（车辆工程专业论文）基于adams的大客车侧倾稳定性试验仿真模块开发.pdf

摘要 随着我国公路客运市场的蓬勃兴起，客车安全问题不断显现并越来越受到社会的 关注。侧倾稳定性是客车安全性能的重要指标，通常用最大侧倾稳定角来评价。我国 近年颁布( 或修订) 的国家标准g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件与g b 1 3 0 9 4 2 0 0 7 客车结构安全要求中，分别对客车的最大侧倾稳定角提出了明确要求。 多年来国内外学者对车辆最大侧倾稳定角的计算方法进行了大量研究，但利用虚拟样 机技术确定车辆最大侧倾稳定角的报道则不多见。 本文在研究车辆侧倾稳定性试验要求及理论计算数学模型的基础上，以虚拟样机 仿真软件a d a m s 为二次开发平台，结合大客车的结构及总布置特点，设计了大客车 侧倾稳定性试验仿真模块，提出了一种快速确定大客车最大侧倾稳定角的方法，并以 某6 1 2 0 型客车为例，通过该模块的仿真计算值与实车试验值的对比，验证了仿真模 块计算值的准确性。同时，在此基础上分析了大客车总布置各尺寸参数的变化对客车 接近于满载质量状态下最大侧倾稳定角的影响敏感度。 研究结果表明，利用该模块可以快速完成大客车侧倾稳定性试验仿真，确定客车 的最大侧倾稳定角，且仿真结果具有一定的准确性；在大客车的所有参数中，接近于 满载质量状态下各总布置尺寸参数中的通道地板高度、高地板高以及座椅高对客车最 大侧倾稳定角的影响较大。 本论文的研究结果有助于在大客车总布置初步设计阶段快速完成对最大侧倾稳 定角的评估，为客车总布置设计提供参考，从而确立总布置设计方案或修改方案。 关键词：大客车、侧倾稳定性、最大侧倾稳定角、虚拟试验、二次开发、a d a m s a b s t r a c t w i t ht h eb o o m i n go ft h ep a s s e n g e rt r a n s p o r tm a r k e ti no u rc o u n t r y , b u s e s s e c u r i t y p r o b l e mo fb u sa p p e a r su n c e a s i n g l ya n dr e c e i v em o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s t h er o l l o v e r s t a b i l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t so ft h eb u s e s s e c u r i t i e sa n du s u a l l ya p p r a i s e d b yt h em a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l e t h en a t i o n a ls t a n d a r d sg b 7 2 5 8 2 0 0 4a n d g b l 3 0 9 4 - 2 0 0 7e n a c t e dr e c e n ty e a r si no u rc o u n t r yc l e a r l ym a d et h er e q u e s t so ft h eb u s m a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l e s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dh a v ed o n em a s s i v e r e s e a r c ht ov e h i c l em a x i m u mr o l l o v e r s t a b i l i t ya n g l ec o m p u t a t i o n b u t r e p o r t so f d e t e r m i n i n g v e h i c l em a x i m u mr o l l o v e r s t a b i l i t ya n g l eb yu s i n gv i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g yi sf e w t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h er e q u i r e m e n t so ft h er o l l o v e rs t a b i l i t ya n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e la n dp r o p o s e sar a p i dm e t h o dt od e t e r m i n et h eb u sm a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l e i tt a k e sab u so f6 1 2 0f o rt h ee