（机械设计及理论专业论文）面向suv整车性能的刚柔耦合建模、仿真及优化研究.pdf

摘要 摘要 s u v ( s p o r tu t i l i t yv e h i c l e ) ，即运动型多功能车。在现代高速汽车的生产 制造中，整车操稳性和平顺性能十分重要，整渐渐成为评价汽车性能的重要技 术指标。 本文以汽车行驶动力学理论和多体系统动力学理论为基础，结合某s u v 型 车的技术参数和特点，利用a d a m s c a r 软件建立了整车各个基本组成子系统的 多刚体动力学模型。通过一系列柔化试验，在多刚体前悬架模型的基础上建立 了刚柔耦合前悬架模型，并对其进行了车辆定位参数的多目标优化设计。将各 个子系统模型装配成为整车模型，并进行了整车操稳性和平顺性的仿真分析。 首先，在某s u v 车的技术参数和特点基础上，通过对原型车实际模型一定 程度的简化，在a d a m s c a r 模块中建立了整车各基本子系统的多刚体动力学模 型，分析了各子系统间的连接关系，并通过信息交换器把所有子系统模型装配 成整车的多刚体动力学模型。 其次，以多刚体前悬架模型为基础，通过弹性衬套替换刚性铰接、上下横 臂和横向稳定杆的柔化处理等一系列仿真试验，说明了弹性衬套连接以及部分 构件的柔化处理对悬架运动学特性有很大影响。建立了悬架刚柔耦合模型，并 进行了动力学的仿真与分析。 第三，结合a d a m s i n s i g h t 选取了适当的悬架硬点坐标作为设计变量，以 定位参数变化范围最小值为优化目标，采用“直接加权统一目标函数法构建 了多目标函数，并在a d a m s v i e w 中对前悬架进行了多目标优化设计。仿真 结果表明，该双横臂悬架的运动学特性得到了改善。 最后，采用优化后的刚柔耦合前悬架子系统，建立了整车的刚柔耦合多体 动力学模型，参照国家标准对整车进行了操稳性和平顺性仿真。另外，通过与 多刚体整车模型仿真结果的比较，分析了刚柔耦合前悬架子系统替代多刚体前 悬架子系统对整车性能的影响。 经过仿真计算与分析，s u v 前悬架和整车多体系统模型与实际车型在主要 性能参数及其变化趋势上基本相符，得到了该生产厂家的认可。 关键词：前悬架，刚柔耦合，a d a m s c a r ，优化，操稳性，平顺性 a b s t r a c t a b s t r a c t s u vi st h ea b b r e v i a t i o no fs p o r tu t i l i t yv e h i c l e i nt h em a n u f a c t u r eo f l l i g h - s p e e dv e h i c l e s ，t h ev e h i c l eh a n d i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r ti sv e r yi m p o r t a n t a n di sb e c o m i n gt h em a i nc r i t e r i o ni nv e h i c l ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i nt h i st h e s i s ，b a s e do nv e h i c l ed r i v i n gd y n a m i c st h e o r ya n dm u l t i b o d ys y s t e m d y n a m i c st h e o r y ，c o m b i n e d 、 ，i mt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lf e a t u r e so fa s u v ，t h er i g i dm u l t i - b o d yd y a n m i c sm o d e l so fe a c hs u b s y s t e m sw e r ee s t a b l i s h e d 、杭t l la d a m s c a rm o d u l e t h r o u g has e r i e so fs i m u l a t i o n , t h er i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g d y n a m i c sm o d e lw a sb u i l to nt h eb a s i so ft h er i g i dm u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e lo f t h e f r o n ts u s p e n s i o n , a n dt h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rw h e e la l i g n m e n t p a r a m e t e r sw a sc a r