（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟现实与虚拟样机的汽车平顺性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 平顺性是现代高速度、高舒适性车辆的一个主要性能指标，所有新丌发的车 辆或经过改装的车辆都要进行平顺性分析和试验。传统的分析方法是对车辆进行 抽象简化，简化为几个自由度的动力学模型，建立其振动微分方程，通过在频域 范围求解预估其平顺性，分析结果都以曲线和图表来表示，缺乏直观性和交互性。 本文依托院长基会项目基于虚拟现实与虚拟仪器的测试与诊断技术研究 的子课题基于虚拟现实的计算机整车仿真分析技术与系统的基础研究，进行 在虚拟现实环境下的汽车的平顺性的研究。论文的主要章节内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了项目的背景和要求。阐述了汽车平顺性研究的现状， 重点介绍了本课题使用的两大技术，虚拟现实技术和虚拟样机技术的意义和研究 现状。最后给出了本研究的主要要求和内容。 第二章介绍了建立汽车模型和汽车动力学分析中用到的关键性技术：虚拟样 机技术的基础理论和基本内容，同时详细介绍了业界使用最广泛的虚拟样机软件 a d a m s ，这一章内容是后面汽车平顺性仿真分析的动力学基础。 第三章在前面的基础上，使用两种方法建立了汽车的动力学模型：第一种方 法是使用传统方法，把整车简化为两个自由度的模型，建立其微分方程，结合各 级路面激励的时域模型，使用m a t l a b 求解动力学方程，得到汽车的前后轮轴中 心在各个方位上随时间历程的运动位移；第二种方法是用a d a m s 软件建立汽车模 型，使用根据实测数据编写的路面文件，实现了在随机输入激励下，车辆振动模 型的时域仿真求解，并把仿真结果输出为文本文件，用作以后驱动虚拟环境中汽 车模型。 第四章在分析实际需求的情况下，建立了本研究所用到的虚拟现实试验平 台，比较详细的阐述了该平台软、硬件设备的使用情况。同时介绍了虚拟现实中 最关键的立体成像的原理以及在本研究中的实现方法。 第五章在虚拟试验平台上，建立了虚拟试验使用的虚拟环境和运动学模型， 使用w t k 调用和管理虚拟环境和运动学模型，利用动力学仿真分析的数据驱动 虚拟环境里的汽车模型，实现了虚拟环境下的汽车平顺性试验，汽车在虚拟环境 下的运动由第一种动力学模型的仿真分析结果驱动。 第六章对自己的工作进行了总结和回顾，提出了项目中还需要进一步需要完 善的地方。 关键词：汽车平顺性，虚拟现实，虚拟样机，虚拟测试 浙江大学硕i j 学位论文 a b s t r a c t r i d ec o m f o r ti so n eo ft h ep r i m ep e r f o r m a n c e so fm o d e r nv e h i c l e t h en e w l y d e v e l o p e dv e h i c l em u s tb ee v a l u a t e da n dt e s t e db e f o r ee n t e r i n gi n t om a r k e t t h e t r a d i t i o n a 】e v a l u a t i o nm e t h o dj st ob u i l dt h ev e h i c l em o d e lw i t bm a l h e m a t i c a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ，t h e np r e - e v a l u a t e i t sc o m f o r tp e r f o r m a n c ei nt h e f r e q u e n c y d o m a i n a l lt h ec o n c l u s i o n sa r ei n t e r p r e t e da n de x p r e s s e di nc u r v ea n dd a t a ，w h i c hi s i n v i s u a ta n dl a c ko fi n t e r a c t i v i t y t h i sd i s s e r t a t i o nr e l i e so nt h ed e a nf u n do fm e c h a n i c a la n de n e r g ye n g i n e e r i n g c o l l e g ew h i c hi s t e s ta n dd i a g n o s er e s e a r c hb a s e do nv r & v i ”t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e do nr i d ec o r n f o r tr e s e a r c hi nv i r t u a lr e a l i t y t h ed e t a t i sa r es t u d i e da sf o i l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e rt a l k sa b o u tt h eb a c k g r o u n da n ds u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to f r i d ec o m f o r tr e s e a r c h ，v i r t u a lr e a l i t ya n dv i r t u a lp r o t o t y p e