车辆工程毕业设计某国产轿车的平顺性仿真及道路试验分析

1、四川理工学院毕业设计（论文）某国产轿车的平顺性仿真及道路试验分析学 生：杨青山学 号：0901103B181专 业：机械设计制造及其自动化班 级：车辆工程 2009.1指导教师：汤爱华四川理工学院机械工程学院二O一三年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 某国产轿车的平顺性仿真及道路试验分析 学院： 机械工程学院 专业： 机自 班级：车辆09级1班学号： 0901103B181 学生： 杨青山 指导教师： 汤爱华 接受任务时间 2013年2月28日 教研室主任（签名）院长（签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 利用ADAMS建立前后悬架、轮胎等各子系统、构

2、建整车模型，进行平顺性仿真。1. 利用ADAMS/Car建立起某轻型乘用车前后悬架等各子系统。2. 构建整车虚拟样机模型，进行模型可行性的验证。3. 进行随机路面平顺性的仿真。4. 设计平顺性道路试验大纲，进行实车道路试验。5. 进行试验结果与仿真结果对比，以验证所建立模型的准确性。6. 绘图及撰写毕业论文。2指定查阅的主要参考文献及说明1余志生主编.汽车理论（第三版）北京：机械工业出版社，2004.2 王望予主编.汽车设计M.机械工业出版社,2004,8. 3汽车工程手册编辑委员会北京：人民交通出版社，2001.4 范成建，熊光明，周明飞编著.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高. 北京

3、：机械工业出版社，2006.5 陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.北京：清华大学出版社，2005.6 李军，刑俊文，覃文洁.ADAMS实例教程.北京:北京理工大学出版社，2002.7 石博强，申焱华，宁晓斌，等. ADAMS基础与工程范例教程.北京：中国铁道出版社，2007.8 黄承修.基于虚拟样机技术的汽车行驶平顺性仿真研究：硕士学位论文.浙江:浙江大学，2006.9 李莉.基于ADAMS/Car的某轿车平顺性仿真分析与改进：硕士学位论文. 吉林:吉林大学，2006.10 沈晓安.汽车行驶平顺性建模及其仿真研究：硕士学位论文.浙江:浙江工业大学，2005.3

4、进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1收集、学习本课题有关资料2月28日3月14日2建立虚拟样机整车模型3月15日4月4日3进行平顺性仿真及道路试验数据处理4月5日5月9日4完成毕业论文编写，提交毕业设计相关资料5月10日5月23日5毕业设计资料审核、整改及答辩5月24日5月30日摘 要 随着人们生活的水平不断提高，对轿车乘坐环境舒适性的需求也越来越高。然而，轿车平顺性又是轿车各项性能中很重要的一项指标，直接影响着轿车的乘坐舒适性，因此，对轿车平顺性的研究具有重要的现实意义。 通过ADAMS软件建立了某国产轿车整车虚拟样机模型，进行模型可行性验证，并在随机路面上进行平顺性仿真。通过实车

5、道路试验获得了在不同工况和车速情况下的试验数据。运用MATLAB软件编制平顺性数据处理程序，并按照GB49/70-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法计算出轿车驾驶员座椅方向上的加权加速度均方根值与加权振级。将道路试验结果与仿真结果进行对比，验证所建立模型的准确性。通过该研究有助于对轿车平顺性进行更加直接、更加科学、更加简便的分析。关键词：平顺性；模型；道路试验；准确性ABSTRACTWith the improvement of living standard, the demand for comfort of automobile becomes higher and higher.

6、However, in many factors, the vehicle ride comfort is an significant indicator which directly affects the experience of driving and riding. So it is necessary to study the vehicle ride comfort. Based on the vehicle virtual prototype model created by the use of ADAMS, this paperverifies the feasibili

7、ty of model and establishes simulations of ride comfort randomly on road surface. According to the data collected in the real road test at different speed and different working conditions, and also according to GB49/70-1996 “VehicleRideComfortRandom Input Running Test Method”, measures the intrinsic

8、aand L by using the comfort assessment routine made by MATLAB software. Then this paper compares the experimental results in road test with the results in simulation, in order to verify the accuracy of the established model. Through the research, this paper contributes to study on analyzing the ride

9、 comfort of automobile in a scientific and intuitive way.Key words: ride comfort; model; road test; accuracy目 录摘 要ABSTRACT第一章 绪 论11.1 本课题的研究现状11.2 本课题的研究意11.3 本课题的研究内容2第二章 汽车平顺性及其评价指标32.1 引言32.2 汽车平顺性评价指标及其评价方法32.2 .1人体对振动的反应42.2.2 平顺性的评价方法52.3 本章小结9第三章 基于ADAMS整车虚拟样机模型建立103.1 引言103.2 ADAMS软件简介103.2.