r i e do ni t t h e nt o o ka l ls u b s y s t e m st o g e t h e rt oa s s e m b l ef u l l v e h i c l em o d e lf o rt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so nh a n d l i n gs t a b i l i t ya n df i d ec o m f o r t o f 觚lv e h i c l e f i r s t l y ，b a s e do nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lf e a t u r e so fas u v ，b y p a r t l ys i m p l i f y i n gt h ep r a c t i c a ls 觚骶o ft h es u v ，i na d a m s c a rm o d u l e ， e s t a b l i s h e dt h er i g i dm u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e l so fe a c hs u b s y s t e ma n da n a l y s i s e d t h es y n t a g m a t i cr e l a t i o nb e t w e e nt h e m ，t h e na s s e m b l e dt h ea l lo ft h er i g i dm u l t i - b o d y d y n a m i c sm o d e l si n t ot h ew h o l ev e h i c l em o d e lv i am e s s a g ee x c h a n g e r s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fr i g i dm u l t i - b o d ym o d e lo ff r o n ts u s p e n s i o nm o d e l ， t h r o u g has e r i e so fs i m u l a t i o no fr e p l a c i n gr e s i l i e n tb u s h i n g 丽t hr i g i dh i n g ej o i n t ， s o f t e n i n gt h eu p p e r l o w e rc o n t r o lr r ma n dt h eh o r i z o n t a ls t a b i l i z e rb a r ，e t c ，t h e r e s u l t se x p l a i n e dt h a t t h er e p l a c e m e n to fr i g i dh i n g ew i t hr e s i l i e n tb u s h i n g ，a l o n gw i t h t h es o f t e n i n go ft h el o w e rc o n t r o la r ma n dh o r i z o n t a ls t a b i l i z e rb a r , h a v eg r e a ti m p a c t t ow h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，t h e ne s t a b l i s h e dr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gs u s p e n s i o n m o d e la n dm a d ed y n a m i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so ni t m o r e o v e r , c o m b i n e dw i t l la d a m s i n s i g h t , c h o o s e da p p r o p r i a t ek e yp o i n t s c o o r d i n a t e so fs u s p e n s i o ns t n l c 嘶a sd e s i g nv a r i a b l e s ，t o o kt h em i n i m u mv a l u ei n t h ev a r i a t i o nr a n g eo fe a c hw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r sa ss i n g l eo p t i m i z a t i o n i i a b s t r a c t o b