m a i nc o n t e n t sa n dg e n e r a l s t r u c t u r es c h e m eo f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea l s op r e s e n t e d t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i c 也e o r ya n dm a i nc o n t e n to fv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yw h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yi nb u i l d i n gc a rp r o t o t y p ea n dc a r d y n a m i ca n a l y s i s t h i sc h a p t e ri st h eb a s i so f n e x tw o r k t h et h i r dc h a p t e ru s et w om e t h o d st ob u i l dd y n a m i c sm o d e lf o rv e h i c l er i d e c o m f o r ta n a l y s i s ：o n ei st w of r e e d o mv e h i c l er i d ec o m f o r td i f f e r e n t i a le q u a t i o nm o d e l c o m b i n e dw i t h t i m ed o m a i nm o d e lo fr a n d o mr o a d i n p u t ，w eg o tt h ev e h i c l e s m o v i n ga n dl i b r a t i o nd i a p l a c e m e n t t h eo t h e rm e t h o d ，w eb u i l d ac a rv i r t u a l p r o t e t y p i n gu s i n ga d a m s c a r , t o t a l l yw i t h9 7f r e e d o md e g r e e s ，e v e r yf a c t o rt h a t i n f l u e n c e st h ev e h i c l ef i d ec o m f o r ti sc o n s i d e r e d ，f i n a l l yc o m p l e t et h et i m ed o m a i n s i m u l a t i o no nr a n d o mr o a di n p u t t h cf o r t hc h a p t e ra n a l y s e st h ec o n d i t i o n s ，b u i l dc o m f o r tv i r t u a lt e s t i n gs y s t e m ， i n t r o d u c e sh o wt os e l e c ta n du s et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t h i ss y s t e m ，a n d a n a l y s e st h eb a s i ct h e o r yo fs o l i dv i r t u a l t h ef i f t hc h a p t e rb a s e so nt h ef o r e g o i n g ，u s i n gv c 6 0a n dw t ks o f t w a r e s e t s u pt h er i d ec o m f o r tr e s e a r c hi nv i r t u a lr e a l i t y t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h em a i nf r u i t sa n dp r o s p e c t st h ef u t u r eo ft h e r e s e a r c h k e y w o r d ：v e h i c l er i d ec o m f o r t ，v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a lp r o t o t y p e ，v i r t u a lt e s t 学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师周晓军教授指导f 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，也不包台为获褥逝姿盘堂或 其他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作了明确的说明并表示谢意。 学雠文作者躲唧相久签字慨2 厂年3 月彦f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝至三蠡堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲匍；淘叉 签字日期：2 0 d 歹年3 月占f i 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期扣嗨夕7 同 电话 邮编 碌叶 唑 韧 一 浙江大学硕 学位论文 第一章绪论 【内容提要】介绍了课题研究背景和j 要求。