（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的多连杆悬架系统运动学仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文研究的是多连杆悬架系统性能好坏的问题，有比较才有评价，本文建立 了双叉臂式独立前悬架以及在其基础上经过改进得到的多连杆( 五连杆) 式独立 前悬架，在多连杆悬架的基础上还建立了比较接近实物的刚柔混合多连杆悬架， 利用三者进行仿真的结果来分析多连杆悬架的优越性及不足之处。本文还探讨了 用哪些悬架设计参数来合理地评价独立悬架的好坏、这些设计参数的变化特性应 该怎样才为合理、以及采用什么样的试验方法对这些设计参数进行评价。 悬架系统的研究课题包括悬架系统动力学和悬架系统运动学与弹性运动学 两个领域，对悬架系统性能好坏的评价也应该分别针对这两个领域来展开，本文 探索的是多连杆式独立前悬架运动学和弹性运动学特性。 论文首先根据某悬架系统及整车的结构和相关数据，利用a d a m s c a r 软件平 台建立了该车的双叉臂扭杆弹簧式独立前悬架系统和转向系统的仿真模型，并对 该双叉臂式悬架系统模型的导向机构进行适当的改造，建立了相应的五连杆式独 立前悬架系统和转向系统的仿真模型，并在多连杆式独立前悬架的基础上对其上 下四个臂进行柔性化建立了刚柔混合多连杆式独立前悬架，指出了对这三种悬架 进行运动学和弹性运动学特性比较分析的合理性。然后，论文指出了对独立悬架 运动学和弹性运动学特性进行评价的2 0 个评价参数，明确了这些悬架特性指标 的定义，并尽力阐述了这些参数对汽车操纵稳定性等重要性能的影响及其合理的 变化趋势或范围，同时，本文指出了多种评价独立悬架运动学和弹性运动学特性 的仿真和台架试验方法。最后，在a d a m s c a r 软件平台中，利用本文指出的评价 独立悬架运动学和弹性运动特性的评价指标和试验方法对上述所建悬架系统进 行了仿真对比，对三种悬架在不同仿真试验中所表现出的运动学和弹性运动学特 性给与了比较分析与评价，并对多连杆式悬架较双叉臂式悬架的突出优点以及柔 性模型可提高仿真结果的准确性进行了总结。 关键词：独立悬架，弹性运动学，多连杆，双叉臂，刚柔混合模型 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rs t u d yt h ei s s u ep e r f o r m a n c eo ft h em u l t i 1 i n ks u s p e n s i o ns y s t e m b e c a u s et h ea p p r a i s a lb a s eo nc o m p a r i s o n ，s ot h i sa r t i c l ee s t a b l i s ht h ed o u b l ea w i s h b o n et o r s i o nf r o n ti n d e p e n d e n c es u s p e n s i o na sw e l la st h ef i v el i n k st o r s i o n w h i c ho b t a i n e df r o mt h ei m p r o v e m e n to ft h ef o r m e rs u s p e n s i o n ，a l s oe s t a b l i s ht h e r i g j d t w i s tm u l t il i n ks u s p e n s i o nt ob ec l o s e dw i t ht h ea c t u a lr e s u l t a n a l y z et h e s u p e r i o f i t ya n dd e f i c i e n c yo fm u l t i 1 i n ks u s p e n s i o nu s e dt h et h r e er e s u l t so nt h e s i m u l a t i o n a n dt h e p a p e l a l s od i s c u s s e dt h ed e s i g n e dp a r a m e t e r sw h i c hc a l l r e a s o n a b l ya p p r a i s et h es u s p e n s i o np e r f o r m a n c e ，a n dh o wt h o s ep a r a m e t e r sc h a n g ei s r e a s o n a b l e ，a sw e l la su s ew h a tt y p eo ft h et e s t i n gm e t h o dt oa p p r a i s et h o s ed e s i g n p a r a m e t e r s n l cs u s p e n s i o ns y s t e mr e s e a r c hf i e l di n c l u d i n gd y n a m i c s ，k i n e m a t i c sa n de l a s t i c k i n e m a t i c s ，a n dt h ea p p r a i s eo ft h es u s p e n s i o np e r f o r m a n c ea l s os h o u l ds e p a r a t e l y r e s e a r c ha