j e c t i v e ，b u i l tam u l t - o b j e c t i v ef u n c t i o n 谢t l l “d i r e c t l yw e i g h t e du n i f i e do b j e c t i v e f u n c t i o nm e t h o d ，m a d em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g no v e rf r o n ts u s p e n s i o ni n a d a m s v i e w ，n l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s i c so ft h ed o u b l e w i s h b o n es u s p e n s i o nw e r ei m p r o v e dt oac e r t a i ne x t e n t a tl a s t ，o nt h eb a s i so ft h eo p t i m i z e dr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gf r o n ts u s p e n s i o n s u b s y s t e mm o d e l ，b u i l tt h er i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gf u l lv e h i c l em o d e l t h e na c c o r d i n g t on a t i o n a ls t a n d a r d ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ff u l lv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d e c o n f o r tw e r ec a r r i e do ni t i na d d i t i o n ，t h ei m p a c ta r o s e db yt h er e p l a c e m e n to ft h e r i g i dm u l t i - b o d yf r o n ts u s p e n s i o ns u b s y s t e m 、 ，i t l lr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gf r o n t s u s p e n s i o ns u b s y s t e mw e r ea l s oa n a l y s i s e db yw a yo ft h ec o m p a r i s o nw i t l ls i m u l a t i o n r e s u l t so nt h er i g i dm u l t i - b o d yf u l lv e h i c l em o d e l t h r o u g ht h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ea n a l y s i s ，t h eb u i l tm u l t i - b o d ym o d e l s o ft h es u vf r o n ts u s p e n s i o na n dt h ef u l lv e h i c l ea r ea c c o r d e d 、析mt h er e a lv e h i c l e t y p eo nt h em a i np e r f o r m a n c ea n do nt h ev a r i a t i o nt r e n d t h em o d e l sa n d t h er e s u l t s a r ec o n f i r m e db yt h em a n u f a c t u r i n gc o r p o r a t i o no ft h es u v t y p e k e y w o r d s ：在o n ts u s p e n s i o n , r i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g ，a d a m s c a r , o p t i m i z a t i o n ， h a n d l i n gs t a b i l i t y , r i d ec o m f o r t i i i 图和附表清单 图和附表清单 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图 图 图 图 l 2 3 图4 2 图5 1 图5 2 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 整车建模子系统1 3 双横臂前悬架空间结构1 6 双横臂前悬架子系统多刚体动力学模型( 左侧) 1 8 前悬架阻尼参数特性曲线1 8 前悬架减振弹簧特性曲线1 9 钢板弹簧的一般构造1 9 自由状态下钢板弹簧多刚体动力学模型。