x a m p l ea n dv e r i f i e st h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o d t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h em o d u l ev a l u ea n dt e s tv a l u eo fr e a lv e c h i c l ec o m p a r i s o n a t t h es e m et i m e ，i t a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fm a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l eb yt h e b u s - s i z ep a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a ti tc a nm a k e sar a p i ds i m u l a t i o no fb u sr o l ls t a b i l i t yt e s tb y u s i n g t h i sm o d u l et od e t e r m i n et h eb u sm a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l ew i t hac e r t a i nd e g r e eo f a c c u r a c y i na l lt h eb u ss i z ep a r a m e t e r s ，g a n g w a yf l o o rh e i g h t ，h i g hf l o o rh e i g h ta n dh e i g h t o ft h ep a s s e n g e rs e a th a v eg r e a ti n f l u e n c eo nb u sm a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l ei nt h e c o n d i t i o no fc l o s et of u u1 0 a d t h ep a p e r sf i n d i n g sa r eh e l p f u lt ot h ea p p r a i s a lo fb u sm a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t y a n g l ea n dm a y o f f e rr e f e r e n c e st ot h eg e n e r a la r r a n g e m e n to fb u s i nt h i sw a y , a p r o j e c to f g e n e r a la r r a n g e m e n tc a l lb em a p e do u to ra l t e r e d k e y w o r d s ：b u s ，r o l l o v e rs t a b i l i t y , m a x i m u mr o l l o v e rs t a b i l i t ya n g l e ，v i r t u a lt e s t i n g ， f - u t h e rd e v e l o p m e n t ，a d a m s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：尹六筒；2 如夕年歹月沙e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：净百涉 铷一p 十 研年岁月矽日 卅年多月厶日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着社会的发展，生活水平不断提高，汽车已经成为人们生活、工作中不可缺少的 一部分。作为一种便捷的现代化交通工具，汽车在给人们带来极大便利的同时，也引发 了各种交通事故，给生命和财产安全及社会安定带来了严重威胁。其中，车辆侧翻就是 一种较为严重的事故【1 1 。 在所有交通事故中，车辆侧翻的事故率虽然不是很高( 以1 9 9 9 年国际交通事故统计 为例，约占3 ) ，但是一旦发生，乘员死亡率却比较高，约占总交通事故死亡率的3 3 【2 1 。 根据美国国家公路交通安全局( n h t s a ) 统计，1 9 9 2 年至2 0 0 0 间，全球每年至少发生 2 0 0 ，0 0 0 例侧翻事故( 包括重型货车、汽车列车、轻型皮卡、客车等) 1 3 】。在众多的车辆 侧翻事故中，客车具有特殊性，其主要原因是因为乘员数量多，所以一旦发生侧翻事故 将对车上乘员造成较为严重的身体伤害甚至生命危险，后果不堪设想。影响客车侧翻的 因素很多，其中侧倾稳定性是直接和客车设计相关的一个重要因素，通常用最大静态侧 倾稳定角来评价。 