叙述了汽车平顺性试验的研究现状；重点介绍了 本课题使h = 的两人技术虚拟现实技术和虚拟样机技术的意义和研究现状。最后明确了本课 题的主要1 作。 1 1 背景 本论文的背景是在院长基金项目基于虚拟现实与虚拟仪器的测试与诊断技 术研究支持下立项开展的基于虚拟现实的计算机整车仿真分析技术与系统的 基础研究子课题。 本课题通过将先进的机械系统虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术和虚拟 现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 技术应用于汽车平顺性分析，开拓了一种新的计 算机辅助汽车试验方法，从而提高汽车行业的产品开发速度和效率。 汽车平顺性是指汽车不因振动而使驾驶员、乘客感到不适或者货物不因振动 而受损的性能1 1 1 。汽车平顺性不仅影响人体的舒适感，还对汽车动力性、操纵稳 定性、零部件寿命及工作可靠性有影响，是汽车的主要行驶性能之+ 。汽车行驶 时，由路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动。通常， 路面不平是汽车振动的基本输入，本论文研究的平顺性主要考虑路面不平引起的 汽车振动。 随着高速公路和高等级公路的不断修建，汽车的行驶罩程变得越来越长，乘 客乘坐的时间越来越长，汽车的平顺性更加受到汽车厂商和用户的关注。保证汽 车的振动在一定范围内，可以保证驾驶员能够在长时间的驾驶条件下，具有照好 的心理和生理状况，准确灵敏的反应。这对“人一车一道路”系统的操纵稳定性， 确保安全行驶非常重要。对于载货汽车而言，良好的平顺性能保证货物在运输过 程中不受损。汽车行驶平顺性是现代高速、高质量汽车的一个主要性能指标。 所有新开发的或者改装的车辆都要进行平顺性试验。传统的汽车设计制造过 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，通常需要制造多台样机，有时这种验证是破坏性的，当通过试验发现缺 陷时，再回来修改设计然后再制造样机进行试验。只有通过这样往复的“设计一 试验一设计”过程，才能使产品达到设计者的要求，然后推向市场。在产品使用 过程中，从用户那旱又会反馈回来产品在使用过程中存在的各种问题，设计者需 要根据这些反馈的意见，对产品进行修改，再制造修改后的样机，产品总是在这 种往复的过程中不断改进。 但是按照传统方法进行开发时，制造物理样机需要花费大量的时问和会钱， 浙江人学硕学位论义 有资料统计，从产品成本的角度来看，8 5 是研究设计试验费用性i 。 为了满足用户对汽车功能越来越多的要求，汽车的复杂程度也越来越高。为 了降低产品的研发费用，尽量早的占领市场，要求汽车的开发周期越来越短。物 理样机的制造及试验已经成为新产品丌发的主要瓶颈，克服这个瓶颈的方法是， 在一个全新的汽车产品设计完成之后，在物理样机制造之前，有必要对汽车的平 顺性有一个较为全面的了解，评价该车的平顺性是否满足设计要求，从而避免在 制造出物理样机并对其进行平顺性试验后，发现该车的平顺性不能满足设计要求 而重新更改设计所造成的试制费用和设计时间的巨大浪费。 数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和 制造质量的重要途径。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已构建了数字化虚拟样机的设 计、开发环境，许多产品已完全实现了数字化。系统动力学仿真是数字化虚拟样 机技术的核心、关键技术。对汽车而言，车辆动力学性能尤为重要，为了降低产 品开发风险，在样车制造出之前，利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算 机仿真，并优化其参数就显得十分必要了。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柬进行车辆动力 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。 v r ( 虚拟现实) 的兴起，为可视化提供了新的工具，为理解、分析大量的 羊斗学实验数据提供了新的方法。汽车的虚拟仿真分析就是把虚拟观安技术用于对 汽车的实验研究中，通过交互改变诸如车辆参数、道路条件、驾驶控制机理等实 验条件和参数，模拟真实实验，以验证理论和假设的正确性。从本质上来说，汽 车的虚拟仿真分析就是汽车的运动数据( 包括理论模型计算数据和实际实验数 据) 在计算机屏幕上的映射。 1 2 汽车平顺性试验的研究现状 汽车的平顺性可以由图1 1 所示的“路面汽车一人”系统框图柬分析。路 面不平度和车速形成了对汽车振动系统的“输入”，此“输入”经过轮胎、悬架、 座垫等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，得到振动系 统的“输出”是悬挂质量或进一步经座椅传至人体的加速度，此加速度通过人体 对振动的反应一“舒适性”来评价汽车的平顺性。当振动系统的“输出”作为优 化的目标时，通常还要综合考虑车轮与路面问的动载和悬架弹簧的动挠度。它们 分别影响“行驶安全性”和撞击悬架限位的概率p 。 浙江大学硼 学位论文 输入振动系统输 评价指怀 路面小、卜废弹件儿件下身传平人体的加速度加拽加速度均方根值 车速 耻尼元件悬架弹簧动挠度拇 悬柴限位概率 乍身，午轮质量车轮，路面闻的动载行驶宣争一盹 幽1 1 “路面一汽车一人”系统框图 机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间， 而且每个人的心理和身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大的差异。