2 l 钢板弹簧后悬架子系统多刚体动力学模型2 2 后悬架阻尼参数特性曲线一2 2 横向稳定杆结构简图2 3 横向稳定杆子系统多刚体动力学模型2 4 转向器子系统多刚体动力学模型2 6 s u v 整车多刚体动力学系统模型2 7 各次柔化试验仿真车轮定位参数仿真曲线3 2 基于刚柔耦合悬架模型的车轮定位参数仿真曲线3 3 a d a m s v i e w 中建立的前悬架模型( 左侧) 4 0 刚柔耦合悬架子系统模型优化前后车轮定位参数仿真曲线4 l 整车仿真的基本步骤4 3 4 5 0 角阶跃试验整车侧向加速度响应曲线4 7 4 5 0 角阶跃试验整车横摆角速度响应曲线：4 7 转向回正试验转向盘转角曲线图一4 9 转向回正试验侧向加速度响应曲线图4 9 转向回正试验横摆角速度响应曲线图5 0 正弦波扫频激励下的整车底盘质心处垂向加速度响应曲线5 l 随机不平路面试验不同车速下底盘质心处垂向加速度响应曲线5 2 随机不平路面试验不同车速下底盘质心处侧向加速度响应曲线5 2 脉冲输入试验不同车速下底盘质心处垂向加速度响应曲线5 4 脉冲输入试验不同车速时底盘处侧向加速度响应曲线5 4 v i n 图和附表清单 图6 1 2 两整车模型角脉冲输入试验底盘质心处侧向加速度响应曲线5 6 图6 1 3 两整车模型角脉冲输入试验底盘质心处横摆角速度响应曲线5 6 图6 1 4 两整车模型单线移试验底盘质心处侧向加速度响应曲线5 7 图6 1 5 两整车模型单线移试验底盘质心处横摆角速度响应曲线5 7 图6 1 6 两整车模型随机不平路面试验底盘处纵向加速度响应曲线5 8 图6 1 7 两整车模型随机不平路面试验底盘处侧向加速度响应曲线5 8 图6 1 8 两整车模型随机不平路面试验底盘处垂向加速度响应曲线5 9 表3 1 整车建模参数原始数据1 5 表3 2 前悬架结构参数及车轮定位参数设计值1 7 表3 3 前悬架关键建模坐标点初始位置坐标1 7 表3 4 后悬架钢板弹簧结构参数2 0 表3 5 中性面法b e a m 梁单元建模参数2 l 表3 6 前后横向稳定杆各关键点初始位置坐标。2 4 表3 7 车身子系统各关键点处初始位置坐标( 左侧) 2 5 表3 8 普利司通2 4 5 7 0 r1 6 型轮胎特性参数2 7 表5 1各车轮定位参数取值范围、指标容限值以及加权因子。3 8 表5 2 前悬架各硬点坐标参数对定位参数的影响程度。3 9 表5 3多目标优化设计变量及其取值范围。4 0 表5 4 多目标优化前后各设计变量值j 4 l 表6 1 角阶跃试验操稳性评价参数值4 7 表6 2 转向回正试验操稳性评价指标值5 0 表6 3 不同车速下随机不平路面试验垂向和侧向加权加速度。5 3 表6 4 脉冲输入试验不同车速下垂向和侧向加速度峰值5 5 表6 5 两整车模型不同车速下底盘质心处各方向加权加速度值5 9 i x 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源与意义 本课题来源于2 0 0 7 年河南省科技攻关项目基于虚拟样机的汽车数字 化样机模型建立与性能分析项目”，项目编号( 0 7 2 1 0 2 2 1 0 0 7 4 ) 。 随着社会的发展以及人们生活水平的提高，汽车逐渐成为日常生活中不可 缺少的重要工具。而随着汽车越来越广泛地被使用，汽车安全问题也更加突出， 成为时下汽车行业研究的重点课题。针对汽车安全问题，除了增强人的主观安 全意识以及增加被动安全设施之外，汽车本身还必须具备良好的主动安全性能。 影响汽车安全性能的因素有很多方面，主要包括制动性、操稳性、平顺性及通 过性等f l 】。 汽车仿真分析是虚拟样机技术在汽车研究和设计领域中的具体应用【2 】，它是 在抽象出整车基本结构的基础上，经过一定程度的简化假设，最终在计算机上 建立汽车模型，该汽车模型即称为虚拟样机。通过对虚拟样机输入各种操纵控 制和路况等信号，计算汽车系统的时域响应或频域响应，以此来表征汽车的操 稳性和平顺性等性能。由于采用虚拟样机技术的汽车仿真分析花费的时间短， 各类仿真试验可以在计算机上重复进行，并且能对各种设计方案进行快速优化 和对比，还能实现实车试验条件下不能进行的严酷或者危险工况分析，因此广 泛地被汽车研究人员接受并采用。 1 2 课题研究的国内外现状与分析 1 2 1多体系统动力学国内外现状与分析 2 0 世纪6 0 年代，作为古典的刚体力学、分析力学与计算机科学相结合的力 学分支，多体系统动力学在社会生产实际需要的推动下应运而生【3 硼。多体系统 是指由多个物体通过运动副连接组成的复杂机械系统，组成多体系统的各个物 体称为系统的构件。多体系统动力学研究的根本目的在于应用计算机技术进行 复杂机械系统的动力学计算、分析和仿真。