tt h e s et w of i e l d s t l l i sa r t i c l ee x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r o n tf i v e l i n k st o r s i o ns u s p e n s i o ni nt h ef i e l do ft h ek i n e m a t i c sa n dt h ee l a s t i ck i n e m a t i c s t h ep a p e rf i r s te s t a b l i s hs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ed o u b l eaw i s h b o n et o r s i o nf r o n t s u s p e n s i o ns y s t e ma n d t h es t e e r i n gs y s t e mi nt h ea d a m s c a rs o f t w a r ea c c o r d i n gt o t h ev e h i c l es t r u c t u r ea n dt h ec o r r e l a t i o nd a t a a n de s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gf i v e l i n k ss u s p e n s i o ns y s t e ma n dt h es t e e r i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lc a r r yo nt h e s u i t a b l et r a n s f o r m a t i o no ft h eg u i d a n c eo r g a n i z a t i o n ，a n de s t a b l i s ht h er i g i d t w i s t m i x e df r o n ts u s p e n s i o ns y s t e r nb a s e do nt h et r a n s f o r m a t i o nt h er i g i db a rt ot h e f l e x i b i l i t ya b o u tt h ea b o v ea n dl o wf o u ra r m s a n dt h ep a p e rp o i n to u tt h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i sr a t i o n a l i t yt ot h e s et h r e ek i n d so fs u s p e n s i o nc a r r y i n go nt h e k i n e m a t i c sa n dt h ee l a s t i ck i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c t h e l lt h ep a p e rp o i n to u tt w e n t y p a r a m e t e r t o a p p r a i s et h ek i n e m a t i c sa n de l a s t i ck i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i co f i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ，k n o wt h ed e f i n i t i o no ft h e s ep a r a m e t e r s ，a n de l a b o r a t et h e i m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n f l u e n c eo ft h e s ep a r a m e t e r st oa u t o m o b i l eo p e r a t i o ns t a b l e a n dt h e i rr e a s o n a b l ec h a n g et e n d e n c yo rs c o p e ，m e a n w h i l et h i sp a p e r p o i n to u tm a n y k i n d so fs i m u l a t i o na n db e n c ht e s tm e t h o dt oa p p r a i s ek i n e m a t i c sa n de l a s t i c k i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i co ft h ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n f i n a l l y , i nt h ea d a m s c a r s o f t w a r ep l a t f o r m ，a n a l y z et h es i m u l a t i o nr e s u l t sa c c o r d i n gt oa p p r a i