时发生相撞而倾翻的事故比一辆汽车发生倾翻事故的可能性大，据统计 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 约占7 3 5 ，多辆车辆碰撞的虚拟试验正在进行研究。虚拟试验技术在碰撞 和安全分析的应用研究方向包括这几个方面：车辆模型的研究、车辆安全 装置模型的研究、车辆动力学和车辆结构防撞性的分析与研究。 与西方发达国家相比，国内在虚拟试验方面的研究单位主要集中在高 校。清华大学的学者提出了在虚拟试验场中的轮胎模型研究的课题，利用 轮胎试验参数建立轮胎在滚过不平路面时的时域内的动力学模型，并考虑 滚动过程中车轴运动和地面有不平度时的接触问题，模拟实际路面上轮胎 轴荷的动力学响应，为汽车的虚拟试验场提供科学的轮胎模型。在中国农 业大学车辆交通学院，研究者提出了“汽车一驾驶员一环境闭环系统操纵 稳定性虚拟试验技术的研究”题目。研究者基于桌面虚拟现实系统( d e s k t o p v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m ) ，开发了汽车操纵稳定性虚拟试验的软件平台，并在 该试验平台上进行了桑塔纳轿车( 3 3 0 k s d l o l s d i ) 操作稳定性典型路况 ( 双移线、蛇行线) 的虚拟试验( 仿真试验) 和对其提出的模糊神经网络 驾驶员控制模型进行了虚拟仿真试验。试验结果表明：虚拟试验与实际试 验具有较好的一致性，虚拟试验能较好地虚拟再现实车试验的场景，参与 者能交互地控制仿真过程，使人们对车辆运动仿真的分析、理解变得更为 容易。浙江大学的c a d c g 国家重点实验室在计算机图形学、虚拟现实技 术等方面已经积累了不少研究成果。新近又建成了具有国际领先的c a v e 虚拟现实环境，利用c a v e 虚拟现实环境，开展了虚拟设计、制造和试验 研究。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室对汽车防抱制动系统( a b s ) 混合仿真实验台进行系统分析，建立了用于硬件在环仿真的车辆模型、轮 胎模型、路面模型以及a b s 液压系统模型，并进行了硬件在环仿真实验。 它将a b s 实际部件嵌入到软件环境中进行混合仿真，极大地扩展了软件仿 真的功能，为a b s 产品开发提供了开发工具和试验平台 7 , s l 。中国嘉陵集 团技术中心进行了用虚拟样机技术进行摩托车性能仿真的研究，对摩托车 加速、制动和随机路面平顺性进行了仿真分析，对摩托车前后悬架系统的 结构参数进行了优化。国内对摩托车及车架虚拟试验技术的研究比较少。 1 3 研究的主要内容与方法 研究的主要内容是将摩托车车架的物理试验，包括车架的模态试验、 静力试验和动力响应试验，用有限元软件再现出来。具体的做法就是将车 架物理试验的约束边界条件及载荷条件输入给有限元软件中车架的有限元 模型，在有限元软件中虚拟车架的物理试验，并将在有限元软件中计算出 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 来的结果与车架物理试验的结果进行对比分析，改进有限元模型，在允许 的误差范围内，使得用有限元法虚拟车架的物理试验能够准确可行，在这 过程中掌握有限元法虚拟车架物理试验的方法和技术。 研究方法采用c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术中的有限元数值 模拟分析方法与试验相结合。计算机技术的高速发展，极大地推动了相关 学科研究和产业的进步。有限元、有限条、有限体积以及有限差分等方法 与计算机技术的结合，诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科分支一计算机 辅助工程( c a e ) ，作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技 界和工程界的重视。现在，国外在科学研究和工业化应用方面，计算机辅 助工程技术已达到了较高的水平，许多大型的通用分析软件已相当成熟并 已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也 已达到了实用化阶段1 9 。 m s c s o f t w a r e 公司创建于1 9 6 3 年，总部设在美国洛杉矶，是国际著 名的工程校验、有限元分析和计算机数值模拟应用软件供应商之一。其产 品被广泛应用于各个行业的工程仿真分析，包括国防、航空航天、机械制 造、汽车、船舶、兵器、电子、能源、材料工程、科学研究及大专院校等， 用户遍及世界1 0 0 多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研究机构。 