在经典刚体系统动力学的基础上， 多体系统动力学的发展经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个主 1 绪论 要阶段。 多刚体系统动力学【5 】以经典力学为理论基础。多体系统中最简单的情况，也 就是自由质点和少数刚体组成的多体系统，一直是经典力学的研究内容。而多 刚体系统动力学的目的就是为相对较复杂的多刚体系统的运动学或动力学分 析，建立能够结合计算机求解的数学模型，同时还要求有更加简便快捷的求解 方法。对于复杂的多刚体系统，采用以牛顿欧拉方程为建模基础的矢量力学方 法或者是以拉格朗日方程为建模基础的分析力学方法来进行逐步求解，这类采 用经典力学的分析方法在对简单的多刚体系统进行分析时是可行的，但是当遇 到复杂的多刚体系统时，力学方程的数目及复杂程度都会成倍增加，利用经典 力学的分析求解方法就很难甚至根本不可能求得其解析解。 随着计算机数值计算方法的发展，使得利用面向具体问题的数值方法来分 析求解复杂多刚体问题成为可能。在2 0 世纪8 0 年代，h a u g 等人提出了“计算 多体系统动力学 这门新学科。计算多体系统动力学【6 】是指用计算机数值手段来 研究复杂机械系统的静力学、运动学、动力学及控制系统等系列分析的理论和 方法，其研究内容主要包括以下三方面： 1 ) 借助以多体系统动力学为理论基础的软件系统，建立复杂机械系统运动 学和动力学程式化的数学模型，只需在软件平台上输入描述系统的一些最基本 数据，借助计算机以及软件平台就能自动建立系统的数学模型。 2 ) 选择能够高效处理系统数学模型的计算方法以及数值微分积分方法对系 统进行运动学规律以及动力学响应的计算分析。 3 ) 实现有效而直观的数据后处理，采用动画、图表或其他方式来表示数据 处理结果。 计算多体系统动力学的产生改变了传统机构动力学的分析方法，研究人员 只需根据实际情况建立正确的模型，就可由计算机分析求解，并能提供强大的 后处理结果分析方法。对于很多利用传统机构动力学分析方法难以分析求解的 复杂问题，也可以利用计算机顺利地分析求解。 基于计算机多体系统动力学的机械系统动力学分析与仿真技术，已经足够 解决自动化建模和求解的基础理论问题，在2 0 世纪8 0 年代形成的一系列商业 化机械系统动力学分析与仿真应用软件【7 3 】也成功应用在工业界。 而如今，多体系统动力学的研究重点主要集中在以下几个方面： 1 ) 柔性多体系统动力学的建模问题【9 】 2 l 绪论 在多体系统动力学中，绝对的刚体运动或绝对的弹性动力学问题均不常见， 严格来说；实际工程问题都是柔性多体动力学问题，只是为了计算分析和建模 的简便常常简化为多刚体动力学问题或者结构动力学问题来处理。因此，如何 建立更加符合实际系统工况的柔性多体动力学模型就成为了一个难点。 2 ) 接触碰撞建模问题 机械多体系统中纯粹的运动学约束是不存在的，由于各类运动副的精度以及 磨损问题都可能导致运动副存在间隙，从而使得系统构件在相对运动过程中不 可避免地发生接触一碰撞等。因此，在多体系统仿真分析过程中如何考虑接触 碰撞现象也是现在多体系统动力学的一个技术难点。 3 ) 多领域集成仿真和控制问题 一个完整的机械多体系统，不仅仅只由基本构件和运动副组成，它还必然包 含有类似于液气压元件、电子电路及控制系统等。因此，仅仅考虑系统中机构 的动力学并不完善，要全面研究系统的动态特性，就必须全面考虑机、电、液、 气、控制耦合等多个领域建立系统模型，而目前，该领域已形成一个比较完整 的研究体系。 一4 ) 多学科优化问题 随着虚拟仿真技术的不断发展，多体系统的分析方法已从单一问题的计算转 化为综合系统的分析计算。采用多体系统动力学分析与各类优化方法相互结合， 选择相适应的优化设计变量，就能够对多体系统的各类动态特性进行优化分析。 而多体系统的动态特性并不是只由某一个或者某一类系统参数单独决定的，系 统的质量参数、尺寸参数以及弹簧阻尼元件特性参数甚至各类控制参数的变化 都可能会影响到系统动特性，因此，如何融合这些不同类型的设计参数对系统 动特性进行优化设计，就成了多目标或者说多学科优化问题。 1 2 2 汽车系统动力学仿真的国内外现状与分析 随着经济的发展和全球化市场的形成，使得汽车产业的竞争愈演愈烈，人 们对汽车的要求也越来越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求汽 车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。对于这些要求，通过对汽车系统动力 学进行深入的研究是能够实现的，而其中，按照汽车系统动力学理论【m 1 2 】建立 汽车模型进行仿真分析是一种主要手段。在该领域中，各国学者研究均采用通 过试验或人为地把汽车各子系统加以简化，然后抽象出能够代表系统或总成特 3 1 绪论 性的主要因素，再建立相对比较简单的数学或者力学模型进行分析求解，并把 求得的结果通过试验加以验证【1 3 1 4 1 这一类研究方法，这个过程需要经过反复试 验、修改和验证，工作周期较长，在这一过程中，汽车的分析模型经历了从简 单到复杂、从粗糙到精确的过程。 