基于ADAMSCar的汽车悬架系统_动力学建模与仿真分析毕业设计.docx

毕业设计（论文） 题 目： 基于ADAMS/Car的汽车悬架系统动力学建模与仿真分析毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本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和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日*大学毕业设计（论文）任务书姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期： 毕业设计（论文）题目： 基于ADAMS/Car汽车悬架系统动力学建模与仿真分析立题的目的和意义：汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。ADAMSCAR是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机。学生通过学习研究，可以 在以下几个方面得到锻炼：1）对所学相关专业课程知识进行复习总结；2）能了解悬架建模方法，掌握ADAMS/Car软件使用；3）通过系统的毕业设计训练，可以使学生将本科期间所学知识进行系统化；4）对计算机应用技术有所提高。技术要求与主要内容：技术要求：1）查询与本毕业设计相关的资料；2）对查询到的资料进行整理，分析；3）严格按照哈尔滨工业大学本科生毕业论文撰写规范撰写毕业论文。主要内容：1）研究悬架系统动力学分析与仿真的目的和意义；2）针对某种悬架进行动力学建模与仿真；3）对建立的模型进行优化分析。进度安排：第四周 送交老师审阅开题报告，并进行修改完善。第五周 收集查阅资料，设计研究的具体步骤；第六周 初步列出提纲，并送交老师审阅，听取老师的指导；第七十周 整理资料，开始论文的研究内容；第十一周 初步写出论文初稿，并按要求规范修改完善论文；第十二周 送交指导老师初审，并按要求修改；第十三周以后 听从老师学校的安排。同组设计者及分工： 自己独立完成指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_ 年 月 日 摘 要 20世纪80年代以来，国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求越来越高。汽车悬架系统是影响车辆动态特性最为关键的子系统之一。对汽车悬架系统的设计及悬架系统对整车性能的影响的研究具有重要意义。本文利用ADAMS建立汽车悬架虚拟样机模型，对悬架运动学特性进行了仿真分析，并研究了悬架系统参数对悬架的影响。为汽车悬架系统及整车系统开发设计提供了一种现代化手段和方法。研究内容主要包括；运用多体动力学理论和软件，对悬架系统进行了刚性条件和弹性条件下的虚拟样机仿真，分析研究悬架系统各个参数的影响。主要分析了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角对车辆行驶过程中对操纵稳定性、轮胎的磨损等的作用以及车轮各定位角。并逐步分析和评价了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角的参数变化范围。最后输出两次仿真的叠加图进行比较与评价，得出不同约束对悬架系统的影响。基于整车行驶平顺性，从理论上分析悬架系统车轮定位参数对整个悬架系统的影响。关键词：ADAMS ；动力学；仿真；悬架系统AbstractSince 1980s, the competition of national and international automobile markets has become drastic unprecedented, and users demand for safety，handling stability and ride comfort is becoming stronger and stronger. Automobile suspension system is one of the most pivotal subsystem that affecting vehicles dynamic performances. The research has great significance to the design of automobile suspension system and the study of suspension system on the performance of vehicle.This paper established vehicle virtual prototyping suspension by ADAMS，processed simulation analyses and framework optimal analyses，based on which the paper constructed suspension virtual prototyping dynamic model. Automotive suspension systems and vehicle system development and design provide a modern means and methods. The study includes; the use of multi-body dynamics theory and software, on the suspension system of rigid and flexible under conditions of virtual prototype simulation, analysis of various parameters of suspension system. Mainly analyzes the wheel camber and toe angle, kingpin angle, caster angle of the vehicles during the course of handling and stability, tire wear, and the role of orientation angle of each wheel. Then gradually analysis and evaluation of the wheel camber and toe angle, kingpin angle, caster angle range of parameters. Superposition of the final output of the two simulation comparison and evaluation plan, to have different constraints on