1 9 7 4 年国际标准化组织( i s 0 ) 在综合大量关于人体全身振动研究成果的基础上，制 定了国际标准i s 0 2 6 3 l ：人体承受全身振动评价指南，后来对它进行了修改和 补充。从1 9 8 5 年丌始进行全面修订，于1 9 9 7 年公布了1 s 0 2 6 3 】一l ：1 9 9 7 ( e ) 人体承受全身振动评价一第一部分：一般要求【4 j ，此标准对于评价长时间作 用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时，能与主观感觉更好的 符合。我国对相应的标准进行了修订，公布了6 b t 4 9 7 1 9 9 6 汽牟平顺性随机 输入行驶试验方法 5 1 。 i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 标准规定了图1 2 所示的人体坐姿受振模型。在进 行舒适性评价时，它除了考虑座椅支承面处输入点3 个方向的线振动，还考虑该 点3 个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支承面两个输入点各3 个方向的线振动， 共3 个输入点1 2 个轴向的振动。 座椅 图1 2 人体坐姿受振模型 i s 0 2 6 3 1 一l ：1 9 9 7 ( e ) 标准规定的汽车平顺性的基本评价方法：用加权加 速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。 我国在修订相应标准g b t 4 9 7 - - 1 9 9 6 汽车平顺性随机输入行驶试验方法 浙江人学顺i j 学位论文 时，评价汽车平顺性只需要考虑工，y ，o 这j 个轴向。考虑加权系数后，这三个 j jj f 轴向的总加权加速度均方根值口，= ( 1 4 a j 2 + ( 1 4 a ) 。) 2 + d 。2 2 汽车平顺性通常的分析试验方法是首先建立车辆的数学模型，然后通过分析 模型束评价和预测它的平顺性。 文献 3 汽车理论将汽车简化为单质量多自由度系统，利辟j 牛顿定律列 出系统运动的微分方程，通过傅立叶变换，求得由路面不平度系数与车速共同确 定的路面输入谱密度1 3 ( ) ，以及由悬挂系统参数给出的频率响应函数 v ( ) x q ，然后根据下面两式求得振动响应的功率谱密度g x ( 、厂) 和加速度均方 根值( 标准差) c r 2 。 g 。( 厂) 2 i - s ( s ) l 石q ( 、厂) 0 - ，2 = 盱g 。( 坳= 舻陬刮；口g ( f ) d y 由此可以分析悬挂系统参数对振动响应的影响，也可以反过柬根掘平顺性评 价指标优化悬挂系统的设计参数。 随着多体系统动力学的发展和计算机软硬件技术的突飞猛进，复杂机械系统 可以用更复杂，更准确的数学模型表示，计算机也可以用相当快的速度进行模拟 运算。 近几年以来，研究人员建立了较为复杂的汽车模型来研究汽车的平顺性。 张庆彳等人采用多刚体系统建立了汽车7 自由度的振动模型，以各态历经的 路面随机输入谱对车辆的平顺性进行了仿真研究【2 2 j 。 孙建成应用系统动力学和随机振动理论，建立了车体弹性和发动机之承的二 维十五自由度的车辆线性振动模型，利用该模型在微机上求出了车辆各部位的振 动特性1 2 3 1 。 徐国字等人，采用基于分析力学的基本原理，并结合人体、车辆、路面的实 际状况，从动力学普遍方程推导出了“人体一车辆一道路”系统1 2 自出度的振 动动力学模型，以f 弦波、脉冲波信号为激振源，模拟了人体一车辆耦合振动系 统的振动过程，指出人体头部对2 8 h z 频带的加速度有放大作用。其模型比“单 质量一阻尼一弹簧”系统的模型进了一步。但该研究未考虑侧向和水平方向的振 动的影响【”1 。 王连明运用模态分析技术建立了1 3 自由度“人体一座椅一车辆”系统的动 力学模型，利用随机振动理论，给出了振动形态、传递函数、车轮动载荷、座椅 加速度等参量的计算方法。该模型可对汽车的行驶平顺性进行预测和评估怕】。 浙江人半侦 f 学位论文 国内外很多学者在车辆的平顺性以及主动控制方面有很多新的研究。 g o b b i ，g m a s l i n u 等人按照全局近似的方法( g l o b a la p p r o x i m a t i o n a p p r o a c h ) ，将物理车辆模型用另一种纯粹的数字数学模型替代。该数学模型可 以很精确地模拟很多行车条件，如直行转弯、单移线、启动、制动、平路面不 平路面行驶、干路面混路面行驶等，允许通过修改底盘参数( 悬架的弹性、动力 学、刚度、阻尼、轮胎压力等) 来实现所期望的车辆动力学性能，从而改善车辆 的平顺性和操纵稳定性，他们采用基因算法分级优化的方法，结果表明能大大减 少模拟计算时间口。i 。 y u a nz h a n ga r f l m r 对虚拟实验场( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 的建立和整车的分 析模拟进行了研究。根据实验场真实道路的路面轮廓，建立了道路的有限元模型， 根据车辆的设计建立了车辆的有限元模型，再用适当的计算机程序把它们组合起 来，以完成不同的非线性动力学结构分析。在物理样机能够用于实验场或实验室 试验数月之前，v p g 技术就可以对车辆的性能进行全面的了解【8 j 。 段敏、付铁军等通过道路实验查明了l z 6 4 0 0 轻型客车行驶平顺性不理想的 原因是后悬架刚度值偏大；通过建立8 自由度动力学模型和计算机模拟，计算出 最佳的后悬架刚度值与阻尼匹配参数，然后对后悬架进行了改进设计。将改进的 后钢板弹簧装车再次进行道路试验，结果表明，行驶平顺性得到很大的改善【j 。 