多体系统动力学理论的完善为建立多自由度汽车动力学模型提供了一个有 力工具。以多体系统动力学理论为基础建立的汽车动力学模型，将汽车的每一 个构件看作是刚性体或弹性体，同时也充分考虑各构件间的运动副关系，整个 汽车模型的自由度能多达几十个甚至上百个，多自由度模型能够保证全面地描 述汽车各子系统的运动关系及相互耦合作用，从而使得以汽车多体动力学模型 进行的各类操纵性、动力性、制动性等方面的研究结果更具有可信度【1 5 6 1 。 随着多体动力学的不断发展及其建模理论的不断完善，以及一系列商用建 模仿真分析软件的广泛使用，比如m s c a d a m s 软件等【1 7 1 引，使得汽车动力学 模型的建立越来越精确。比如应用多体动力学软件建立汽车模型，将汽车每一 构件看作是刚性体或弹性体，构件间通过各类约束连接，软件本身能够自动生 成系统的运动和动力学方程，并利用软件的积分微分等各类求解器来进行准确 求解。在建立模型时，也可以采用构件柔化的方法建立刚柔耦合模型，即对运 动过程中变形较大的构件进行柔化，再与其他刚性构件连接，从而达到刚柔耦 合的效果，使汽车模型更加接近实车【1 9 】。利用虚拟样机技术对汽车进行仿真分 析也只有在以更加接近于实车的模型车为研究对象时才能得到更加精确的仿真 结果。 汽车整车性能包含很多方面，而操稳性和平顺性是评价汽车主动安全性和 舒适性最主要的指标。近些年，国内外学者在利用多体系统动力学理论研究汽 车操纵稳定性 2 0 - 2 1 】以及行驶平顺性 2 2 - 2 3 等性能方面开展了广泛的研究。自从 1 9 6 8 年m c h e n r y 首次进行整车操稳性非线性分析以来，大量针对汽车操稳性和 乘坐舒适性方面的汽车多体动力学分析的工作得以开展。从最早期的针对4 2 自 由度的刚体动力学模型分析，以及关于汽车线性和非线性的动力学模型建立和 分析求解；到建立9 4 自由度的多体动力学整车模型进行整车瞬态操稳性研究分 析，利用仿真软件建立了轿车的整车多体仿真近似模型，对不同车速、不同载 荷下的操稳性进行了动力学仿真分析等；再到利用p r o e 、a d a m s 以及a n s y s 软件相互结合建立汽车多体系统仿真模型，按照国家标准进行各类操稳性以及 平顺性的仿真分析【2 4 】；直到针对汽车螺旋弹簧刚度和横向稳定杆结构特性对汽 4 1 绪论 车稳态转向特性的影响分析，和汽车结构件的刚柔耦合特性、阻尼减振特性以 及钢板弹簧特性对汽车整车操稳性和平顺性的影响分析等等。这些通过建立模 型进行分析的研究方法使得汽车性能的研究都得到了很大的发展【2 5 2 9 】。 在我国，2 0 0 3 年5 月，王国权、许先锋等利用d a m s 软件对福田1 0 2 8 e 2 汽车进行平顺性的虚拟样机试验研究【3 0 j 。乔明侠针对江淮汽车股份有限公司的 瑞风商务车，利用多体动力学分析软件a d a m s 建立了包括车身、前后悬架、 转向系统、轮胎、人椅等系统在内的整车多体模型，开发了随机路面生成软 件和平顺性评价程序【3 l 】。杨英等利用a d a m s 软件建立了四分之一汽车主动悬 架的机械模型，解决了主动悬架数学模型建立的难题【3 2 l 。李阳、唐应时等借助 于软件a d a m s c a r ，建立了某越野车整车多体动力学模型和平顺性脉冲路面， 进行了不同车速下的仿真试验，得到试验数据【3 3 j 。邓亚东等利用a d a m s 对汽 车操纵稳定性进行了仿真分析，揭示了汽车转向特性与车速、载荷和轮胎的内 在关系【3 4 1 。岑少起、秦东晨等运用a d a m s 软件建立了c 型车多自由度整车多 体动力学仿真模型，详细分析了前悬架系统、钢板弹簧系统和轮胎模型，同时 提出利用中性面法建立钢板弹簧多体模型【3 5 1 。潘筱等利用a d a m s 软件建立整 车双横臂独立前悬架并对其进行运动学分析，最终建立整车模型并进行一定程 度的操稳性仿真分析，以评价整车性能【3 6 】。赵红宇等利用a d a m s 软件对某s u v 车进行基于灵敏度的前悬架及整车结构优化【3 7 j 。李浩亮等利用a d a m s 软件针 对具有空气弹簧悬架的大型客车进行平顺性建模分析【3 引。 本文将利用a d a m s 软件建立s u v 车型各基本子系统，并最终建立整车模 型进行仿真分析及优化，对车辆的操稳性和平顺性进行初步探讨。 1 3 本文的主要研究内容和创新点 1 3 1 本文的主要研究内容 本文以某s u v 车为研究对象，查阅资料获取整车建模所需要的各类参数， 以多体系统动力学的理论为基础，在a d a m s c a r 中建立整车各个基本子系统多 刚体模型，并组装成多刚体整车系统。在多刚体前悬架模型的基础上通过安排 一组柔化仿真试验，分析试验结果以建立刚柔耦合前悬架模型，并对其进行仿 真分析及优化设计。采用优化后的刚柔耦合前悬架子系统，建立了整车的刚柔 耦合多体动力学模型，参照国家标准对整车进行了操稳性和平顺性仿真。另外， 5 1 绪论 通过与多刚体整车模型仿真结果的比较，分析了刚柔耦合前悬架子系统替代多 刚体前悬架子系统对整车性能的影响。 