10、1 ADAMS软件的发展103.2.2 ADAMS软件的基本模块113.2.3 ADAMS建模基础133.3 基于ADAMS/Car建立整车虚拟样机模型223.3.1 建立汽车各子系统模型223.3.2 建立整车动力学模型303.4 本章小结31第四章 整车平顺性仿真324.1 引言324.2 基于ADAMS软件建立随机路面谱324.2.1 路面功率谱函数324.2.2 基于ADAMS软件建立随机路面谱344.3 整车平顺性仿真354.3.1 平顺性仿真354.4 平顺性仿真结果后处理374.5 本章小结39第五章 平顺性道路试验大纲405.1 引言405.2 平顺性道路试验大纲405.2.1

11、 设计平顺性道路试验大纲405.3本章小结43第六章 试验结果与仿真结果对比446.1 引言446.2 MATLAB软件简介446.3 运用MATLAB软件进行试验数据处理456.4 试验结果与仿真结果的对比496.5 本章小结51总 结52参考文献53致谢54附录一 平顺性评价程序55附录二 时域图和频谱图程序57第1章 绪 论随着我国社会的发展与科技技术水平的提高，我们日常生活中汽车已经成为不可缺少的一部分，人们对汽车性能的需求也越来越高，人们对汽车在行驶过程中的乘坐环境舒适性能和操纵性能也越来越重视。汽车厂商为了满足人们对汽车性能的苛刻要求，加大对汽车良好的操纵稳定性与平顺性的研究力度。

12、1.1 本课题的研究现状 汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶的过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因而汽车平顺性主要是根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。影响汽车平顺性的因素有很多方面的，同时，对汽车平顺性的评价也显得十分复杂。然而要定量的描述平顺性能，必须包括物理的，生理的和心理的各个方面的评价1。 当前，通常使用汽车车身振动的固有频率和振动加速度来评价汽车的行驶平顺性。通过试验表明，保持汽车具有良好的行驶平顺性，就需要车身振动的固有频率为人体所习惯的步行时，身体上、下运动的频率。这个频率大概约为6085

13、次/分(1HZ1.6HZ)，振动加速度极限值为0.20.3g。还有就是为了保证所运输货物的完整性，汽车振动其加速度也不宜过大。然而当汽车的加速度达到1g，未经固定的货物就有可能离开车厢底板。所以，加速度的极限值应该低于0.60.7g。1978年国际标准化组织（ISO）通过大量结合有关人体全身振动的文献和研究工作的基础上，制定出了国际标准ISO2631关于人体承受全身振动的评价指南。这个标准的重点是指出人体对振动的反应不仅与振动的强度，而且与振动的频率、方向有关。这就把以往只简单地统计汽车本身零件振动响应来进行平顺性评价的方法，发展到“道路汽车人”系统更加科学的水平上2。1.2 本课题的研究意汽

14、车平顺性是衡量汽车性能优良的重要指标之一，良好的平顺性可以保证驾驶员在复杂的行驶环境和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反映，而且还会影响汽车的操纵稳定性，完全性，对于乘员则需要保证乘坐的舒适性和身体健康。随着世界科学技术的发展，良好的汽车平顺性渐渐得到实现。应用计算机技术及电子测试技术，汽车行驶平顺性试验数据的采集和处理更加合理与精确。通过ADAMS软件建立整车模型，并进行整车虚拟样机仿真。建立路面谱，模拟实车道路行驶工况。再通过实车路道试验所采集到数据利用MATLAB软件进行分析，将分析结果与仿真结果进行对比，验证所建立模型的准确性。能够有效缩短汽车的设计周期、降低开发成本、达到提高

15、汽车产品性能的目的。采用虚拟样机技术进行汽车平顺性研究已经逐渐被国外的汽车企业所采用，并取得了良好的效果。本课题以虚拟样机技术为手段，开展汽车平顺性仿真技术研究，研究成果可促进整车产品使用性能的提升，具有重要的理论意义和实用价值。 1.3 本课题的研究内容本课题通过利用虚拟样机技术，建立了更加接近于实际情况的整车虚拟样机模型，对整车进行了平顺性仿真。并将仿真结果与实车道路试验分析结果进行对比，验证所建立模型的准确性。 本课题主要研究内容包括：利用ADAMS建立前后悬架、轮胎等各子系统、构建整车模型，进行平顺性仿真。1. 利用ADAMS/Car建立起某轻型乘用车前后悬架等各子系统。2. 构建整车