容一呜等按汽车行驶平顺性评价方法，应用m a t l a b 工具箱编制了针对五 自由度汽车模型的随机输入动态仿真程序。通过仿真可直接获得给定测点的加权 加速度均方根值分量的最大值和总加权加速度均方根值。仿真结果与随机输入行 驶试验结果基本吻合 美国m d i 公司开发的a d a m s 软件，可让工程师们在a d a m s 环境下建立 部件的几何模型，由几何模型装配成系统模型的办法，建立功能化数字车辆虚拟 样机。建模人员无需花大力气构造复杂的微分方程，加快了建模时洲，而且也大 大减少了写方程和写代码过程中可能出现的错误。 金睿臣用a d a m s 建立了l l 自由度的汽车非线性振动模型，用伪白噪声法生 成符合实际路面统计特性的伪随机序列模拟路面不平度。对汽车在路面随机输入 下的振动响应作了仿真分析i “1 。 李智峰在a d a m s 下建立了4 9 自由度的汽车虚拟样机模型，进行汽车的操纵 稳定性性分析，与基于集中质量的较少自由度的抽象模型相比，对汽车的动力学 描述更为全面【2 5 1 。 国内外已有学者开始对虚拟现实环境中车辆平顺性等特性进行研究。 中国农业大学的尹念东、余群等设计了一套基于o p e n g l 的桌面虚拟现实系 统( d e s k t o pv i r t u a r e a l i t ys y s t e m ) ，并进行了汽车运动仿真，为虚拟现实技 术在汽车工程中的应用提供了有用的借鉴【1 0 】。 浙江人学 l ! j ! 学位论文 中国农业大学车的王国权、余群等研究了8 自由度乘坐动力学模型及时域仿 真。为克服频率响应法对车辆平顺性预测的局限性，建立了8 自由度的汽车乘坐 动力学模型和随机路面激励的时域模型。乘坐动力学模型考虑了包括坐椅在内的 车辆的垂直、俯仰和侧倾3 种运动。利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对某 型车辆在b 级路面行驶时的平顺性进行了时域仿真分析。研究结果表明，此方 法能够快速地对车辆在随机路面行驶时的平顺性进行预测和评价| i “。 1 3 虚拟现实技术的意义和研究现状 v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 是六十年代在美国首先出现的一项新技术，可以为用 户提供实时交互性操作、三维视觉空怕j 和多通道( 视、听、触等) 的人机界面， 可以对真实世界进行动态模拟，产生的动态环境能对用户的姿势、语言命令等做 出实时响应。v r 技术将会改变人类获取信息的方式，提高人机之问的和谐程度， 使人机界面更加直观，因而引起了广泛关注。 美国是虚拟现实技术的发源地。美国对虚拟现实技术的研究水平基本上就代 表了国际虚拟现实技术发展的水平，美国的虚拟现实应用主要有以下成果： 美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 实验室完善了h m d ( h e a dm o u n t e dd i s p l a y s ) ，并 将v p l 的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。n a s a 完成的一项著 名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。n a s a 的a m e s 现在正致力于一个名为“虚 拟行星探索”( v p e ) 的试验计划。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计算机系是进行虚 拟现实技术研究最早、最著名的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科 手术仿真和建筑仿真等。麻省理工学院( m i t ) 是一个一直走在最新技术前沿的科 学研究机构，1 9 8 5 年m i t 成立了媒体实验室，进行了虚拟环境的证规研究，这 个媒体实验室建立了一个名叫b o l i o 的测试环境，用于进行不同图形仿真技术 的试验，利用这一环境，m i t 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统， 另外，m i t 还在进孑亍“路径计划”与“运动计划”等研究。美国r o c k w e l l 科学 中心( r s c ) 将计算机产生的三维物体、动画和文本叠加到真实的物体上面用于 对日常维护和错误检查提供指导。国外还有虚拟环境测试台的研究，可以借助于 、，r 技术对自动潜水器( a u v ) 进行实时测试和评估。虚拟现实比较成熟的一个 应用是汽车虚拟测试系统( v e h i c l ev i r t u a it e s ts y s t e m ，v v t s ) 。该系统基于虚 拟现实技术，利用现代先进的信号采集处理、自动控制和计算机技术，在实验室 中重现汽车的各种实际工况，从而达到对汽车各种性能进行分析和评价的目的。 一些世界知名大公司丌始对v v t s 进行研究，并已在实际中得到r 应用，如关 国的m t s 公司，可在实验室中再现实际外界环境，以便对汽车的综合性能进行 分析和评价，及时发现设计中的不足，进而缩短汽车整车开发周期。在制造工程 _ i j i 江大学坝i ：学位论史 领域，v r 在产品的外形设计、产品的布局、装配仿真、制造过程仿真、虚拟样 机、产品工作性能测试、产品广告与漫游、企业生产过程仿真与优化配置等方面 得到较广泛的应用。波音7 7 7 飞机的设计是虚拟现实技术应用于制造系统的成功 范例，设计人员可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，身临其境地观察飞 机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察。