欧洲国家在3 0 多年前也经常发生客车重大事故，为应对这一影响较大的社会问题， 欧盟组织欧洲各国政府着手修改法规并进行客车工业的整顿，相关部门先后组织制定了 一系列强制性标准与客车指令。如欧洲经济委员会( e c e ) 于上世纪7 0 年代中期发布了 e c er 3 6 法规关于大客车通用结构评价方法的统一规定，8 0 年代制定了e c er 5 2 法规 关于小型公共运输车辆结构的统一规定，1 9 8 6 年发布了e c er 6 6 号法规关于大型 客车上部结构强度认证的统一技术规定，1 9 9 8 年颁布了e c er 1 0 7 号法规关于批准双 层大客车通用结构要求的统一规定1 4 j ；欧洲议会和欧盟理事会于2 0 0 1 年1 1 月2 0 日颁布 了2 0 0 1 8 5 e c 指令对除驾驶员座位外座位数超过8 个的载客车辆的特殊规定，该 指令于2 0 0 3 年8 月1 3 日生效。其中，2 0 0 1 8 5 e c 指令是对m 2 类和m 3 类车辆进行型式 认证的强制性客车指令。指令除对客车上部结构强度要求等同采用e c er 6 6 p i ，还对客 车的侧倾稳定性作出了明确规定，要求客车在接近满载的情况下进行侧倾稳定性试验， 在2 8 。之前不允许侧翻。而对于双层客车，则仍维持e c er 1 0 7 的规定。 随着我国经济的发展和人民生活条件的改善，公路客运量急剧增长，客车重大交通 事故的绝对数量也呈逐年上升趋势。由于每次重大交通事故造成的生命财产损失非常巨 第一章绪论 大，因此客车的安全性日益受到政府和社会的关注。为保护人们的生命和财产安全，迫 切需要完善我国的客车安全性法规，以促进和提高客车的主动安全性与被动安全性。 我国的客车标准化工作已有5 0 多年的发展历程，其大致经过了3 个阶段。第一阶段为 2 0 世纪5 0 年代至8 0 年代中期，其特征是各主管部门制定各自的客车部标；第二阶段为8 0 年代中期至9 0 年代，其特征是统一制定成套客车标准，并开始采用联合国欧洲经济委员 会( e c e ) 法规；第三阶段为1 9 9 0 年代至今，其特征是系统参照e c e 法规，制定发布了 一系列客车标准，特别是近年来等效或非等效采用了欧盟m 2 、m 3 类客车统一型式认证 的客车指令。在上世纪9 0 年代初期，汽车标准化工作确定了以e c e 汽车法规为基础，部 分参照美国联邦机动车安全标准，研究、建立强制性标准体系的策略。女1 1 1 9 9 7 年采用 e c er 3 6 号法规中的客车结构安全要求，将g b t1 3 0 9 4 1 9 9 1 客车通用技术条件改为 强制性标准g b1 3 0 9 4 1 9 9 7 客车结构安全要求。由于当时国产客车的产品结构和强制 性标准的制定和实施均处于初期阶段，因此只是参照采用。 进入本世纪后，为推进中国产品走向世界，国家加快了汽车标准化工作的步伐。在 客车标准化技术委员会的组织下，先后根据e c e 法规制定了g b1 8 9 8 6 2 0 0 3 轻型客车 结构安全要求、g b1 3 0 5 7 2 0 0 3 客车座椅及车辆固定件强度和g b t1 9 9 5 0 2 0 0 5 双 层客车结构安全要求等标准。同时，及时按照欧盟最新颁布的2 0 0 1 8 5 e c 客车指令， 于2 0 0 7 年修订了客车结构安全要求标准( g b1 3 0 9 4 2 0 0 7 ) ，并于2 0 0 8 年2 月1 号正式实施 1 5 】。该标准采用了2 0 0 1 8 5 e c 客车指令的主要技术内容，其中对客车的侧倾稳定性作 出了明确规定，要求车辆水平停放在试验台上向左、右两边倾斜2 8 0 而不会翻转，试验 时车辆必须处于整车运行质量状态，即接近于满载状态【6 1 。而在g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车 运行安全技术条件中则规定，空载状态下单层与双层客车的最大侧倾稳定角分别不得 小于3 5 0 与2 8 。吲。此夕i g b1 3 0 9 4 2 0 0 7 还提出可以采用计算方法来证明车辆是否符合标准 的要求，但是计算方法的正确性需要检测机构认同，如根据相似车辆的同等试验为基础 【引。目前，我国尚未有有效的计算验证方式。本文正是从这点出发，试图研究、开发一 种验证客车侧倾稳定极限的方法。 1 2 国内外发展和研究现状 针对车辆的侧倾稳定性，国内外学者在理论计算、试验方法、试验装置等方面都做 了大量的研究。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 1 国外对车辆侧倾稳定性的研究 从上世纪7 0 年代开始，国外就对车辆的侧倾稳定性展开了广泛的研究： ( 1 ) 理论计算方面 1 9 7 0 年，汽车列车侧倾稳定性研究的先驱者i s e r m a n n 首次发表了其研究成果，用建 立的汽车列车静态侧倾数学模型，计算汽车列车的侧翻极限，由于模型中用双线性悬挂 代替非线性悬挂，用等刚度的单胎代替双胎，且假设侧倾角很小，因此模型过于简单， 致使计算结果存在较大误差。1 9 7 3 年m i l l e r 和b a r e r y 将i s e r m a n n 的数学模型稍加改进，分 析了第五刚度、轮距、悬挂及轮胎刚度、挂车轴距、挂车装载高度等因素对汽车列车侧 倾稳定性的影响，提出了有效轮距的概念。