the suspension system. Based on the vehicle ride comfort performances，analyzes the relationship between suspension system and the wheel alignment parameters of the suspension system. Key words: ADAMS, dynamics, simulation, suspension system目录摘 要IIIABSTRACTIII目录III第1章 绪 论31.1课题来源及研究的目的和意义31.2 国内外在该方向的研究现状及分析31.2.1 国外研究现状31.2.2 国内研究现状31.2.3 国内外研究现状分析31.3主要研究内容3第2章 悬架系统动力学仿真理论32.1 悬架系统仿真概述32.2悬架仿真软件概述32.3多体系统动力学理论基础32.4多体系统动力学建模与求解过程32.5本章小结3第3章 基于ADAMS/CAR悬架系统建模33.1 ADAMS/Car软件概述33.2ADAMS/CAR建模仿真基础33.2.1ADAMS/CAR基础理论33.2.2 ADAMS/Car建模基本步骤和方法33.3基于ADAMS/CAR汽车悬架系统建模33.3.1麦弗逊式前独立悬架建模实例33.3.2虚拟样机模型的建立33.3.3悬架模型自由度分析33.4本章小结3第4章 基于ADAMS/CAR的动力学仿真分析34.1 麦弗逊前悬架系统仿真分析34.2 车轮同向激振仿真34.3车轮弹塑性运动仿真34.4仿真分析比较34.5本章小结3结 论3参考文献3致 谢3IV第1章 绪 论1.1课题来源及研究的目的和意义 汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。ADAMS/Car是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机1。利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激振。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要几星期、甚至几个月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的2。 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1 国外研究现状国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的发展过程。早在80年代初，就有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。80年代中期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。国外各主要汽车厂家和研究机构在其系统中安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。目前市场上占有率最高的是美国MDI公司开发的ADAMS，其在汽车行业中的使用率为43%，该软件在为客户提供通用平台时，还专门提供了用于车辆分析的专门模块（ADAMS/Car），使用起来非常方便3。1.2.2 国内研究现状国内汽车动力学的研究分析和计算的工作起步较晚。七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究。研究工作集中在平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。首次分析了汽车悬置以上结构弹性体的一阶扭转振动对摆振性能的影响。1989年，吉林工业大学的林逸利用R-W方法，建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序4。1991年，第二汽车制造厂的上宫文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。1992年，清华大学的张海岑采用多刚体动力学中的牛顿欧拉方法，建立了汽车列车七十四个自由度的非线形数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性5。1997年，清华大学的张今越采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统分析软件ADAMS，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素（橡胶减振元件）对动力学性能的影响。武汉理工大学的鲍卫宁利用 ADAMS/View软件，建立了麦弗逊式悬架的某轿车前悬架的多体动力学模型，并对车轮跳动和转向时，悬架的各种参数的变化进行分析6。 合肥工业大学的王其东博士，进行了不同形式的动力学方程所描述的多体系统响应的灵敏度分析，推导了相应的公式，建立了汽车主要总成的多体动力学模型，并整合整车的多体模型，建立了道路输入模型，进行整车的动力学仿真。提出了基于动力学仿真的汽车悬架CAD的思路，针对具体车型，进行了钢板弹簧的结构改进设计，将改进后的钢板弹簧装车进行了平顺性和操纵稳定性试验。并将遗传算法的神经网络自适应模糊控制策略应用到汽车半主动悬架的控制中。上海交通大学的赵亦希、黄宏成、刘奋以S型轿车前悬架系统为实例，利用ADAMS/Car模块，进行双轮反向激振动力学仿真，仿真结果是各种侧倾特性参数，对照轿车标准系数，对S型轿车侧倾的情况有一个全面了解，为设计和优化悬架系统提供了实用高效的方法7。 江苏大学的汤靖、高翔、陆丹以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS/Car专业模块建立某皮卡车麦弗逊式前悬架多体系统模型，并采用ADAMS/Insight模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题。合肥工业大学的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ADAMS建立了包括车身、前后悬架、转向系统、轮胎、人与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。实现了悬架偏频的仿真测量和不同等级路面、不同车速下随机路面输入的平顺性仿真。吉林大学的乐升彬以某车的前双横臂独立悬架为研究对象，采用该车的实际结构参数，运用ADAMS/Car软件建立了该车的前悬架子系统、转向系子系统组成的悬架系统模型，应用该模型对该车前独立悬架模型进行了运动学、动力学仿真分析，得出了其车轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角等前轮定位参数、悬架刚度、侧倾刚度、侧倾中心等参数在前轮左右轮心上下跳动时的变化规律。