s a lt a r g e ta n dt h e t e s t i n gm e t h o do ft h ek i n e m a t i c sa n dt h ee l a s t i cs t a t eo fm o t i o n ，a n dp o i n to u tt h e s u p e r i o r i t yo ft h em u l t i - l i n ks u s p e n s i o nc o m p a r e dt o t h ed o u b l ew i s h b o n et o r s i o n s u s p e n s i o na sw e l la st h ef l e x i b l es i m u l a t i o nc a l le n h a n c et h es i m u l a t i o na c c u r a c v k e yw o r d s ：i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ，e l a s t i ck i n e m a t i c s ，m u l t i - l i n k ，d o u b l ea w i s h b o n e ，r i g i d - t w i s tm i x e dm o d e l 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 摊日期瑚f 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：学校有权保留送交 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遵守此规定) 导师签名：日期：蛰堕：尘：1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 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。而与车辆操纵稳定性和平顺性直接相 关的就是汽车的悬架系统。 汽车悬架系统是传递车身与轮胎之间各种力和力矩的连接装置，主要由弹 性元件、减振器和导向机构三大部分组成( 图1 1 ) 。这三部分别起缓冲、减 振和导向作用，共同承担传递轮胎与车身之间的各种力和力矩的任务。汽车行 驶中路面的不平坦、凸起和凹坑使车身在车轮的垂直力作用力下起伏波动，产 生振动和冲击：在加减速、转弯和制动时的倾覆力和侧倾力可使车身产生俯仰 和侧倾振动。这些振动与冲击会严重影响车辆的平顺性和操纵稳定性等重要性 能。悬架作为上述各种力和力矩的传动装置，其传递特性的好坏是影响汽车行 驶平顺性和操纵稳定性最重要、最直接的因素髓儿羽。 图1 1 汽车悬架系统的组成 目前，国内对多连杆悬架1 的研究并不多，随着汽车工业的发展，人们对汽 车的操纵稳定性和舒适性要求越来越高，多连杆悬架的使用能很好的解决这个 问题。对多连杆悬架的研究一般都简化为刚体进行研究，仿真结果与试验结果 存在较大的误差，本文考虑了连杆本身的弹性以及连杆之间的弹性铰接，建立 了刚柔混合模型，其仿真结果与试验结果相近，提高了仿真的实用性。再者， 国内对独立悬架的性能评价没有一套完善的标准，标准的正确与否直接决定 着研究成果的价值，因此，本文在独立悬架运动学特性评价指标和评价方法上 武汉理工人学硕上学位论文 做了一些探讨崎1 。 为了使汽车具有较好的平顺性和操纵稳定性，汽车悬架系统的设计阳1 面临着 两大课题：一个是如何设计悬架系统的问题，它包括设计悬架的结构形式、确 定悬架元件的传递特性等问题；一个是对悬架的好坏进行评价的问题，即应该 用那些设计参数来合理地评价悬架的好坏、这些设计参数的变化特性应该怎样 才合理、以及采用什么样的试验方法对这些参数指标的变化特性进行评价。与 前者相比而言，后者是一个更为重要的问题，因为如果没有一个合适的评价指 标和评价方法，就无所谓好坏，而一个不合理的评价指标和评价方法会使悬架 的设计走向歧途。就汽车本身的平顺性和操纵稳定性而言，其评价指标和评价 方法已经发展的比较成熟了，可是对于直接影响汽车的平顺性和操纵稳定性的 悬架系统，其评价指标和评价方法却没有发展得那么令人满意。 一套完善的标准能正确的评价独立悬架的特性，为悬架的优化设计提供理 论依据。建立多连杆悬架的模型并进行运动学和弹性运动学的仿真正是对此标 准的正确与否的一个验证。 1 2 汽车悬架系统的概况、研究内容及国内外研究现状 悬架按导向装置的型式可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。非独立悬 架的特点是左右车轮安装在一根整体式车桥的两端，车桥则通过弹性元件与车 架相连，每个车轮跳动时，要影响到另一侧车轮，因此也称相关悬架；独立悬 架是每一侧车轮单独通过悬架与车架相连，每个车轮能独立上下运动而无相互 影响。 采用独立悬架的车桥做成断开式的，独立悬架车轮接地性好，行驶平顺性 和操纵稳定性都优于非独立悬架，因此在轿车上得到广泛的应用。比较常见的 独立悬架有麦弗逊式、双叉臂式、多连杆式等n 5 1 。 按照悬架的档次和复杂程度以及用料来排名的话，多连杆式是最好的，其 次是双叉臂式，再次是麦弗逊式。但世界上的事物都是有利有弊的，这三种悬 架之所以能在各种车型上大量存在当然有着各自的性能优点。麦弗逊式是结构 最简单的，也是制造成本最低用途最广的，它主要用在大多数中小型车的前桥 上，以简单独霸天下，也正是因为简单所以质量轻，响应速度快，并且在一个 下摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在过弯时自适应路 面，让轮胎的接地面积虽大化，而且占用空问小适合小型车以及大部分中型车 使用，但是由于结构简单使得悬挂刚度较弱，稳定性差，转弯侧倾明显。