1 9 7 5 年s h p t e y 首次考虑了轮胎的侧向刚度， 建立了两自由度的数学模型。1 9 7 8 年v e r m a 矛t g i l l e s p i e 建立了一种动态非线性侧倾数学 模型，模型中将多轴“压缩”成单轴的型式，用等价的单轴悬挂来代替各轴悬挂特性， 采用拉格朗日定理建立运动微分方程可进行大位移的侧倾运动模拟。之后，m a l l i k a r j u n a r a o 等人建立了用于研究汽车侧倾稳定性的稳态和瞬态数学模型，稳态模型将多轴车 简化为三轴车，并考虑了第五轮间隙、悬挂的非线性特性和侧向力对轮胎的侧向偏移及 轮胎侧倾等因素，所计算的侧翻临界值与实验值十分相符。1 9 8 9 年美国的d a s n s 等人在 分析某商务车低速行驶运动参数的基础上，给出了评估车辆侧翻阙值的计算方法； d o n g y o o nh y u n 在建立十四自由度车辆模型的基础上，评估车辆的行驶状态和侧翻阙值， 并对主动防侧翻技术进行了深入研究【9 1 。 ( 2 ) 侧倾稳定性试验装置及试验方法方面 由于质心高度是影响车辆侧倾稳定性的重要因素，因此国外对质心位置和高度的测 定方法也做了大量研究。目前，美国、欧洲、日本等主要采用以下四种方法： 第一种是美国n h t s a 所采用的方法：即采用u 型平台，并将其安装在一悬臂支架的 枢轴上，测试时，汽车置于平台上，通过平台摇动测出车辆的质心位置和高度。这种方 法实际上是利用惯性原理的一种测试方法； 第二种是美 c h r y s l e r 公司采用的方法：它是采用将汽车前轮抬高，使后轮重量变化 来测量质心位置和高度的重量反应法： 第三种是美国g m 公司采用的方法：即汽车侧倾的重量反应法( 欧洲与日本也推荐采 用此方法) ； 第四种是美国f o r d 公司采用的方法：其具体做法是将汽车置于平台上摇摆，根据单 自由度弱阻尼微振原理计算出质心高度( 亦称摇摆法) 1 1 0 l 。 3 第一章绪论 目前，在侧倾稳定角和稳定性评价参数的测定方法中，国际上公认较好的方法有【1 1 1 ： 静态稳定因子 法s s f ( s t a t i cs t a b i l i t yf a c t o r ) 该方法假定车辆是一个刚体，静态稳定因子正好是车辆处于即将发生侧翻的临界状 态时的横向加速度。其评价参数以下式表示： s s f ：三( 1 1 ) 2 h g 式中：t _ 前后轮距的平均值： h 卜车辆质心高度。 由上式可见，静态稳定因子中没有包含任何动态参数，如柔度、阻尼、惯性等，它 仅仅是一个静态侧倾稳定性的衡量参数，只能对车辆即将发生侧倾的横向临界加速度作 一个初步的估算。因为车辆的悬架、轮胎都有一定的柔度，远非刚体，在车辆转向时， 簧载质量会有相对于轮胎与地面接触点的相对运动，整个车辆的质心高度也随之变化。 因此，s s p ；去与实际车辆运行情况相差较大，并且还依赖于质心高度的测量。 侧拉比例系数法s p r ( s i d ep u t l o gr a t i o ) 它是将一个水平( 横向) 力作用于车辆上，并通过车辆质心，逐渐增大这个力，直到 车辆相对受拉时，一侧轮胎刚刚脱离地面为止。侧拉比例系数作为评价参数表示如下： s p r = 一1 l ( 1 2 ) f g 式中：f _ 一车辆受拉时一侧轮胎脱离地面时的侧拉力； g 车辆质量。 侧拉比例系数近似于车辆发生侧翻时的横向加速度值。与s s v - ) y 法相比，其特点是 在试验条件下，不仅能非常准确地突出车辆发生侧翻时的受力大小，而且也考虑了因悬 架和轮胎的柔性而引起的质心位置变化。但是，s p r 法并不给出车辆发生侧翻时的受力 情况。实际转向时，车辆上的每个部件都受到一个水平( 横向) 力的作用，大小等于其质 量乘以横向加速度，这些力都是体积分布力，其合力通过车辆质心。而采用s p r 方法时， 用一个水平拉力代替这些体积分布力作用于簧载质量上，作用线通过车辆质心，实际情 况中作用于非簧载质量的那部分惯性力也被作用于簧载质量上。因此，通过簧载质量作 用于悬架的力就比实际大，悬架的刚性位移和柔性偏差都会增大，质心的横向位移也大 于实际情况，所以通过侧拉比例系数估算的临界横向加速度要小于实际情况。 侧倾试验台比例系数t r r 仃i l tt a b l er a t i o n ) 4 长安大学硕士学位论文 采用通过可侧倾试验台使车辆侧倾的角度来模拟一个横向加速度，车辆的侧向稳定 性是用较高侧的轮胎与试验台面脱离接触，车辆即将从试验台上翻下时的试验台的侧倾 角来表征，其评价参数为： t t r ；m g s i n ：t a n ( 1 3 ) m gc o s 驴 。 式中：m 车辆质量； 卜重力加速度： 矽车辆较高侧轮胎与台面脱离接触时试验台的侧倾角。 侧倾角的正切值等于车辆质心到轮胎触地点的横向距离与质心高度的比值，这点与 s s f 方法很相似，但它比计算s s f 所用的刚体车辆模型更准确地模拟了以很高的横向加 速度进行安全转向或行驶在侧倾路面上的车辆情况。t t r 试验时不需要测量车辆参数， 测试过程非常简单，可大大减少误差。根据大量的试验表明，目前t r r 法是三者中准确 性最好的【1 2 1 。 