m s c s o 矗硼公司在创建以来4 0 多年里，始终把握着自己在世界c a e 领 域的发展方向，不断推出面向客户最新需求的仿真工具。其产品作为公认 的c a e 工业标准，获得了各种权威机构的质量认证。 m s c p a t r a n 是m s c s o f t w a r e 公司众多产品之一，诞生于1 9 8 0 年前 后，是集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统，最早由美国宇 航局n a s a 倡导开发的，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理 及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结 果评估、用户化和交互图形界面集于一身，构成一个完整c a e 集成环境。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章虚拟试验技术和有限元技术 2 1 虚拟试验技术 l l o l 随着计算机软硬件技术的飞速发展，为工业产品的研发、设计、制造 及性能试验提供了全新的工具和手段：虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y ) 、虚拟仿真技术( v i r t u a ls i r e u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 、虚拟试验技 术( v i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g y ) 、虚拟试验场( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 、 虚拟原形试验仿真技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n ge x p e r i m e n ts i m u l a t i o i l t e c h n o l o g y ) 等新技术把人们从产品研发、设计、制造和试验的传统方式带 入了美妙的计算机虚拟世界一在计算机上建立产品完备的三维实体模型， 创建虚拟的制造工厂、虚拟的实验室运行环境，在虚拟的环境下完成各种 测试、试验，评定未来产品的制造性能、装配性能、使用性能。从而极大 地减少样机的试验制造次数，缩短产品的开发周期，降低开发成本。其中 的虚拟试验技术，由于其可以部分替代现实世界中难以进行的试验，或者 是费时、费力和费钱的试验，得到了人们越来越多的的重视。 虚拟试验技术从广义上讲，任何不使用或者部分使用实际硬件来构造 试验环境，完成实际物理试验的方法和技术都可能称为虚拟试验。虚拟试 验可以定义为在虚拟环境中进行的试验。而虚拟试验环境是基于软件工程 开发的仿真试验系统，虚拟原型在虚拟环境中进行“试验”，借助交互式技 术和试验分析技术，使设计者在设计阶段就能对产品的运行性能进行评价 或体验。或者虚拟试验就是在计算机系统中采用软件代替部分硬件或全部 硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环境中一样 完成各种预定的试验项目，使所取得的试验效果接近或等价于在真实环境 中所取得的效果。 虚拟试验作为一种应用广泛的科学试验方式，它经历了思想试验、计 算机仿真和虚拟现实3 个发展阶段。 古代和中世纪物理学研究大多采用的是思想试验型的虚拟试验方式， 例如：爱因斯坦创立狭义相对论而进行的“思想火车”试验，以及创立广 义相对论而进行的“思想升降机”试验。这一阶段的虚拟试验都是在科学 家的头脑中进行的形象思维过程，试验显得很直观，其中试验的对象是经 常能接触到的物体，如：小球、火车、升降机等，而改变的只是试验条件， 如没有任何外力，以光速运行等。计算机仿真是指利用计算机对试验对象 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的数学模型进行模拟试验，以求得对实物原形系统规律性认识的一种试验 方法。它使虚拟试验进入了数字化阶段，它是思想试验的延伸与完善。它 同思想试验一样，进行的试验过程都是计算与逻辑判断，但由于计算机在 记忆能力和运算速度上的优势，使计算机仿真试验能处理一些复杂系统和 非线性系统的试验。计算机强大的信息处理能力和强大的计算能力使虚拟 试验的范围逐步从简单转向复杂性和从定性转向定量研究。虚拟现实 ( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统，它 有3 个重要特征：高度的沉浸感、可信度和交互性。利用虚拟现实技术， 计算机可以产生一个三维的虚拟环境，通过人的视觉、听觉、触觉等作用 于人，使人产生身临其境的感觉。