本文的主要研究内容包括以下几方面： 1 ) 分析车型的结构特性并获取整车建模所需要的参数。 2 ) 建立整车各个子系统的多刚体数字化模型，包括车身模型、前后轮胎模 型、转向系统模型、横向稳定杆模型，以及前后悬架的多刚体模型，将建立的 各个子系统模型装配成多刚体整车模型。 3 ) 在a d a m s c a r 模块中对建立的多刚体前悬架模型进行柔化试验，并最 终建立刚柔耦合前悬架子系统模型。 4 ) 利用a d a m s i n s i g h t 模块分析优化设计变量，在a d a m s v i e w 模块中建 立优化目标函数，对刚柔耦合前悬架模型进行多目标优化。 5 ) 结合优化后的刚柔耦合前悬架模型和整车其它各子系统模型建立刚柔耦 合整车模型，根据相关国家标准，选择仿真试验对整车进行操稳性及平顺性仿 真分析，输出各种评价整车性能的仿真曲线，分析并评价整车操稳性和平顺性。 6 ) 通过对多刚体整车模型及刚柔耦合整车模型进行相同条件的仿真试验， 以分析刚柔耦合前悬架子系统替代多刚体前悬架子系统对整车性能的影响。 1 3 2 本文研究的主要创新点 本文在对s u v 整车分析、建模、优化以及仿真的过程中，认为以下几个方 面的研究内容具有一定的创新性： 1 ) 通过对整车模型各子系统单独建模，再经由各子系统间输入输出关联器 组装成整车模型，如此不仅使得整车建模更加简便，在对整车系统进行仿真分 析时，还可通过单独改变某一个或多个子系统来进行研究。 2 ) 建立车身子系统时，通过在四个车轮正上方质心高度处建立刚性球，只 需要设置每个刚性球的质量就可以保证车身特性，无需计算各方向的转动惯量 等，而各刚性球的质量可以通过悬上质量的分配计算求得。 3 ) 在多刚体前悬架子系统模型的基础上通过安排一系列针对单一影响因素 的柔化试验，综合分析各影响因素并最终建立刚柔耦合前悬架子系统模型。 4 ) 对悬架子系统车轮定位参数进行多目标优化设计，采用直接加权统一目 标函数法建立多目标优化函数，结合a d a m s i n s i g h t 的优化分析功能以及 a d a m s v i e w 的函数建模功能进行多目标优化设计。 6 2 多体系统动力学与虚拟样机技术 2 多体系统动力学与虚拟样机技术 虚拟样机技术是综合多学科而产生的一门新技术，它是随着计算机技术的 发展而迅速发展起来的，其核心内容主要是多体系统动力学及其技术实现。本 章着重介绍多体系统动力学( 包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学) 的 研究方法及机械系统动力学分析软件m s c a d a m s 。 2 1多刚体系统动力学研究方法 多刚体系统动力学1 3 9 】是在经典力学的基础上发展起来的。在二十世纪六十年 年代到七十年代期间，多刚体系统动力学的研究形成了几个相对较为系统的研 究方法，主要包括图论法、凯恩法、悬量法、最大数量坐标法以及变分法等。 虽然多刚体系统动力学理论最终发展成了多种不同的体系，但各体系都有一个 共同点，那就是它们都是以经典力学为基础建立方程式来描述系统数学模型， 而这种通过建立系统方程式的方式恰好能够很好地与计算机技术相互结合。随 着计算机科学的不断发展，这类研究方法都可以充分利用计算机来求解复杂的 动力学方程式，而由于系统的建模、分析以及计算都是在计算机中完成的，从 而使得这类多刚体系统的动力学研究方法具有以下几个突出的特点： 1 ) 适用对象更加广泛。多刚体系统动力学的研究方法是通过计算机按照一 定方法自动建立模型并加以分析，借助于计算机和相关软件平台只需要注意一 些描述系统的基本参数就可以对同类型不同结构进行分析，通用性比较强，有 时候同一计算机程序可以对同一系列的复杂系统进行建模及分析。 2 ) 可针对大位移运动进行分析计算。由于多刚体系统动力学的方程式是在 有限位移的基础上推导得到的，因此，不论系统微小幅度的振动分析还是大位 移运动分析，都可以通过这类方程式来描述，这也更符合实际工程应用系统的 运动情况，使得系统描述更加接近于实际工作情况，最终使得系统分析计算结 果更加精确可信。 3 ) 建立的模型具有相对较高的精度。只需要把握关键参数的输入，多刚体 系统动力学的数学模型就可按照程式化方法通过计算机自动生成，不再需要对 每个系统的方程式进行推导，而且这类借助于计算机科学的程式化建模方法， 7 2多体系统动力学与虚拟样机技术 不仅可以建立简单的模型，也可以建立相对复杂的模型，且不容易出错。 近几十年来，随着对机械系统的性能、精确度等方面的设计要求不断的提高， 加之高速度、高性能计算机的发展和各类数值方法的日益成熟，多刚体系统动 力学的研究方法已经日趋成熟。 2 2 多柔体系统动力学研究方法 多柔体系统动力学【加l 是多刚体系统动力学的自然延伸，它也就是在多刚体系 统动力学的分析基础上进一步考虑运动构件的变形等因素的影响，从而使得系 统的自由度增多，同时，柔性构件的变形还能够导致多刚体动力学分析中的一 些常量发生变化，比如惯量参数等，最终使得系统运动学以及动力学关系也变 得更加复杂，系统方程式的求解也更加复杂。 多柔体动力学系统的建模方法【4 卜4 2 】在2 0 世纪8 0 年代后渐趋成熟。