1 2 2 国内对车辆侧倾稳定性的研究 随着我国汽车工业的不断发展，汽车安全性日益受到人们关注，国内汽车专业的学 者也展开了车辆侧倾稳定性的研究，但这些研究多集中在车辆侧倾稳定极限计算、提高 车辆抗侧倾能力、车辆侧倾稳定试验装置及试验方法和车辆侧倾稳定性虚拟仿真试验等 方面。 上世纪9 0 年代初期，东风汽车工程研究院陈耀明等人建立了车辆最大侧倾稳定角计 算模型，该模型考虑了车辆侧倾时簧上质心偏移对侧倾力矩的影响，以及不同前后轮距 对侧倾极限的影响，并且提出了等效轮距的计算方法【1 3 】。在此基础上，同济大学肖杰等 人于2 0 0 6 年分析了包括轮胎变形影响时的车辆最大稳态侧倾角计算方法，并分析了侧倾 中心高度、轮胎刚度等影响因素的敏感度【“l 。2 0 0 5 年，长安大学余强等人深入研究了主 动悬架系统改善汽车侧翻稳定性的问题【1 5 l 。 我国在车辆质心位置的测量以及侧倾稳定性试验装置方面的研究大多是探讨国外研 究成果的改良方案。上世纪9 0 年代初，原陕西第二汽车制造厂李少平提出了利用质量反 应法测量车辆质心高度的数据处理方法【1 6 1 。1 9 9 9 年，国家消防装备质量检验中心的万明 等在研究了众多汽车最大侧倾稳定角测量方法的基础上，提出了在装置上不用车轮负荷 计，而直接利用装置上的质量传感器读数和相关的几何参数来测量汽车最大侧倾稳定角 5 第一章绪论 的方法1 1 2 i 。 随着计算机应用科学技术的提高，计算机仿真技术不断应用于车辆操纵稳定性和安 全性等各方面的研究。应用仿真评估、虚拟试验方法估计车辆最大侧倾稳定极限亦成为 国内的一个研究方向。应用计算机仿真技术进行侧倾稳定性分析，首先是建模问题。采 用仿真软件所建立的整车、试验平台等的多体力学模型，不仅能详细描述悬架、车身系 统各部分部件及其连接关系，而且可考虑连接件的柔性及局部零件的柔性，使整车模型 更真实地逼近实车，且使仿真结果、性能分析、指标评价可直接反映到悬架、车身部件 等的设计参数上，并能直接指定甚至参与设计过程中的结构参数优化和改进【1 7 】。而对模 型有效性的分析，主要采用以试验数据应用为基础的验模方法。利用试验数据，考查仿 真结果中的误差是否大到淹没其可用性的程度，从而确定模型的有效性。 1 9 9 9 年，贵州工业大学机械系的何锋等人根据美国密执安大学运输研究院开发的汽 车静态侧倾模型( s r m ) ，用计算机模拟汽车侧倾过程，并对影响汽车侧倾的敏感参数作 了进一步的分析【1 8 l 。2 0 0 5 年，国家客车质量监督检验中心丁良旭等人利用可视化语言 v i s u a lb a s i c ，在w i n d o w sx p 操作环境下编程实现车辆侧倾稳定性仿真评估，并分析了 悬架弹性以及轮胎的二次变形对车辆侧倾稳定性的影响【1 9 】。 本文从虚拟仿真试验的角度出发，在大型虚拟样机仿真软件m s c a d a m s 的v i e w 模 块平台上进行二次开发，设计开发一个专门用于客车侧倾稳定性试验的仿真评估模块。 1 3 本课题的研究目的与意义 1 3 1 本课题研究的目的 ( 1 ) 以a d a m s n i e w 模块为二次开发平台，设计开发一个专门用于客车侧倾稳定 性试验的仿真评估模块，为客车总布置设计提供参考。模块的功能包括： 以一定的数学模型为基础，在输入客车总布置参数的条件下自动完成整车建模； 通过仿真试验分析得出客车的最大侧倾稳定角： 结果后处理，查看仿真结果详细信息。 ( 2 ) 分析客车总布置参数中高度方向尺寸参数对客车最大侧倾稳定角影响的敏感 度。 1 3 2 本课题研究的意义 采用实车试验的方法完成对客车侧倾稳定性的评估，需要花费大量的人力和物力， 6 长安大学硕士学位论文 这对客车生产企业特别是规模较小的企业来说是不小的负担。而且一旦发现客车的最大 侧倾稳定角不能满足相关法规的要求，还要进行返工，修改总布置参数等，延长了客车 新产品开发的设计和制造定型周期。 利用本文所研究设计的模块不仅能快速、方便地完成客车侧倾稳定性评估，而且能 够达到一定的精度，因此可以为客车设计人员选择总布置参数、进行整车设计等提供参 考。利用该模块，设计人员可以实时修改总布置参数，完成预期设计车型不同布置方案 的稳定性仿真评估。这样，不但能节省开发费用、缩短开发周期，而且还能够提高车型 的开发成功率。 1 3 3 本课题研究的主要工作内容 本课题在参考大量国内外文献资料后，以a d a m s n i e w 模块为二次开发平台，设计 开发了一个用于客车侧倾稳定性仿真评估的模块，课题研究的主要工作内容如下： ( 1 ) 查阅大量车辆侧倾稳定性计算分析、试验、虚拟仿真试验等方面的研究文献， 全面了解国内外的研究现状； ( 2 ) 研究分析了基于a d a m s n i e w 模块平台的二次开发问题，掌握了启动程序的 编制、用户化界面的编制、宏命令的应用、模型命令文件的应用，以及用户自定义子程 序的编制和应用； ( 3 ) 参考国内外文献，建立客车侧倾稳定性计算的整车数学模型及简化数学模型； ( 4 ) 研究客车各总成的质量大小和质心位置的计算公式及依据； ( 5 ) 确定模块在完成建模前所需要输入的总布置参数； ( 6 ) 构建客车侧倾稳定性试验仿真模块结构，完成界面程序、宏命令和模型文件等 程序的编制； ( 7 ) 以某一具体车型为例，通过试验结果与仿真结果的对比，验证模块仿真结果的 可信度； ( 8 ) 分析总布置高度方向参数对客车最大侧倾稳定角影响的敏感度。 