美国c o v e n t r ys c h o o l o f a r ta n dd e s i g n 开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计 算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价。 其它国家在虚拟现实研究和应用方面也有一些成果。德国d a m a s t a d t 的 f r a u n h o f e r 计算机图形学研究所开发了一种名为“虚拟设计”的虚拟现实组合工 具，可使得图像伴随声音实时显示。英国的a r r l 有限公司关于远地呈现的研究 试验主要包括虚拟现实技术重构问题，他们的产品还包括建筑与科学计算。日本 n e c 公司的计算机和通信分部中的系统研究实验室丌发了一种虚拟现实系统，它 能让操作者使用“代用手”去处理三维c a d 中的形体模型，i 幺系统通过v p l 公司 的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系了起来旧j 。 我国在虚拟现实的理论研究和实际应用方面都已经取得了很犬的进展。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟技术研究、最有权威的单位 这一，他们首先进行了一些基础知识的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理 特性的表示与处理，在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了 有关算法及实现方法，实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研 究论坛，可以提供实时三维动态数据库提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行 员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台。 浙江大学c a d c g 国家重点实验室丌发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫 游系统，i 幺系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同 时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高 的水平。浙江大学电气工程学院的蔡忠法等提出了由操纵仿真系统、动力学仿真 系统、视景仿真系统、单响仿真系统、运动仿真系统、操作仿真系统、操作评价 系统、数据管理系统组成的汽车驾驶模拟训练系统总体结构，研究了各个子系统 的功能、技术原理和方案，以及整个汽车驾驶模拟系统的程序流程和训练科目， 并研究了驾驶员虚拟训练的应用和效果悼j 。浙江大学的高瞻等对基于自由度归约 方法进行约束分析，在理解与识别设计者的装配操作和意图基础上，通过空间几 何角度分析，根据装配关系建立装配约束关系树，实现了虚拟现实环境下的产品 装配的定位导航，该方法在汽车发动机的虚拟装配中得到了较好的应用| 9 j 。 哈尔滨工业大学计算机系已经成功的虚拟出了人的高级行为中特定人脸图 像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人泌话时的头势和 手势动作，语音和语调的同步等岫1 。 浙江大学舷j j 学位论卫 1 4 虚拟样机技术的意义和发展现状 机械系统虚拟样机技术，是指在机械系统的设计丌发过程中，综合应用相关 的先进技术手段，在计算机上构造出机械产品的模型，并对该机械系统整体在投 入运行后的工作情况进行分析研究的一种高新技术手段。利用虚拟样机可代替物 理样机对产品进行创新设计、测试和评估、缩短丌发周期、降低成本、改进产品 设计质量、提高面向客户与市场需求的能力。虚拟样机技术的出现改变了产品设 计的思路和方案。图1 3 和图1 4 是传统产品设计方案和基于虚拟样机技术的产 品设计方案的示意图。 图1 3 传统产品设计方案 l 确定亡1 抬护莨磬数数值 进f 样机模型 ：盆器冀；副_ 幢曲约束 l 施加艘荷 对样机仿真分析f ；i i ! i i ! i i i 一磊矗嘉菥) 、一l r 一 完善模型 i ：；：；：；： 参数化建模j 搿燃点| 兰 1 设计最敏度研究 优化设计 | ：；：i ：研究 建立物理样机l 撤崭优l 硅计的鲭粜建立糍焉= 样机 图1 , 4 基丁虚拟样机技术的产品设计方案 浙江大学坝l j 学位论义 目前国际上对虚拟样机技术的研究已趋成熟，商品化的软件系统正逐渐在工 程设计实践中得以推广利用，它正在由分析专家的专用研究工具逐渐向普通工程 设计人员易于掌握的工程设计的工具转变。汽车工业发达的国家对虚拟样机理论 的研究已取得了令人瞩目的成果，开发的软件如a d a m s ，d a d s 等也为汽车设计水 平的提高提供了有力的手段。 传统的汽车设计模式是先进行零部件设计，然后将零部件组装成样机，再进 行试验研究。这种设计方法由于设计周期长，成本高，成功率低，已逐渐被虚拟 样机设计技术所取代。 1 5 基于虚拟现实的车辆平顺性试验的主要内容 本研究的目的是建立车辆平顺性虚拟试验系统，基本组成如图1 5 所示。针 对这些内容主要开展以下工作： 一虚拟汽车模弛b 计 算 = = 爿虚拟试验场p 机叫虚拟试验过科的显示 处 理 - , 1 动力学分析数据卜叫 图1 5 虚拟试验基本组成 1 按照美国客车舒适性计算上广泛采用的振动模型，把整车简化为两个自 由度的模型，建立其微分方程，结合各级路面激励的时域模型，使用i i i a t l a b 求 解动力学方程，得到汽车的前后轮轴中心在各个方位上随时间历程的运动位移。 