按照计算 多体系统动力学的理论，多柔体系统动力学和多刚体系统动力学的数学模型具 有很大程度上的兼容性，多柔体系统动力学理论包含了多刚体系统动力学和结 构力学，因为在多柔体系统中，假如系统中的柔性构件变形很小直至变形量可 以忽略不计时，该柔性系统也就变成了多刚体系统，而当柔性系统中不存构件 的大范围运动时，就变成了结构力学问题，因此，由于这种相互关联特性的存 在，就可以从多刚体系统动力学以及结构动力学的理论研究方法出发对柔性系 统动力学进行分析研究。 与多刚体系统动力学理论一样，多柔体系统动力学的研究方法也形成了不同 的体系。现在广泛被接受并使用的建模方法主要有柔性体离散化方法与集成柔 性体模态分析结果的模态集成法。 1 ) 离散化方法。采用离散化方法建立柔性构件模型的理论方法与多刚体建 模方法在本质上是一致的。就是在多刚体动力学的基础上，将一个刚性构件按 一定方法划分为若干部分，各部分之间采用力元进行约束，从而得到离散化柔 体模型。 2 ) 模态集成法。模态集成法的基本原理是将柔性体视为由无数个节点集合 而成的有限元模型，各个节点相对于局部坐标系存在着一定程度的线性变形， 而该局部坐标系作大的非线性整体平动和转动，每个节点的线性局部运动可以 通过模态振型或者模态振型向量的线性叠加来进行描述。 8 2多体系统动力学与虚拟样机技术 按照所选取的参考坐标系的不同，通常可以用绝对描述和相对描述两种方式 来描述多柔体系统的运动。所谓绝对描述是指在确定一个整体坐标系之后，系 统中所有的构件在任意时刻的运动和位移都通过该坐标系来确定。而相对描述 是指系统中每一个小部分都按照某种方式来选择动态的参考坐标，各部分的位 移形态是相对于动态参考坐标系来确定的。 在多柔体系统动力学中，所建立的各类动力学方程都是强刚耦合、强非线性 方程，由于这类方程的求解过程非常复杂，只有借助于计算机通过数值方法才 能求解计算p 4 j 。 2 3 虚拟样机技术 虚拟样机技术在机械工程领域中又被称为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迅速发展起来的一项新技术，它是指在产品 设计开发的过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉和在一起，通过在计算 机上建造出产品的整体动力学模型，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。虚拟样机技术的主要核心就是多体系统动力学，而m s c a d a m s 软件 则是基于多体系统动力学理论的虚拟样机技术实现。 2 3 1虚拟样机技术在汽车研究中的应用 传统汽车性能的研究方法，是对汽车物理样机进行一系列试验和改进的循 环反馈过程。这个过程大致可以概括为概念设计一生产物理样机一安装试验设 备一对物理样机进行试验一改进不足一反复试验这样一个有反馈的循环过程。 而由于物理样机的局限性，这其中的每一次循环，都将伴随有物理样机的建造 或修改，随之而来的的产品开发周期的延长以及开发成本的增长。而且，采用 传统物理样机试验研究方法，不仅花费大量人力、经费，长了汽车设计周期， 有些试验本身因为具有一定程度的危险性还难以在物理样机上进行。 在当今的汽车研发和设计领域，运用虚拟样机技术来研究汽车性能已经成 为重要的研究方法之一。应用虚拟样机技术研究汽车性能的过程可以简化为概 念设计一虚拟样机一产品，虚拟样机也就是指汽车整车动力学仿真模型，它只 算是汽车设计过程中的一个小环节，只要建立了汽车整车动力学仿真模型并验 9 2 多体系统动力学与虚拟样机技术 证其有效性后，就可以通过修改汽车结构设计参数进行不同的试验，各类试验 完全可以在计算机中进行，如此不仅能减少物理样机的试制和试验轮次，节省 设计经费、缩短设计周期，对一些因为存在一定危险性而难以进行的试验，也 可通过针对虚拟样机进行虚拟仿真试验来替代。现如今，虚拟样机技术日渐广 泛的成为汽车开发过程中的一种主要技术，与传统的基于物理样机的研究方法 相比，以虚拟样机技术为基础对汽车进行研究具有以下两个主要特点： 1 ) 全新的开发模式。传统的汽车研发方法是从设计到生产是一个串联过程， 其中任何一个环节都可能会遇到这样那样的一些问题，从而增加研发成本等。 而采用虚拟样机技术进行汽车研发是一个预先设计的过程，而且还是通过结果 不断返回到设计阶段进行修正的一个反馈过程。虚拟样机技术基于并行工程， 使得设计人员在概念设计阶段就可以迅速而全面地对产品进行分析、比较以及 选择不同的设计方案，确定影响整体性能的敏感参数，还可结合可视化技术预 测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，不断改进不良性能和响应直至 产品获得最优工作性能。 2 ) 低成本、短周期、高质量的产品开发过程。采用虚拟样机技术设计产品 能够摆脱各类试验对物理样机的依赖。通过计算机结合仿真软件平台建立产品 的虚拟样机，只要时间允许，就可以全面而充分地对产品进行各种物理样机上 无法进行的虚拟试验，并综合各种分析结果获得产品的最优设计