双叉 2 武汉理工大学硕上学位论文 臂式拥有上下两个摇臂，横向力由两个摇臂同时吸收，支柱只承载车身重量， 因此横向刚度大，由于上下使用不等长摇臂( 上长下短) ，让车轮在上下运动 时能自动改变外倾角并且减小轮距变化减小轮胎磨损，并且也能自适应路面， 轮胎接地面积大，贴地性好。但是由于多了一个上摇臂，所以需要占用较大的 空间，因此小型车的前桥一般布置不下此种悬挂。多连杆式悬挂，通过各种连 杆配置( 通常有三连杆，四连杆，五连杆) ，首先能实现双叉臂式的所有性能， 然后在双叉臂式的基础上通过连杆连接轴的约束作用使得轮胎在上下运动时前 束角也能相应改变，这就意味着弯道适应性更好，如果用在前驱车的前悬挂， 可以在一定程度上缓解转向不足，给人带来精确转向的感觉，如果用在后悬挂 上，能在转向侧倾的作用下改变后轮的前束角，这就意味着后轮可以一定程度 的随前轮一同转向，达到舒适操控两不误的目的，跟双叉臂式一样，多连杆悬 挂同样需要占用较多的空间，而且多连杆式悬挂无论是制造成本还是研发成本 都是最高的，所以常用在中高级车的后桥上。总的来说，现在最经济适用、性 价比最高的前独立悬挂是麦弗逊式，能做高性能调校和匹配的悬挂是多连杆式 和双叉臂式。结构最复杂实现性能最多的是多连杆式。 汽车悬架系统的研究主要是为了提高汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺 性，因此汽车悬架系统的研究课题也相应地分为两大部分：一个是对汽车平顺 性产生主要影响的悬架特性研究领域；另一个是对汽车操纵稳定产生主要影响 的悬架特性研究领域。前一领域主要是对悬架的弹性元件和阻尼元件特性展开 研究，主要是将路面、轮胎、非簧载质量、悬架、簧载质量作为一个整体进行 研究，由于它主要研究的是在路面的力激励下，影响汽车平顺性的弹性元件和 阻尼元件的力学特性，因此可以称之为悬架系统动力学研究。悬架系统的动力 学特性直接影响到车辆的动力学特性，可以说对悬架动力学的研究就是对车辆 动力学的研究。后一领域主要是对悬架的导向机构进行展开研究，主要是研究 在车轮与车身发生相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运动、车 轮定位及影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性，这一领域的研究称为悬 架的运动学研究。在考虑弹性衬套( b u s t l i n g ) 等连接件对恳架性能影响的情况 下，悬架运动学即为悬架弹性运动学，悬架弹性运动学是阐述由于轮胎和路面 之问的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化特性。这样悬架系统的 运动学研究就包括了悬架运动学和弹性运动学两个方面的内容。 国外汽车悬架运动学的研究起步较早，几乎是随着独立悬架的诞生就开始 了。汽车悬架弹性运动学的研究在上世纪8 0 年代兴起。德国p r o f j r e i m e l l ( 耶 尔森赖姆帕尔) 著的汽车底盘技术对各种悬架运动学及弹性运动学作了 3 武汉理工大学硕士学位论文 详细的分析，对车轮定位参数做了准确的定义，分析了他们的作用及其对操纵 稳定性的影响。在悬架运动学分析中，描述了弹簧变形过程中车轮定位值的变 化过程；在弹性运动学分析中，描述了弹簧各部件及交接处具有弹性，由轮胎 和路面之问的力和力矩引起的车轮定位值的变化，并且给出了一些典型车型的 车轮定位参数的变化曲线，这些变化曲线都是实测得到的，可以用来进行操纵 稳定性的评价。但本书对多连杆悬架的运动学和弹性运动学的分析尚处于探索 阶段。 阿达姆措莫托著的汽车行驶性能 7 1 和安培正人著的汽车的运动与操 纵【8 】介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，并对悬架弹性运动学对汽车操 纵稳定性的影响进行了较为系统的分析。本书并没有研究悬架本身的特性及性 能，没有细化，只作了总的阐述。 m a t s c h i n s k yw b l f g a n g 编写的车辆悬架阳1 从悬架的理论建模、橡胶支撑 的模型出发对悬架弹性运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。在悬架运 动学分析中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳动所引起的 悬架变形：在悬架弹性运动学分析中，则对悬架模型作了受力分析，推导出变 形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧。本文并 没有分析悬架的运动对操纵稳定性的影响。 我国从8 0 年代开始逐步开展对汽车悬架运动学的研究，研究成果则多见于 9 0 年代。最近几年，国内一些汽车厂家例如汇众、北汽福田、上海同济同捷等 单位己经在其开发新产品、改型等工作中使用a d a m s 。2 0 0 0 年，北汽福田的 许先锋等工程师利用a d a m s 对某轻卡货车进行了汽车操纵稳定性仿真分析； 上海汇众的周俊龙n 们等利用a d a m s c a r 对某轿车的悬架进行了仿真分析；上海 同济同捷公司在开发全新车型时，充分运用虚拟样机仿真技术，当前，同捷公 司已经建立了包括多连杆悬架、空气悬架等各种先进底盘总成的虚拟样机库， 为公司产品开发的综合化、集成化、并行化打下了坚实的基础。 