2 用a d a m s 软件建立某型号的三维实体汽车模型，全面的考虑r 影响平顺 性的各种因素，通过对路面功率谱的变换生成适合于a d a m s 的路面文件，实现了 整车虚拟样机在随机输入激励下，车辆振动模型的时域仿真求解，并把仿真结果 输出为文本文件，用作以后驱动虚拟环境中汽车模型。 3 在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，v c 编译环境下使用w t k 软件建立桌面型的汽 车平顺性虚拟试验场，试验场的对象包括路面、天空、树木、山脉。 4 构建车辆平顺性虚拟仿真试验分析系统的硬件平台，试验者利用立体眼 镜、头盔、跟踪器、鼠标、键盘和虚拟环境进行交互。 5 在构建的虚拟试验平台上，使用w t k 软件，实现了在汽车运行过程中动态 的观察汽车的平顺性情况，汽车的运动是由本文建立的2 自由度汽车模型的解来 驱动的，在虚拟试验过程中使用硬件设备和虚拟环境进行交互，逼真的仿真实际 浙江入学顾 j 学位论文 试验过程。 本论文的整体框架结构如图1 ，6 所示 第一章 绪论 j 【 第一：章 u 机械系统的虚拟样机 技术和a d a m s 软件 第四章 l 桌面虚拟现实系统 第二章 的建立 汽乍平顺性分析 的动力学模型 、 f u 第五章 汽币平顺性虚拟 试验的实现 u 第六章 结论与展望 图1 6 论文总体结构框豳 各个章节的具体安排如下： 第一章为序论，介绍了项目的背景和要求。阐述了汽车平顺性研究的现状， 重点介绍了本课题使用的两大技术，虚拟现实技术和虚拟样机技术的意义和研究 现状。最后给出了本研究的主要要求和内容。 第二章介绍了建立汽车模型和汽车动力学分析中用到的关键性技术：虚拟样 机技术的基础理论和基本内容，同时详细介绍了业界使用最广泛的虚拟样机软件 a d a m s ，这一章内容是后面汽车平顺性仿真分析的动力学基础。 第三章在前面的基础上，使用两种方法建立了汽车的动力学模型：第一种方 法是使用传统方法，把整车简化为两个自由度的摸型，建立其微分方程，结合各 浙江犬学硕j 学位沦文 级路面激励的时域模型，使用m a t l a b 求解动力学方程，得到汽车的前后轮轴中 心在各个方位上随时间历程的运动位移；第二种方法是用a d a m s 软件建立汽车模 型，使用a d a m s 的路面文件，实现了整车虚拟样机在随机输入激励下，车辆振 动模型的时域仿真求解，并把仿真结果输出为文本文件，用作以后驱动虚拟环境 中汽车模型。 第四章在分析实际需求的情况下，建立了本研究所用到的虚拟现实试验平 台，比较详细的阐述了该平台软、硬件设备的使用情况。同时介绍了虚拟现实中 最关键的立体成像的原理以及在本研究中的实现方法。 第五章在虚拟试验平台上，建立了虚拟试验使用的虚拟环境和运动学模型， 使用w t k 调用和管理虚拟环境和运动学模型，利用动力学仿真分析的数据驱动 虚拟环境旱的汽车模型，实现了虚拟环境下的汽车平顺性试验汽车在虚拟环境 下的运动由第一种动力学模型的仿真分析结果驱动。 第六章对自己的工作进行了总结和回顾，提出了项目中还需要进步需要完 善的地方。 浙江大学颅 。学位论文 第二章机械系统的虚拟样机技术和a d a m s 软件 【内容提要】介绑了汽乍仿真分析的理论基础：机械系统的虚拟样机技术，j l 介纠r 和虚 拟样机技术相天的技术。在此基础e ，重点介纠了业界使用最j “泛的虚拟样机软仆a d a m s ， 阐述了a d a m s 软什使_ 【： j 过释中最重要的儿个概念以及它建立动力学方程的方法干| i 求救方 法。最后说明了使用a d a m s 建立汽乍模型和仿真分析需要做的j 作。 2 。1 机械系统虚拟样机技术概述 虚拟样机技术，作为一项产业技术，已有2 0 多年的历史了。2 0 多年前，复 杂机械系统运动学和动力学的理论框架已就已搭起，相应的数学方法也已提出。 数位学者把研究成果商品化，使其能为工业界接受，他们的理论成果不仅被接受， 而且变成了一项相对独立的产业技术，改变了传统的设计思想，对制造业产生了 深远的影响。 虚拟样机技术是一项新生的工程技术。其核心是机械系统运动学和动力学仿 真技术，同时还包括三维c a d 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。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统 的数学模型，伴之以三维可视化处理，模拟现实环境下系统的运动和动力特性， 并根据仿真结果改进和优化系统的设计方案。 应用机械系统虚拟样机技术，工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行 各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机 实验。应用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短 产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的 系统性能，获得优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到了发达 工业国家、有关科研机构、大学和公司的极大重视，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。图2 。l 所示为虚拟 样机的一个模型图。 