并且利用前人的经验对这些特性曲线进行分析，发现原悬架存在不合理的地方，并针对存在的问题提出相应的解决方案8。1.2.3 国内外研究现状分析ADAMS软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。基于ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互联结、彼此能够相对运动的多体运动系统，其运动学及动力学仿真比以往通常用几个自由度的质量阻尼刚体（振动）数学模型计算描述更加真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学影响，也比图解法更为直接。在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，周期长。运用虚拟样机技术，可以大大简化悬架系统设计开发过程，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，提高产品的系统及性能，获得最优和创新的设计产品。1.3主要研究内容本课题的主要任务是基于ADAMS/Car模块悬架的建模，然后进行悬架的优化和运动学仿真分析，最后输出仿真分析的结果。（1）关于汽车悬架动力学仿真的基本概述；（2）基于ADAMS/Car模块进行悬架的建模；（3）具体的动力学分析和仿真；（4）输出优化后的仿真结果。第2章 悬架系统动力学仿真理论2.1 悬架系统仿真概述汽车悬架的设计是一个十分复杂的系统工程，它涉及到运动学、动力学、振动等许多方面的知识，需要综合考虑车辆的操纵稳定性、舒适性等多方面的要求，同时还要满足车辆空间布置的要求。这就对悬架设计人员提出了很高的要求。而在一个车型的设计过程中，人们往往只关注看得到的部分，例如汽车的车身和内饰等，而对看不见的悬架投入的精力就比较少。这又要求悬架设计人员在尽可能短的时间内，以尽可能少的花费设计出好的悬架。另外为了使系统开发出来的悬架系统解决方案能够在实现快速开发的前提下具有较高的水准，有必要借鉴现有的成功车型的经验。在借鉴成功经验的基础上，针对具体车型初步给出系统解决方案，然后对之加以分析、改进和优化，检验其是否能够达到设计所追求的指标，最后经过反复修改得到最佳方案，从而达到根据设计要求向用户提出设计参考和建议的目的9。2.2悬架仿真软件概述国际各大汽车公司都着力开发了具有自身特色的悬架快速开发系统。目前国内外工程仿真软件层出不穷，但各仿真软件都有其各自应用的范围，应用的仿真软件主要有：（1） PAMCRASCH软件 PAMCRASCH软件是法国ESI公司的碰撞模拟有限元仿真分析软件的程序包。它提供了强大的有限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前以被各大汽车制造商广泛采用作为碰撞模型有限元仿真的专用平台。（2） DADS软件 比利时LMS的DADS支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。在分析方面，提供了装配分析、运动学分析、正向动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6种分析功能。（3） MATLAB软件 MATLAB由美国MATHWORKS开发，MATLAB是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。（4） EASYS软件 EASYS是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟和设计具有微分和代数方程特征的动态系统。波音公司在七十年代初期首先发展了这种软件，但只作为一个内部软件。八十年代商品化以来，EASYS首先渗透到航空市场，现在己应用于汽车和其它多个工业领域。（5） ADAMS软件 ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开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。在当今动力学分析软件市场上ADAMS独占鳌头，拥有70%的市场份额，ADAMS拥有Windows版和Unix两个版本，目前最高版本为ADAMS2007。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等10。ADAMS软件用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。通过上述对比分析可知，ADAMS软件在建模与仿真分析等很多其他方面都强大的优势。2.3多体系统动力学理论基础多体系统动力学，包括多刚体系统和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的学科。这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成。多体系统动力学是在经典力学与计算机相结合的基础上发展起来的，在发展过程中，结合了运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等学科，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学的问题。多刚体系统动力学的主要研究方法有：（1）牛顿欧拉方程法：对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时，铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，故即使直接采用牛顿欧拉方法，也必须加以发展，制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动消除铰的约束能力。德国学者Schiehlen在这方面做了大量工作。其特点是在列写出系统的牛顿欧拉方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，对完整约束系统用Alembert原理消除约束反力，对非完整约束系统用Jourdain原理消除约束反力，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程，希林等人编制了符号推导的计算机程序NEWEUL。（2）拉格朗日法：由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉格朗日坐标非常困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标则比较方便，对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉格朗日方程处理是十分规格化的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。