中国工程院院士郭孔辉所著的汽车操纵稳定性对悬架运动学作了较为 系统的分析，并且在国内首次提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运 动学。 吉林大学的林逸教授等人在9 0 年代也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元 件的基本性能，着重分析了独立悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性的和平顺性 的影响，并提出了处理弹性运动学问题的一般思路和方法。 清华大学工学博士张越今著的汽车多体动力学及计算机仿真3 一书， 重点介绍了整车多体系统弹性模型的建立方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 9 年，合肥工业大学的王其东n 2 1 等人运用多体动力学软件a d a m s 建立 了钢板弹簧的模型，模型中将板簧处理成了柔体，并对其进行了计算机仿真。 仿真结果与试验结果进行了比较，验证了模型的正确性。但是在建立模型的过 程中大大简化了板簧模型，使计算精度不高。 2 0 0 3 年哈飞汽车公司的宋文春n 剐采用多体动力学软件a d a m s c a r 建立了 松花江牌h f j 6 3 5 1 a 微型客车的前悬架( 麦克弗逊式) 、转向系( 齿轮齿条) 、后 悬架( 钢板弹簧) 、传动系统和动力系统的模型，并组装成整车。建立模型过程 中将后悬架的钢板弹簧处理成柔体。 2 0 0 4 年吉林大学汽车工程学院的蔡章林n 钔在宋传学教授的指导下运 a d a m s c a r 软件对悬架和整车动力学进行了详细的研究。建立了某s u v 的前双横 臂独立悬架和后四连杆独立悬架系统，并对此进行了运动学和动力学仿真分析。 对前悬架进行了总体评价，并对推力杆调整方案进行了研究。在此基础上建立 了包括发动机、转向系、前后轮胎等在内的整车模型，对稳态回转、转向回正、 阶跃输入和脉冲输入进行了仿真分析并用试验结果进行验证。作者在建立模型 的过程中未能考虑有些部件的柔性特性，进行的仿真试验也都是开环的，现在 的发展方向是闭环的仿真试验。 总的来说，国内对独立悬架的运动学仿真研究一般都把悬架导向机构及连 接简化为刚体，并没有考虑悬架的弹性变形以及弹性绞结对悬架性能产生的影 响，因此仿真结果与实车测试存在着较大的误差。再者，国内对独立悬架的性 能评价并没有一套完善的标准，标准的正确与否直接决定着研究成果的价值， 因此，本文在独立悬架运动学特性评价指标和评价方法上做了一些探讨，并运 用a d a m s c a r 软件平台建立了多连杆悬架的刚体和刚柔混合仿真分析模型， 并运用上述评价方法和相关评价指标对其运动学和弹性运动学特性进行仿真分 析和评价。 1 3 本文研究的主要内容 本文以动力学和运动学为皋础研究独立悬架的运动学特性：研究计算理论、 方法和计算软件工具：建立双叉臂式悬架、多连杆悬架刚体及刚柔混合仿真分 析模型；进行双叉臂悬架和多连杆悬架运动学及弹性运动学仿真试验，研究多 连杆悬架系统运动学性能及其对操纵稳定性和行驶平顺性的影响：评价多连杆 悬架运动学和弹性运动学性能，研究其影响因素及变化规律；确定独立悬梁运 动学和弹性运动学特性评价参数和评价方法。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本章总结 本文简要介绍了研究背景，明确了本文课题研究的目的和意义，简要分析了、 相关的国内外研究现状，介绍了将要研究的内容。 6 武汉理工火学硕士学位论文 第二章虚拟样机技术及多体系统动力学方法 2 1 虚拟样机技术的定义、组成及特点 传统的设计模式要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生 产几个步骤。产品设计过程中早期的缺陷和失误往往需要反复试验多次才能够 发现，增加了新产品的研发周期和成本。近年来，由于市场竞争的激烈性，用户需 求的个性化和多样化以及多种标准规范的约束等对现代工程产品的研制和生产 提出了更高的要求。即要求各类制造企业必须解决其新产品的t ( 上市时间) 、 q ( 质量) 、c ( 成本) 、s ( 服务) 和e ( 环境) 难题。虚拟样机技术v p ( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 就是在这种需求下产生的。 近年来许多虚拟样机技术的定义在各种行业的文献中出现，他们就各自的 领域给虚拟样机技术下了定义。因而迄今为止虚拟样机并没有一个完全一致的 定义。简单地说，虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机( 模型) 的技术。在 常规的产品开发过程中，物理样机模型是用来验证设计思想，选择设计产品，测 试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替代物理样机，首先至少要具备上 述功能。这样看来，虚拟样机应该可以用束测试产品的外形和行为，并且可以用 来进行一系列的研究。另外，物理样机可以使人对一个产品有一种感观的评价， 如颜色、外形、美学特性、触觉和舒适性等。要替代物理样机的这些特性，人和 产品的交互应该包含在虚拟样机技术里。 通过以上分析，本文采用以下定义n 们：虚拟样机就是用来代替物理产品的计 算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周 期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使 用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。 