与传统仿真系统相比，基于v r 技术的 虚拟试验系统真实感更强，突破了传统仿真的格局，从实物、数学模型、 可视化、多媒体化步入了虚拟化，完成了对仿真技术的发展和升华。采用 虚拟现实技术的虚拟试验，使试验者可以像在真实的环境中一样完成各种 预定的试验项目。它是目前非常重要和热门的研究领域之一。 进行虚拟试验需要解决两个问题：一是根据研究对象的总体或某一部 件的设计信息，建立其能符合相应物理试验要求的“虚拟原型”或者数学 模型；二是要根据物理试验条件建立起相应的“虚拟试验环境”，如汽车操 纵稳定性虚拟试验，需要建立汽车一驾驶员一环境的数学模型和建立虚拟 试验场的虚拟试验场景。在“虚拟试验环境”中，对“虚拟原型”施以与 物理试验相同的输入，通过仿真计算，得到“虚拟原型”的响应，从而验 证模型的正确性，从这个角度来说，虚拟试验的实质是基于计算机系统而 实现的图形空间对数据空间的映射。 无论是“虚拟试验环境”的产生，还是“虚拟原型”的仿真计算，都 离不开高性能的计算机软硬件平台的支撑。虚拟试验的平台一般都采用虚 拟现实系统( v i r t u r a lr e a l i t ys y s t e m ) 。沉浸程度较低的桌面虚拟现实系统 ( d e s k t o pv r ) 采用p c 和较低的工作站实现仿真，用三维立体眼镜代替头 盔式显示器，采用标准的c r t 显示器和立体( s t e r e o s c o p i c ) 图象显示技术 获得立体视景，使得v r 系统价格较为便宜，因此易普及应用，桌面v r 在 各专业应用中具有广泛前景。 虚拟试验系统的类型包括纯软件型和硬件在环型( 半实物) ，其在体系 结构、软硬件构成及开发环境、开发方法方面都有各自的特点。纯软件型 系统仅利用软件完成整个系统的仿真，它把试验环境、对象全部抽象为数 学模型，其重点在于抽象的数学模型和软件技术，可以利用m a t l a b s i m u l i n k 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 或些专用软件开发：硬件在环是指将实物硬件嵌入仿真系统的实时动态 仿真技术，强调了软硬件技术以及电子技术的结合，获取的一些关键信号 是由真实硬件发出，比纯软件方式可信度高，开发工具可以利用一些通用 开发工具或a d i ，d s p a c e 等公司开发的仿真软件。硬件在环仿真系统 h i l s s ( h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o ns y s t e m ) 是在计算机软硬件技术发 展到一定程度之后才出现的一种集多穗技术于一体的综合系统，对硬件和 软件系统的要求很高，它依赖于计算机技术的飞速发展，需要同时完成大 量运算、数据处理和执行多任务。 虚拟试验系统和传统试验相比具有以下优点：克服了使用实物进行教 育或培训的危险性和不方便性；避免了使用实物时，学习者或者受训者操 作失误时可能产生的破坏性、伤害学习者、危害环境、造成财产损失等； 采用仿真系统替代实物系统，使试验次数不受限制，仿真结果具有可重复 性，提供了良好的交互性：应用计算机建立反映客观规律的虚拟模型，应 用虚拟模型进行试验，可以部分地替代在现实世界中难以进行的试验，或 者是耗时、费力和昂贵的试验，弥补物理资源的缺乏。 由于虚拟试验技术具有易理解、可重复、无危险、低成本等特点，获 得了科研技术人员的青睐，它在车辆工程领域的应用受到世界各大公司、 大学和研究机构的极大关注，其研究工作方兴未艾。 虚拟试验技术在车辆工程中应用的主要领域为车辆轮胎模型研究、车 辆系统可靠性和耐久性的虚拟试验、车辆动力学与操纵稳定性的虚拟试验、 虚拟原型实验仿真技术的运用研究、车辆碰撞和安全分析应用研究等方面。 虚拟试验技术在摩托车行业的应用分为两类一：一种是自主开发软件进 行摩托车虚拟试验技术的研究与应用，如用w i n d o w sn ts e v e r ( 多任务、多 线程) ，v i s u a lc + + 6 o ( 软件环境) , w o r l d t o o l k i t ( 虚拟场景仿真软件) ，3 d m a x ( 三维动画软件) ，c o m p o n e n tw o r k s ( 虚拟仪表) 等软件先建立一个虚拟 试验场，在虚拟试验场中使用a d a m s 软件提供的不同仿真分析数据实现 不同的虚拟试验，如摩托车操纵稳定性试验、平顺性试验、耐久性和寿命 试验等，用户可随时观察摩托车各个角度的状态，配合虚拟仪表可准确实 时地显示摩托车行驶的状态参数。另外一种就是在现有软件环境中进行摩 托车及其零部件的虚拟仿真试验。常用的有a d a m s 多体系动力学分析软 件、m s c p a t r a n n a s t r a n 、a n s y s 等有限元分析软件。