图2 1a d a m s 建立的虚拟样机模型 i 折江 学他学位论文 根据国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和 预测，传统的机械系统实物试验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的 计算机数字化仿真技术取代。 机械系统动态仿真技术的研究对象是机械系统，在这早，机械系统呵以视为 是由多个相互连接、彼此能够相对运动的构件的组合。 在机械系统设计中有3 种性质不同的分析： 1 机械系统的静力学分析。在一定条件下，机械系统变成一个刚性系统，系 统中的各构件之间没有相对运动，此时主要是分析在各种力的作用f ，各构件的 受力和强度问题。 2 机械系统的运动学分析。主要涉及系统及其各构件的运动分析，而与引起 运动的力无关，运动学分析中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置与时间 的关系是规定好的，其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求 解位置、速度和加速度的非线性方程组来确定。 3 机械系统的动力学分析。主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，有两 种情况：一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡位置，在外力作用下系统 的运动与运动学关系式相一致，这些关系是通过连接系统构件的运动副施加给系 统。可以运用动力学方程或微分方程与代数方程的组合求解，确定系统的运动。 另一种情况是运动学分析和动力学分析的混合形式。 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，通过求解代数方程组确定引起系 统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。 2 2 机械系统虚拟样机技术的相关技术 虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学 建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时的提供了求解 这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术以及动画技术的发展为 这项技术提供了友好的用户界面。 虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟与计算机辅助设计( c a d ) 技术的 成熟及大规模推广应用分不丌的。第一，c a d 中的三维几何造型技术能够使设计 师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。这样设 计师就把精力关注于设计的正确和优化问题。第二，三维造型技术使虚拟样机技 术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于g a d 强大的三维几何编辑修改技 术，是机械系统设计的快速修改变为可能。 虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于 浙江人学顺。学位论文 计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如火星探测器的动 力学及控制系统模拟是在惠普7 0 0 工作站上进行的，c p u 时间用了7 5 0 小时。另 外在数值方法上的进步也会对虚拟样机技术的仿真的速度及精度有积极的影响。 机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分 析时，还需要融合其他相关技术，为了能够充分发挥不同分析软件的特长，有时 希望虚拟样机软件可以支持其它的计算机辅助工程( c a e ) 软件，或者反过来，虚 拟样机软件的输入数据可以由其它的软件产生。 一个优秀的机械系统虚拟样机的应用软件除了可以进行机械系统运动学和 动力学分析外，还应该包含以下技术： 1 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建 模，或者用来显示机械系统的仿真分析结果。 2 有限元分析( ( f e a ) 软件和技术。可以利用机械系统的运动学和动力学分 析结果，确定进行机械系统有限元分析( ( f e a ) 所需的外力和边界条件。 或者利用有限元分析对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 3 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用j i ：放式的软件 编程技术来模拟各种力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适应 各种机械系统的要求。 4 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处 理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 5 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代 的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者，可以应用其它专用 的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 6 优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优