首先，对产品的计算机仿真是必需的。在现阶段，一个三维的实体模型是一 个被广泛接受用来展示产品的主要形式，而且通常足一种参数化的模型。这样的 模型可以准确地描述产品的拓扑信息和几何信息，同时也可以嵌入其他的有关 信息，如在模型中加入制造信息。现在大部分的商业化c a d c a m 软件包里都有 产生进刀的路径、碰撞检测以及装配模拟等功能，只需要对三维实体模型稍作修 改即可实现这些功能。其次，为了使虚拟样机代替真实的物理模型，最实用的办 法就是依据其基本需求去代替所需的物理模型的某些功能。最理想的就是让工 程师或者用户可以看、听、闻以及触摸一个虚拟样机。但是通常并不需要虚拟 样机实现对物理样机所有方面的替代。更为重要的是，所设计的产品的许多方面 7 武汉理工人学硕士学位论义 应该是可以测试和评价的。查看产品模型结构的完整性以及热分析在产品的设 计中是很常见的。一个三维的实体模型可以简化并且进行有限元分析。对于一 个经验丰富的有限元分析人员来说，只要进行认真合理的分析，当今的有限元分 析软件可以产生非常准确的结果。对于运动学和动力学的分析，使用 p r o m e c h a n i ct m 等软件可以得出令人满意的结果。而产品的可制造性和维护性 是不好评价的，该领域需要更多的研究。有人提议使用虚拟现实技术去模拟虚拟 产品的制造过程和维修服务过程。 概括地说，一个虚拟样机应该至少包括以下3 种类型的模型n 町：一个三维实 体模型、一个人产品的交互模型、与产品的测试相关的可视化模型。虚拟样机 技术的系统结构如图2 1 所示。可以看出，为了显示、分析和测试一个产品，建 立了一系列相关的模型。用户接口作为一个核心的组成部分，通过它可以有效地 控制模型，还可以从它那里得到系统的一些重要信息。对于一个具体的应用实例 来说，由于具体的应用目的不同，其系统结构可能有一些区别。 图2 1 虚拟样机技术的系统结构 从以上分析可以看出，虚拟样机技术具有下述优点：减少了设计费用； 可以辅助物理样机进行设计验证和测试；可以减少产品开发过程中所需的时 间，使产品尽快上市；可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案，这是物 理样机无法比拟的：可以减少产品歹| 发后期的设计更改，进而使得整个产品的 丌发周期最小化；与常规的仿真相比，它涉及的设计领域广，考虑也比较周全， 因而可以提高产品的质量；由于虚拟样机技术支持并行设计，使得设计小组之 间的沟通变得便捷。 如前所述，虚拟样机技术是建立在许多技术基础上的一种综合技术，一些基 础技术的不成熟会限制虚拟样机技术的应用，同时虚拟样机技术足一种新兴技 术，现在还处在研究和发展的阶段，本身的不完善使得应用受到一定的限制。主 要有以下几个方面： 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 由于现在还没有一个完全无缝的数据交换方法，在不同的虚拟样机设计 工具和应用软件之间数据的交换经常会带来信息的丢失。现在通常是将各应用 程序的数据转化为中间的文件格式( 如i g e s 、s t e p 格式等) ，但是由于一些商业 的c a d c a e c 舢软件对这些中间格式的支持程度不高，同时这些中间的文件 格式本身不是很完善，还需要继续完善和修改。再加上用户对各软件的数据存放 方式的了解并不是很充分，因此这些方法的效果并不是很好。 ( 2 ) 虚拟样机技术本身原理上的不够准确性。在对产品性能进行研究的时候， 如进行有限元分析时，会用小的平面模型去代替一个连续的三维实体模型。建模 过程中的近似会给结果带来原理上的误差。如果用虚拟现实技术来评估一个产 品，如可维护性，在虚拟的环境和在真实的环境中即便是对于同一个工程师来说， 他所花费的时间也是不一样的。这种时间上面的差别主要是由于计算所花费的 时间延迟、图像处理的时间延迟以及虚拟环境中的不舒适性带来的时间延迟。 虚拟样机技术在这些原理上的延迟应该在寻求设计优化的过程中进行量化，并 将其考虑其中。 ( 3 ) 产品的形状很复杂，因此构造一个准确的、完整的、理想化的模型是很 难的。例如，在计算机里进行装配的动态响应研究是非常复杂和有挑战性的。在 这种情况下，如果辅助以适当数目的物理样机，就可以更好地理解虚拟样机，并 且还可以增加虚拟样机的可信度。虚拟样机技术的其他方面，如可制造性、可维 护性以及它们之间的关系现在理解得并不是很清楚，这些方面的模型并不令人 满意。这对虚拟样机技术发挥其优势带来了一定的限制。 尽管虚拟样机技术在现阶段有一些局限性，但其应用前景是好的。 2 2 虚拟样机技术对车辆研究的国内外状况 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究，是融合虚拟现实技术和人工 智能技术等多学科的一门综合性技术。它的核心部分是多体系统动力学与动力 学建模理论及其技术实现。计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提 供了友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的f 澎用提供了技 术环境。目前，虚拟样机技术己成为一项相对独立的产、i k 技术，它改变了传统 的设计思想，将分散的零部件设计和分析技术( 如零部件的c a d 和f e a 有限元 分析) 集成在一起，提供一个全新研发机械产品的设计方法。