7 第二章a d a m s 软件基础及v i e w 模块二次开发介绍 第二章a d a m s 软件基础及v i e w 模块二次开发 2 1 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的一门新技术，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。 虚拟样机技术在设计的初级阶段概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分 析，使设计者能够观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚 拟环境中真实地模拟系统的运动，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。 虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比具有以下优点：在设计早期确定关键的设计 参数、更新产品开发过程、缩短开发周期、降低设计制造成本、提高产品质量。 2 2a 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 so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是由美国m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c 公司研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，也是世界 上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂 机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方 案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数，提高 了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。该软件上世纪9 0 年代开始在我国 的机械制造、汽车、交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领 域中的产品设计和科学研究作出了贡献。 2 3a d a m s 软件的理论基础 2 3 1a d m a s 多刚体系统的组成 a d m a s 将多刚体系统分成4 个组成部分：部件( p a r t ) 、约束( c o n s t r a i n t ) 、力( f o r c e ) 8 长安大学硕士学位论文 和自定义的代数缀分方程( u s e rd e f i n e da l g e b r a i ca n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n ) ，其分别 定义如下。 ( 1 ) 部件 部件是指任何刚体或集总( 中) 质量或柔性体( 不包括梁和衬套) 等。 ( 2 ) 约束 约束在系统中对一个或多个部件的运动作出限制。a d m a s 为每个约束列出一个或 多个代数约束方程( 方程的数目与其限制的自由度数目相同) 。 ( 3 ) 作用力 作用力包括两类：体积力，包括重力、电磁力等；接触力，包括体积力以外的各种 外力。 ( 4 ) 自定义的代数糍分方程 对于一些特殊要求，a d m a s 允许用户直接加入所需的代数微分方程。 2 3 2a d m a s 多刚体的坐标系统 a d m a s 中定义了三种坐标系统。 ( 1 ) 地面坐标系( g r o u n dc o o r d i n a t es y s t e m ) 固定于地面( g r o u n dp a r t ) ，即系统的绝对坐标系。a d m a s 中所有刚体( 部件) 都 相对于地面坐标确定其位置和方向。 ( 2 ) 局部参考坐标系( 1 0 c a lp a r tr e f e r e n c ef r a m e ，i j p r f ) 每个部件有一个局部参考坐标系l p r f ，其位置和方位相对于地面坐标系定义，随部 件一起运动。 ( 3 ) 标记系统( m a r k e r ) 是各部件拥有的各自内部的坐标系统，分两类：固定标记( f i x e dm a r k e r ) 和浮动标 记( f l o a t i n gm a r k e r ) 。前者固结于部件上，并与部件一起运动，其位置和方向是相对 于l p r f 定义的，不随时间变化，可用于定义部件的图形边界、质心、作用力和约束； 一些力和约束在a d m a s 中由浮动标记来确定其作用力，力和约束自动标明标记的位置 和方向。 