16、虚拟样机模型，进行模型可行性的验证。3. 进行随机路面平顺性的仿真。4. 设计平顺性道路试验大纲，进行实车道路试验。5. 进行试验结果与仿真结果对比，以验证所建立模型的准确性。第2章 汽车平顺性及其评价指标2.1 引言 汽车平顺性研究的是“道路一汽车一人”振动系统，如下图1-1所示，路面不平度、车速及发动机激励形成了对振动系统的“输入”，这个“输入”通过由轮胎、悬架、动力总成悬置系统、座垫等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的传递振动系统，然后振动系统的“输出”传递给人体的振动加速度，这个加速度通过人体对振动的反应舒适性来评价汽车的平顺性2。输入 路面不平度 车速输出 车身传至人体的加速度

17、悬架弹簧动挠度 车轮与路面之间的动载评价指标 加权加速度均方根值 撞击悬架限位概率 行驶安全性振动系统 弹性元件 阻尼元件 身，车轮质量图1-1“人一汽车一路面”系统框图2.2 汽车平顺性评价指标及其评价方法1948年，人体舒适性评价指标被Janeway提出，并且给出计算评价指标J值的计算公式；1957年，德国学者Dikman把K系数法提出；1968年，Pradko等人通过研究提出了吸收功率法；之后，在1972年，德国米奇克提出用座椅垂直加速度的均方根值和整车纵向加速度的均方根值评价汽车的平顺性。后来，20世纪60年代，国际标准化组织开制定了“人体承受全身振动的评价指标”，通过几次的补充和修订

18、，并于1974年颁布了IS026311974(E)m际标准，成为国际标准IS02631/11985。目前总加权值评价方法及其评价指标被普遍采用2。 但是，我国在此项研究的工作起步比较晚，20世纪80年代初，长春汽车研究所、清华大学等单位首先根据IS02631国际标准进行了汽车道路行驶平顺性的研究；制定出1982年的“汽车悬架系统固有频率和相对阻尼系数的测量方法”、1985年的“汽车平顺性随机输入行驶试验方法”和“汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法一”以及“客车平顺性评价指标及限值”等，构成了我国比较为完善的汽车平顺性评价方法体系。汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适

19、性的影响在一定界限之内，因此平顺性主要根据乘员主观感受的舒适性来评价，对载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。2.2 .1人体对振动的反应汽车的振动通过人体表面作用于人，在人的体内引起一系列生理、心理反应，是人体感到不舒适的主要来源。根据振动的反应结果可分为以下几类：健康状况、舒适程度、工作效能、主观感觉、晕车反应等。然而轻微的振动对人体是无害的，但是强度比较大的振动就会给人体健康造成危害，太过强烈的振动还直接导致人体器官的机械损伤。汽车的振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间，根据每个人的心理与身体素质不同，故对振动的敏感程度有很大的差异。国

20、际标准化组织(ISO)，在1997年公布的ISO 2631:1997 (E)人体承受全身振动评价第一部分：一般要求，这个标准主要用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，能与主观感觉更好的符合。我国对相应标准进行了修订，公布了GB/T4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法。目前主要采用的是总加权值评价方法及其评价指标23。ISO提出的ISO2631人体承受全身振动的评价指南根据加速度均方根值给出在中心频率180HZ振动频率范围内人体对振动反应的三种不同的感觉界限。我国根据ISO2631标准制定了国家标准汽车平顺性随机输入行驶试验方法和客车平顺性评价指标及极限。

21、其中ISO2631用加速度均方根值给出了人体在180Hz振动频率范围内对振动反应的三个不同感觉界限：舒适降低界限、疲劳工效降低界限和暴露极限4。（1）舒适降低界限：在此极限内，人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，并能顺利完成吃、读、写等动作。（2）疲劳-工效降低界限：当驾驶员承受振动在此极限内时，能保持正常地进行驾驶。（3）暴露极限：当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。 图2-2 IS02631给出的暴露界限、疲劳工效降低界限及舒适性降低界限 由图2-2可知，三个界限只是振动加速度容许值不同。“暴露极限”值为“疲劳工效降低界限”的2倍；“舒适降低界限”为“疲劳工效降低界限”的

22、1/3.15倍；其中各个界限容许的加速度值随频率的变化趋势完全相同。2.2.2 平顺性的评价方法汽车平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理感受及对保持货物完整性的影响制定的，并根据振动的物理量，如频率、振幅、位移、加速度等作为平顺性的评价指标。ISO 2631:1997 (E)标准规定了图2-3所示的人体坐姿受振模型，在进行平顺性评价时，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12个轴向的振动24。图2-3 人体坐姿受振模型规定了人体对不同频率振动的敏感程度不同，在图2-4上给出了各轴向0.5

23、-80Hz的频率加权函数(渐进线)，又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了各轴向振动的轴加权系数k。图2-4 各轴向振动的轴加权系数表2-1 频率加权函数、轴加权函数和某小轿车上振动测量结果上表2-1给出了三个输入点12个轴向，然后选用哪一个频率加权函数和相应轴加权系数k，还列出汽车在城市公路上行驶时，实际测得的各轴向加权加速度均方根值，及总的加权加速度均方根值。 由表2-1上各轴向的轴加权系数可以看出，椅面输入点、三个线振动的轴加权系数1，他们是12个轴向中人体最敏感的方向，其余各轴向的轴加权系数均小于0.8。另外，ISO 2631:1997 (E)还规定，当评价振动对人