1973年，美国Michigan大学等人应用吉尔的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了ADAMS程序；1977年，Edward Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了DADS程序。由此后来逐步形成了两大著名多体动力学仿真软件机械系统动力学仿真软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）和动力学分析和设计系统软件。（3）图论（R-W）方法：R.E.Roberson和J.wittenburg创造性的将图论引人多刚体系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成功地描述了系统内各刚体之间的联系状况，即系统的结构。RW方法以十分优美的风格处理了树结构的多刚体系统。对于非树系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。R-W方法以相邻刚体之间的相对位移作广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，并据此推导了系统的运动微分方程，相应的程序有MESAVERDE 。（4）凯恩方法：R-W方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式,而凯恩方法提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，广义速度的选择也需要一定的经验和技巧，这是它的缺点，但这种方法不用动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算，节省时间。（5）变分方法是经典力学的重要部分。如果说在经典力学中，变分原理只是对力学现象的抽象概括，则在计算技术飞速发展的今天，变分方法己成为可以不必建动力学方程而直接借助数值计算寻求运动规律的有效方法。变分方法主要用于工业机器人动力学，它有利于结合控制系统的优化进行综合分析。由于变分方法不受铰的约束数目的影响，因此尤其适用于带多个闭环的复杂系统。Gauss最小约束原理是变分方法的基本原理，利用优化理论求泛函的极值直接得到系统的运动状况。这种方法的优点是可以避免求解微分方程组，并可以与最优控制理论结合起来11。多刚体系统动力学理论有很多优点：（1）适用对象广泛。由于多刚体系统动力学由计算机按程式化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种连接方式的系统进行计算，因此其通用性非常强，同一程式可对各类复杂系统进行分析。（2）可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合系统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大方便，能够使计算结果更符合实际。（3）模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程，模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂直方向、前后水平方向及横向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影响综合起来研究。柔体系统不同于多刚体系统，它包含有柔性部分，其变形不可忽略，其逆运动学是不确定的。它与结构力学不同，部件在自身变形运动同时，空间中经历着较大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈结合;与一般系统不同，它是一个高度结合、高度非线性的复杂系统12。2.4多体系统动力学建模与求解过程一个机械系统，从初始的几何模型，到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果。计算多体系统动力学分析的整个流程，主要包括建模和求解两个阶段。建模分为物理建模和数学建模，物理建模是指由几何模型建立物理模型，数学建模是指从物理模型生成数学模型。几何模型可以由动力学分析系统几何造型模块所构造，或者从通用几何造型软件导入。对几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力或外力矩等物理模型要素，形成表达系统力学特性的物理模型。物理建模过程中，有时候需要根据运动学约束和初始位置条件对几何模型进行装配。由物理模型，采用笛卡尔坐标或拉格朗日坐标建模方法，应用自动建模技术，组装系统运动方程中的各系数矩阵，得到系统数学模型。对系统数学模型，根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解，得到所需的分析结果。联系设计目标，对求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模过程，或者几何模型的选择，如此反反复复，直到得到最优的设计结果。2.5本章小结本章将论文研究所涉及到的理论做了较系统的阐述。根据论文需要重点介绍了悬架系统动力学仿真软件的种类和各仿真软件的主要优势，针对本论文采用的ADAMS软件进行了详细的讲解，阐述了其发展历程、主要功能和主要优势特点。另外对悬架系统涉及的多刚体系统动力学理论进行了简要的概述，介绍了多体系统动力学的一般研究方法，包括：牛顿欧拉方程法、拉格朗日法、图论方法、凯恩方法变分方法等，以及各种方法的优劣势。最后简扼介绍了多体动力学建模与求解的一般过程。第3章 基于ADAMS/Car悬架系统建模3.1 ADAMS/Car软件概述 ADAMS即机械系统动力学自动分析，该软件是美国MDI公司开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机电一体化在内的、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目的。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，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。ADAMS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显示能力，这使得许多著名大公司都采用它来完成产品辅助设计、研究开发、质量鉴定等重要工作。国外一些著名大学也都开始了介绍ADAMS软件的课程，而将三维CAD软件，有限元分析软件和虚拟样机软件作为机械类专业学生所必须了解的工具软件。