2 3 3 a d m a s 多刚体的自由度 a d m a s 中自由度( d o f ) 的计算公式为 d o f = 6 ( n - 1 ) 一 ( 2 1 ) q 第二章a d a m s 软件基础及v i e w 模块二次开发介绍 式中： 咒一系统的部件数目( 包括地面) ； ? t i 一系统内各约束所限制的自由度数目。 a d m a s 系统中包括一般约束库和基础约束库。其中一般约束库包括了机械系统常 见的约束，基础约束库则是一些抽象的约束。一般约束所限制自由度如表2 1 所示。 表2 1 一般运动副所限制自由度 。黝 0123 平动 、 1 平面副( p l a n a r ) 2 圆柱副( c y l i n d e r ) 平移副( t r a n s l a t i o n a l ) 球铰副万向副( u n i v e r s a l ) 3 旋转副( r e v o l u t e )固定副( f i x e d ) ( s p h e r i c a l )恒速副( c o n v e l ) 2 3 4 a d m a s 多刚体动力学方程 a d m a s 根据机械系统模型，自动建立系统的拉格朗e l 运动方程，对每个刚体，列 出6 个广义坐标带乘子的拉格朗日方程及相应的约束方程。 石dc 司o k 嵩+ ；| ；挚2 c 旺2 ) l f ，f = 0( f = 0 ，1 ，2 ，n ) ( 2 3 ) 式中：k 动能； 口，描述系统的广义坐标； 识系统的约束方程； e 在广义坐标方向的广义力； a 肌1 的拉格朗e t 乘子阵列。 式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可写成如下形式 计。 他4 ) 式中，0 为零矩阵；f = f ( q ，口，q ，a ，t ) ；妒= f ( 1 ，口，t ) 。 将动能定义为 1 0 长安大学硕士学位论文 k ；三，：r m ，：+ 三五r 缸 胍+ 妒三a = q ( 2 5 ) 式中，戈= 伐，x 2 ，艺 r ；妒，= 眇川妒彬l f ，。】。 m ，q 分别为系统的6 x 6 广义质量对角矩阵和6 x l 广义列阵。 q - - a r l , q ”：，q r 】r ( 2 7 ) 有拉格朗日方程均写成一阶微分方程形式，并引入“：o q ，得 o t 匿一“ 2 。 c 2 8 ， 式中，f = f ( u ，u ，留，a ，t ) 。 孤a ( a _ 矿k g ) 善+ 骞争母。( j = 坛 6 ) ( 2 - 9 ) q ；o ，y ，z ，妒，口，驴) r 6 个一阶运动学方程( 将位置与速度相联系) ： 孟一圪 夕一巧 之一k k 圪 此外还有约束代数方程、外力定义方程和自定义的代数微分方程，即： ( 2 1 0 ) 第二章a d a m s 软件基础及v i e w 模块二次开发介绍 系统约束方程： 系统外力方程： 自定义代数锨分方程： 其中，q 为笛卡儿广义坐标； 令y = k ，“r 为状态向量， 驴国，q ，t ) 一0 f ，u ，q ，f ，f ) = 0 d i f f 沁，u ，q ，f ，t 、= 0 ( 2 1 1 ) u 为广义坐标的微分；厂则由外力和约束组成；t 为时间。 则系统方程可写为 o ( y ，夕，f ) 一0 ( 2 1 2 ) 2 3 5a d m a s 数值计算的数据流程 运动学、静力学分析需求解一系列的非线性代数方程，a d m a s 采用了修正的 n e w t o n r a p h s o n 迭代算法实现了迅速准确的求解。 对动力学微分方程，根据机械系统特性，可选择不同的积分算法：对刚性系统，采 用变数的b d f ( b a c k w a r d sd i f f e r e n t i a t i o nf o r m u l a t i o n ) 刚性积分程序，它是自动变阶、 变步长的预估校正法( p e c e ，p r e d i c t e v a l u a t e c o r r e c t e v a l u a t e ) ，在积分的每一步采用 了修正的n e w t o n - r a p h s o n 迭代算法；对高频系统( h i g h f r e q u e n c i e s ) ，采用坐标分配法 ( c o o r d i n a t e - p a r t i t i o n e de q u a t i o n ) 和a d m a s - b a s h f o r t h - a d a m s - m o u l t o n 方法。 与之相对应，a d m a s s o l v e r 包括了3 个功能强大的求解器： o d e 求解器( 求解微分方程) ，采用刚性积分法； - 非线性求解器( 求解代数方程) ，采用tn e w t o n r a p h s o n 迭代算法； 线性求解器( 求解线性方程) ，采用稀疏矩阵技术以提高效率。 其求解过程的数据流程如图2 1 所示。 