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，对制造业产生了深 远的影响。 9 武汉理工大学硕士学位论文 虚拟样机技术一出现，立即受到了工业发达国家、有关科研机构和大学、 公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发 中，取得了很好的经济效益。 汽车是一个极其复杂的多体系统，对它的动力学分析的精确度决定了汽车 最终性能。国内对汽车部件人整车的动力学分析仍然采用传统的作图法或缩小 比例进行运动分析：用简化条件、降低自由度的方法进行动力学分析。传统的分 析方法很难揭示复杂的汽车动力学性能，也得不到精确的分析结果。 在虚拟样机技术发展过程中，一直将汽车作为主要的研究对象。美国的 c h a s e 等人，不仅深入研究多体动力学理论，还开发了虚拟样机技术软件 a d a m s ，将汽车动力学仿真作为其中非常重要的部分，软件中包括轮胎和汽车 模块，该软件为机械系统及汽车动态模拟与仿真带来了极大的便利。国内不少 学者也对虚拟样机在车辆工程中的应用进行了研究，对操纵稳定性及整车性能 仿真进行了有益的探讨。目前，主要有吉林工业大学、清华大学、上海交通大 学、北京理工大学等院校运用虚拟样机技术开展汽车动力学的研究工作n 7 1 。 欧美、日本等国外各大汽车厂商及零部件制造厂商已广泛采用数字化虚拟 样机技术来缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量，并 取得了巨大的成功。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿 真技术得到大量应用，许多国际知名汽车企业均己构建了数字化虚拟样机设计、 开发环境，许多产品己完全实现了数字化。系统动力学仿真是数字化虚拟样机 技术的核心、关键技术。车辆动力学问题本身是多体系统动力学问题，目前国 外许多汽车企业都已经大规模应用多体分析程序来进行车辆动力学仿真，并且 利用系统仿真的概念，从设计一试验一改进设计一再试验一再设计的设计理念转为 设计一仿真一试验，使设计中的主要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解 决。目前在汽车上的应用己经可以集机械、弹性体、液压、控制于一体进行动 力学仿真，已处于成熟应用阶段。而且为了能够实现真正的并行工程，许多企 业拥有自己的多体车辆动力学仿真专用系统，如a d a m s c a r , a d a m s p r e 使建 模自动化，大大缩短建模、仿真时间。 与国外发达国家相比，虚拟样机技术在我国制造业特别是汽车工业的应用 还处于起步阶段。 目前，虚拟样机技术主要集中在轿车等轻型、微型车辆的开发研制上，在 重型车辆设计中的应用较少，在国外很少有这方面的研究和应用资料，而在围 内可以说是一片空白。 l o 武汉理工人学硕十学位论文 2 3 多体系统动力学方法及多体系统动力学软件a d a m s 简介 二十世纪七十年代，为了分析由多个物体组成的复杂系统的运动学和动力 学，罗伯森等人先后提出各自不同的解决方法。他们所推导的数学模型都适用 在计算机上建模和计算。这门由古典刚体动力学、分析力学和计算机技术相结 合的力学分支就是多刚体系统动力学。它将系统内部件抽象为刚体，研究它们 在大范围空间运动时的动力学特性。多刚体系统动力学包括牛顿一欧拉法、拉 格朗日方程法、图论法、凯恩法、变分方法和旋量方法等多种研究方法n 引。 八十年代，在多刚体系统动力学的基础上，多柔体系统动力学得到迅速的 发展，并形成了比较系统的理论和方法。多柔体系统动力学考虑了部件的变形， 以及柔体变形与系统整体刚性运动的相互作用。推导多柔体系统动力学方程的 基本理论和方法可以分为三类：第一类是牛顿一欧拉( n e w t o n - e u l e r ) 向量力学 法，第二类是以拉格朗日( l a g r a n g e ) 方程为代表的分析力学方法，三类是基于 高斯( g a u s s ) 原理等具有极小值性质的级值原理的方法。 多刚体系统动力学和多柔体系统动力学共同组成了多体系统动力学。随着 多体系统动力学方法的逐渐发展与完善，各种方法和分析软件也相继问世，其 中包括m s c a d a m s 、d a d s 等著名软件。 2 3 1m s c a d a m s 分析软件概述 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，是由美 国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 丌发的最优秀的机械系统动态仿真 软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用 户使用a d a m s 软件，可以自动生成包括机电液一体化在内的、任意复杂系统 的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、 详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、 高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提 高产品质量及竞争力的f i 的。由于a d a m s 具有通用、精确的仿真功能，方便、 友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在全世界数以千计 的著名大公司中得到成功的应用。