a d a m s 软件一般用 来作摩托车平顺性、乘座舒适性、耐久性和寿命等虚拟仿真试验； m s c p a t r a n n a s t r a n 、a n s y s 等有限元分析软件一般用来做摩托车零部件的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 模态、静强度、动态响应等的虚拟仿真试验。一些学者做了摩托车车架的 模态虚拟试验，做车架的动态响应虚拟试验的较少。本文就是使用有限元 分析软件m s c p a t r a n n a s t r a n 进行车架最基本的的静态和动态分析，探索用 有限元法进行车架的模态、静强度和动态响应虚拟试验的研究。 车架的模态分析一般采用模态试验和用有限元软件计算求出车架的固 有频率和振型，主要应用在建立结构动态响应的预测模型，为结构的动强 度设计及疲劳寿命的估计提供参考。由于车架的模态试验操作比较复杂， 人们越来越多地使用有限元法计算进行车架的模态分析。 测试出摩托车车架在静载荷时关键部位的应力和应变，有助于研发 人员快速判断车架的力学特性，为车架瞬态动力响应分析提供参考。车 架在静力作用下的应力应变可以由静力试验和有限元静力计算给出。由 于静力计算较简单，用有限元软件计算车架的静应力和应变已成为车架 结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来求解车架在静力载荷 作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束( 反) 力、单元 内力、单元应变能等。 摩托车随机振动响应的大小决定了摩托车乘坐的舒适性，因此了解和 降低车架的动态响应，将有助于改善摩托车的乘坐舒适性。做车架的动态 响应试验费时、费力和费钱，寻求在软件中实现车架的虚拟动态响应试验 成为人们关注的一个热点。 2 2 有限元技术 2 2 1 有限元的基本思想 1 i ，瞳 有限元法的的基本思想是将一个连续域离散化为有限个单元并通过有 限个结点相连接的等效集合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合， 且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。 有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待 求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个结点的数 值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函 数在各个结点上的数值就成为新的未知量，就可以通过插值函数计算出各 个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上近似解。显然，随着单 元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值 函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足收敛要求的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 近似解最后将收敛于精确解。 2 2 2 有限元解题过程 步骤1 ：结构的离散化。把结构或连续体分割成许多单元，因而在着 手分析时，必须用适当的单元把结构模型化，并确定单元的数量、类型、 大小和布罨。 步骤2 ：从区域或结构中取出其中一个单元来研究。选择适当的插值 模式或位移模式近似地描述单元的位移场。由于在任意给定的载荷作用下， 复杂结构的位移解不可能预先地知道，因此，通常把插值模式取为多项式。 从计算的观点看多项式简单，而且满足一定的收敛要求。单元位移函数用 多项式来近似后，问题就转化为如何求出结点位移。结点位移确定后，位 移场也就确定了。 步骤3 ：单元刚度矩阵和载荷向量的推导。根据假设的位移模式，利 用平衡条件或适当的变分原理可以推导出单元e 的刚度矩阵【k 】( e ) 和载荷 向量p ( e ) 。 步骤4 ；集合单元方程得到总的平衡方程组。连续体或结构是由许多 个有限单元组合而成，因此，对整个连续体或结构进行有限元分析时，就 需要进行组合。把各个单元刚度矩阵和载荷向量按适当方式进行组合，从 而建立如下形式的方程组：【k 】 6 = p ，式中， k 】称为总刚度矩阵； 6 是整体结构的结点位移；f p 是作用在整个结构的有限元结点上的外力。 步骤5 ：求解未知结点位移。按问题的边界条件修改总的平衡方程， 使结构不可刚体移动，对于线性问题可以很容易地从代数方程中解出结点 位移 6 。 步骤6 ：单元应变和应力的计算。可根据己知的结点位移利用固体力 学或结构力学的有关方程算出单元的应变和应力。 