由此可见，ADAMS软件具有强大的功能和影响力13。其概括起来主要有以下特点.（1）在多个通用求解器的基础上，提供丰富的样本库、专用模块。特别是为汽车研发专用人员提供的专用模块，例如:ADAMS/Car提供汽车动力学分析模块，ADAMS/Aril提供人体模型，ADAMS/TIRE提供多种轮胎模型，ADAMS/ Vehicle提供悬架模型，ADAMS/Engine提供发动机模块，ADAMS/ Adraulic提供液压传动系统建模模块，ADAMS/chassis提供底盘模块等，极大地方便了汽车设计阶段的建模与汽车动态仿真分析工作。（2）开放的软件环境为研发人员集成CAD/CAMCAE软件、开发用户专用模块提供了方便。实现了CAD/ CAE/CACE设计的一体化。（3）根据工程实际应用，提供功能齐全的工程分析和优化设计功能。基于ADAMS/CAR的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究（4）提供了实体动画显示功能与运动干涉检查。3.2ADAMS/Car建模仿真基础3.2.1ADAMS/Car基础理论ADAMS/Car是MDI公司与Audi，BMW， Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计，开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动机构、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下（例如：天气、道路状况、驾驶员经验）整车的动力学响应，并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，而仿真时间只是物理试验样机的几分之一14。建立仿真模型是将汽车系统作一定程度的简化，使之以数学模型的形式来体现。对模型作适当的简化，也有利于提高计算速度和抓住问题的本质。本章利用ADAMS/Car建立前悬架系统模型，并最终进行仿真分析。在建立多体模型时，坐标系的选择对所建模型的复杂程度及方程求解的难易程度起到很大的作用。本文在建模时采用ISO坐标制。以整车前悬架总成的参考系为坐标，即坐标原点为前轮轮心连线的中点，X轴指向汽车行驶的正前方，Y轴指向汽车的左侧，Z轴垂直指向上方15。3.2.2 ADAMS/Car建模基本步骤和方法在ADAMS/Car下用户有两种工作模式：专家（expert）和标准用户（standard user）。专家用户可以创建和修改模板，即可以使用创建模板的工具 （Template builder）。标准用户只能基于现有模板进行建模型和仿真国。在ADAMS/Car里模型由3级组成：模板（Template）、子系统（Subsystem）和总成 （Assembly），他们之间的关系如图3-1。前悬架模板子系统文件子系统文件装 配试验台l 悬架系统l 整车l 自定义属性文件属性文件属性文件转向系统模板图3-1模板、子系统、属性文件、试验台之间的关系（1）模板 ADAMS/Car的一个主要特点就是基于模板。模板定义了车辆模型的拓扑结构。例如，对于前悬架模板，它定义了前悬架包含的刚体数目、刚体之间的连接方式（球铰还是转动铰或其他）以及与其他总成交换信息的方式。前两者没有区别，而最后一部分则是基于模板的产品特有的。例如，前悬架总成在装配到整车模型时，需要和转向系以及车身相连接，这些交换的信息可以保证它们被正确的装配到一起。（2）子系统子系统是基于模板创建的，也可以认为它是特殊的模板，即对模板的某些特性做了调整。例如，对于悬架可以是硬点的位置以及弹簧和阻尼的特性文件。（3）总成 一系列的子系统加上一个试验台 （Testing）就构成了整车或者悬架总成。Testing的作用是给模型施加激励。ADAMS/Car里主参考系是OXYZ，原点位于两前轮轮心连线的中点，X轴正方向与汽车行驶方向相反，Y轴正方向指向汽车右侧，Z轴正方向垂直向上，遵守右手法则。ADAMS/Car建模的原理相对比较简单，模型原理与实际的汽车系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块己预先对建模过程进行了处理，设计人员只需要建立左边或右边的l/2模型，系统将会根据对称性自动生成另一半，当然也可以建立非对称模型。在建立分析总成模型的过程中，ADAMS/Car的建模顺序自下而上。首先建立模板文件，然后有模板文件生成子系统文件，最后将子系统与测试台）装配在一起形成总成（Assembly）分析系统模型。模板是用来定义各部件之间的拓扑连接关系的，它的建立是整个建模过程中最重要的环节，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的。模板建立好以后，接下来是生成子系统。在子系统里，用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改。最后是总成模型的组建。悬架模板的建模步骤如下：（1）创建硬点和方向点。硬点和方向点是模型的基本单元。创建硬点只需要输入相应的位置坐标，而创建方向点除了输入相应的位置坐标外，还得输入相应的方位坐标。（2）创建部件。利用已经创建好的硬点和方向点建立部件（part），在创建部件之后，可以给新的部件添加几何。（3）创建部件之间的连接。即在部件之间添加约束、弹簧、阻尼和力元（如力和力矩）等。（4）创建悬架特性参数。即定义主销轴线和输入车轮前束角与车轮外倾角。ADAMS/Car中有两种计算主销轴线的方法，分别是几何方法和瞬时轴线法，当转向主销的上下端点可以确定时，选用几何方法比较简单。（5）建立悬架模板与其它模板或测试台之间进行数据交换的输入、输出通讯器，以便各个子系统之间进行正确的连接。通讯器是用来进行数据传递信息的，这些信息包括：拓扑结构、位置、方位和连接、数组和参数。正确建立各个子系统之间的连接关系至关重要，这些连接关系数据在以后的子系统和总成系统阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过程中还可进行调整。零部件可以做成刚体，也可做成柔体。零部件之间可以通过约束副接，也可以通过橡胶衬套、弹簧和阻尼来连接。二者的区别在于约束副是刚性连接的，不允许过约束的运动，它是在运动学分析时采用的；橡胶衬套属于柔性连接，允许部件之间过约束运动，在弹性运动学分析时采用。不考虑弹性橡胶衬套时为运动学分析模型，考虑弹性橡胶衬套时为弹性运动学分析模型。模板建立以后，接下来是由模板生成子系统。在子系统中，用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改，如调整硬点位置、部件质量和转动惯量、弹簧和阻尼及轮胎的属性等。建立仿真分析模型的最后一步是建立分析总成系统。在这一阶段，用户可根据实际需要，将不同的子系统组装在一起形成完整的分析总成模型。如悬架总成可包括悬架子系统、转向子系统、横向或纵向稳定杆子系统和测试台。在进行悬架总成分析之前