国外的一哆著名大学也己开设了介绍a d a m s 软件的课程，而将三维c a d 软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学 生必须了解的工具软件u 蚍别。 使用a d a m s 建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真 单元库，用户快速地建立系统的模型。a d a m s 与先进的c a d 软件( u gp r o e ) 武汉理工大学硕：l 二学位论文 以及c a e 软件( a n s y s ) 可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数 据的一致性。a d a m s 软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用 a d a m s 软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分析。为系统 参数优化提供了一种高效开发工具。 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块叼伽3 ：a d a m s v i e w ( 基本环 境) 、a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有一 些特殊场合应用的附加程序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、 a d a m s r a i l ( 机车模块) 、a d a m s d r i v e r ( 驾驶员模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎 模块) 、a d a m s l i n e a r ( 线性模块) 、a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 、a d a m s f e a ( 有限元模块) 、a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压模 块) 、a d a m s e x c h a n g e ( 接口模块) 、m e c h a n i s m f r o ( 与p r o e n g i n e e r 的接口 模块) 、a d a m s a n i m a t i o n ( 高速动画模块) 等。在3 个基本解题程序模块中， a d a m s v i e w 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，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入与 编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种 数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。自a d a m s 9 0 版本开始，a d a m s v i e w 采用了w i n d o w s 风格的操作界面和各种操作习惯，使得a d a m s v i e w 9 0 版以后的程序操作界面非常友好。 a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析 的准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求 解样机模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回 a d - 蝴s v i e w 操作界面。因此，一般用户可以将a d a m s s o l v e r 的操作视为一 个“黑匣子 ，只需熟悉a d a m s v i e w 的操作，即可完成建模和整个分析过程。 a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完成。a d a m s p o s t p r o c e s s o r ：模块具有相当强的后处理功能， 它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果 曲线以外，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计 计算：可以输入实验数掘绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较：可以进行分析 结果曲线图的各种编辑。 d a d s 与a d a m s 同属机械系统动态仿真软件，两者的原理和功能相似。 但a d a m s 软件是专门针对汽车及悬架开发，在模拟和仿真汽车及悬架系统方 面比其它的软件方便得多，本文采用m s c a d a m s 软件进行动力学分析。、 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2a d a m s 分析软件的计算方法 2 3 2 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刚体方位的欧拉角( 或广义欧拉角) 作为广义坐标， 即 g f = 【w ，训，0 ，缈】i ，q = q r ，g 玎 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