2 2 3 有限元静力分析 静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来 求解结构在静力载荷( 如集中力、温度载荷、强制位移、惯性力等) 作用 下的响应，并求出所需的节点位移、节点力、约束( 反) 力、单元内力、 单元应变能等。 2 2 4 有限元动力分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 有限元动力分析与静力分析的区别在于动力载荷是随时间变化的。由 随时间变化的载荷所引起的的响应( 位移、速度、加速度、反力、应力及 应变等) 也是随时问变化的。这些随时间而变化的特性使得动力分析较之 静力分析更复杂，也更符合实际。 动力分析的目标是求解运动方程，即计算出位移、速度、加速度、反 力、应力及应变等这些随时间变化的量。动力分析可分为基本的两类：自 由振动分析和强迫振动分析。 m s c n a s t r a n 的基本动力分析功能有如下三种： ( 1 ) 实特征值分析 实特征值分析用来计算结构的的基本动力特征。特征值分析的结果为 结构的固有频率和振型。虽然特征值分析的结果不基于某一特定载荷，但 这些结果可用于揭示各种不同动力载荷对结构的影响。 ( 2 ) 频率响应分析 频率响应分析是计算正统激励下稳态响应的有效方法。在频率响应分 析中，外载为正弦波，需要指定频率、振幅和相位角。频率响应分析仅限 于线弹性结构。 ( 3 ) 瞬态响应分析 瞬态响应分析是用束计算结构强迫动力响应的最一般方法。瞬态响应 分析的目的是计算结构随时间变化激励载荷下的响应。瞬态激励载荷在时 间域中显示定义，所有加到结构上的力在每一时刻都是已知的。外载可以 是外力，也可以是强迫运动( 位移、速度或加速度) 。 从瞬态响应分析得到的重要结果有节点的位移、速度、加速度、单元 的力及应力。有两种不同的数值方法可用于瞬态响应分析：直接法和模态 法。直接法对一个完全耦合的运动方程进行数值积分；模态法利用结构振 型缩简及解耦运动方程，然后将各个模态响应叠加得到瞬态响应结果。不 同方法的选择取决于问题本身，即结构及载荷的特点。 实特征值分析是动力分析的基础，后续动力分析( 瞬态响应分析、频 率响应分析、响应谱分析等) 必须基于实特征值分析的结果：计算出重要 模态，据此为运动方程的积分选择合适的时间或频率步长，实特征值分析 的结果( 固有频率和振型) 也可直接用于模态频率响应分析和模态瞬态响 应分析中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章车架的模态试验和有限元虚拟试验 本章进行摩托车车架的测量和三维几何建模。将三维几何模型导入有 限元软件进行有限元建模，对车架进行模态分析，并做车架的模态试验， 对比试验结果和有限元计算结果，找出两者误差的原因，改进有限元模型， 使得在一定的误差范围内，计算机有限元法模态分析能够代替车架模态物 理试验。 3 1 车架的测量及三维几何建模 摩托车车架是复杂的焊接件，要对其进行有限元分析最好在三维建模 软件中建好模型后再导入到有限元分析软件中进行分析。若要建模，就要 知道零件的尺寸，在没有零件图的情况下只能对其进行测量。 3 1 1 测绘准备工作 ( 1 ) 测量所用仪器：单臂三维测量划线仪。规格型号：c h x y 2 5 0 0 ； 测量行程：长6 米、宽1 4 米、高2 ，5 米；测量方式：手动接触式。 ( 2 ) 车架为管式结构，在建模时需要用到管中心线，但实际测量时无 法直接测量管中心线，采取的方法是测量钢管外壁的条母线，这条母线 通常是钢管的最外边缘线，测头易于达到。为便于测量，沿此母线用透明 胶布贴上白线。测量时，让测头落在此白线上。 ( 3 ) 在测量前，要仔细观察车架，对建模时需要用到哪些数据做到心 中有数。在零件需要测量的点上贴上标签纸，并标明序号。认真检查，不 要遗漏。有时宁可多布一些测点，也不要漏测，免得建模时因数据不足丽 补测。补测容易产生误差，误差比较大时就要对整个车架的零件重新测量， 浪费时间和精力。贴标签时要按照从车架的头部到尾部，从零件的一端到 另一端顺序贴，便于测量。 ( 4 ) 车架的中心对称平面在建模时至关重要，因此在车架上要确定三 个测点，这三个测点决定了车架的中心对称平面。本人在测量车架时所选 的这三个点分别在前斜方梁及大梁上选取。将测出的点的y 坐标值沿垂直 于中心对称平面的方向平移前斜方梁及大梁宽度的一半，其它坐标值不变。 ( 5 ) 测量前，要将车架固定好，并且使车架的中心对称平面与三维测 量划线仪的x z 平面平行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 1 2 车架的测量 ( 1 ) 测量时三维测量划线仪的测头要保持方向不变，否则要重新校准。 ( 2 ) 测量时按标签顺序测量，一个零件测完之后再测量另一个零件。 将测量结果保存到电脑上或