2 n e w t o n - r a p h a o a 迭代 图2 1a d a m s 求解过程的数据流程图 1 2 3 高斯 消元 篆 竺 长安大学硕士学位论文 2 3 6a d m a s 的积分算法 a d m a s s o l v e r 有4 个强大数值积分程序，其中3 个为变阶、变步长的刚性积分程序 ( g s t i f f ，d s t i f f h e h e 和w s t i f f ) ，使用的是变系数的b d f ( b a c k w a r dd i f f e r e n t i a t i o n f o r m u l a t i o n ) 方法，是自动变阶、变步长的预估校正法( p e c e ，p r e d i c t e v a l u a t e c o r r e c t e v a l u a t e ) 。第四个为非刚性积分程序，采用了a d m a s b a s h f o r t h a d a m s m o u l t o n 算法， 对于常用的3 个b d f 积分程序，其预估校正求解过程分3 个阶段实现。 ( 1 ) 预估阶段 根据泰勒展开式，预估在乙一1 时刻y 及其一阶导数夕的值t a y l o r 展开式为 = 儿+ h l + 等驴一+ 等， ( 2 1 3 ) 式中，h - - t , + 。一f 为积分步长。对g e a rs t i f ! f 积分程序的格式为 y 州。酗只- - i + 1 - - h p o l q 1 4 式中，磊、a ；为g e a r 积分数。对( 2 1 4 ) 式变换可得 续。 立。 虫，瓦1 【k r ( 2 1 5 ) ( 2 ) 校正阶段 1 ) 求解系统方程g ，如g ( y ，夕，t ) 一0 ，则方程成立，此时的y 为方程的解，否则继 2 ) 求解n e w t o n r a p h s o n 线性方程，得到缈，以更新y ，使系统方程g 更接近于成 其中，为系统的雅可比矩阵。 ，匈= 6 ( y ，夕，乙+ ，) 3 ) 利j l j n e w t o n r a p h s o n 迭代，更新y ： y “1 一y + 缈 4 ) 重复步骤2 - 4 直到缈足够小。 ( 3 ) 误差控制阶段 1 3 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 第二章a d a m s 软件基础及v i e w 模块二次开发介绍 1 ) 预估计积分误差并与误差精度比较，如积分误差过大则舍弃此步。 2 ) 计算优化的步长h 和阶数，l 。 如果达到结束时间，则停止仿真，否则t = t + f ，进入步骤1 。其积分程序逻辑图如 图2 2 所示，图中y 表示解向型捌。 图2 2 积分算法流程图 2 4a d a m s v i e w 模块二次开发介绍 a d a m s 具有很强的二次开发功能，包括a d a m s v i e w 界面的用户化设计，其开放 性的程序结构可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 利用c m d 语言实现自动建模和仿真控制，通过编制用户子程序不仅可以满足用户的某些 特定需求，甚至可以拓展a d a m s 的功能。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 4 1 用户界面开发 a d a m s v i e w 下的界面包括窗口、菜单和对话框，这些界面对象都是a d a m s v i e w 的模型数据，以层次结构形式存储在模型数据库中，用户可以通过a d a m s v i e w 命令或 菜单、对话框工具来确定用户特殊应用的a d a m s v i e w 界面。如去掉不用菜单，增加常 用菜单，增加用户自定义的菜单与对话框来执行自定义命令等。所有默认的界面对象都 存储在g u i 图形数据库中，a d 蝴s m e w 用户界面对象的层次关系如图2 3 所示。用户可 以创建一个自定义的数据库用来存放用户定制的所有界面对象，与默认的g u i 数据库并 列存储，这样可使结果显得清晰有条理【2 1 1 。 图2 3 a d 棚s ，ie w 用户界面对象的层次关系图 2 4 2 宏命令的创建与应用 a d a m s v i e w 宏命令是由一系列a d 舢订s 命令语言和一定语法规则组合而成的，用 于实现用户对模型、界面对象的特定操作，包括带参数与不带参数两种。宏命令可以通 过以下三种方式创建【2 2 】。 ( 1 ) 以记录方式创建宏命令； ( 2 ) 使用宏编辑器来编辑和创建宏命令； ( 3 ) 直接用记事本编写c m d 文件，再通过导入文件来创建宏命令。 不论通过哪种方式创建宏命令，最终都需要以c m d 文件来保存。以下为一段带参数 的创建标记点m a r k e r 的宏命令： 第= 章a d a m s 戟件基础v j e w 模蜓扶”& 舟绍 ! $ n u m ：t = r e a l ：d = o f o r v a r i a b l e _ n a m e = t e r ns t a r t _ v a l u e = 1e n d _ v a l u c = $ n u m m a r k e rc r e a t em a r k e rn a m e = f e v a lc m a r ”t r t o i ( t c m ) ) ) i o c a t i o n = ( c v a l ( ( t c m 1 0 ) 1 0 ) 1 ，0 ，0 e n d 老命