24、体健康的影响时，就需要考虑、这三个轴向，而且、 两个水平轴加权系数取1.4，比垂直方向更敏感。标准规定座椅靠背水平轴向、可以由椅面、，水平轴向代替，此时轴加权系数取=1.4。还规定对不同轴向分量及不同频率的振动有不同的敏感程度。椅面垂直轴向频率加权函数的最敏感频率范围为412.5Hz,其中48Hz频率范围内，人体内脏器官最易产生共振，而812.5Hz范围的振动对人体脊椎系统影响最大。椅面水平轴向、的频率加权函数的最敏感频率范围均为0.52Hz，大约在3Hz以下，水平振动比垂直振动更加敏感。因此，我国在修订的相应GB/T4970-1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法时，评价汽车平顺性就考虑椅面

25、、这三个轴向234。 在IS02631：1997E标准以及我国的客车平顺性评价指标及限值、汽车平顺性随机输人行驶试验方法等标准中，通常以总加权加速度均方根值来评价汽车平顺性及振动对人体舒适和健康的影响，具体计算方法如下2345： （1）先对轴向加速度时间历程进行频谱分析，得到功率谱密度函数，再根据下式计算出频率加权后的加速度均方根值： (2-1)频率加权函数（渐进线）用以下公式表示，式中频率的单位为Hz (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) （2）在评价振动对人体健康的影响时，仅仅只考虑、这三个轴向，并且、这两个水平轴向的轴加权系数比垂直轴向更敏感，另外还规定座椅靠背水平轴向、可以由

26、椅面、水平轴向代替，因此水平轴向加权系数取k=14。因此三个轴向的总加权加速度均方根值按下式计算： （2-6） （3）根据标准的评价方法，需要采用加权振级，它与加权加速度均方根值换算，可根据下式进行计算 (2-7) 其中，为参考加速度均方根值，。 （4）最后将计算出的加权加速度均方根值和加权振级根据下表2-2和与人的主观感觉之间的关系来评价汽车的乘坐舒适性。表2-2 和与人的主观感觉之间的关系2.3 本章小结 本章根据人体对振动的反应和人体内部器官在汽车振动环境内可能发生共振的现象，结合国内外汽车平顺性评价标准，介绍了汽车平顺性的评价指标及其评价方法，重点介绍了总加权值评价方法，首先计算出各轴

27、向加权加速度均方根值，再计算出总加权加速度均方根值，然后根据加权加速度均方根值和加权振级来评价汽车的平顺性。第三章 基于ADAMS整车虚拟样机模型建立3.1 引言 在进行汽车平顺性仿真之前，首先需要建立整车虚拟样机模型，然后验证模型的准确性，模型是否正确对仿真结果有很大的影响。本章主要介绍利用ADAMS软件建立汽车前后悬架、轮胎等各子系统、构建整车模型，并对模型的可行性进行验证。3.2 ADAMS软件简介3.2.1 ADAMS软件的发展ADAMS即机械动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），美国MDI（Mechanic

28、al Dynamics Incorporated ）公司由美国密西根大学的ADAMS代码开发人员发起成立，位于美国密西根州的Ann Arbor。2002年MSC.Software以1.2亿美金收购了MDI著名虚拟样机仿真软件公司。从1977年发展至今，ADAMS软件不断进行更新，新的版本增加了很多实用的模块。由于其领先的“功能化数字样机”技术，ADAMS目前成为国际上应该广泛且具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件，占据了该领域53%的市场，在航天、航空、汽车、铁道、船舶工业以及工程机械等领域得到广泛应用。很多国际化大公司、企业均采用ADAMS软件作为其机械系统动力学仿真分析平台。中国一汽、二

29、汽、上海通用、长安、奇瑞等汽车公司都采用ADAMS技术进行设计研究，国内许多著名高校也将ADAMS虚拟样机仿真软件作为机械类专业学生必须掌握的工具软件，并开设了相关课程6。ADAMS软件使用交互式图形环境及零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其中的求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学及动力学分析，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、峰值载荷以及计算有限原件的输入载荷等。利用ADAMS软件，用户可以方便、快速地创建参数化的机械系统动力学模型，然后提交

30、给Solver计算，ADAMS会根据计算结果自动建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行与实际情况非常接近的静力学、运动学及动力学分析。ADAMS中提供了进行系统设计研究、设计试验和优化分析的工具，同时，ADAMS根据其开发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平台。3.2.2 ADAMS软件的基本模块ADAMS软件是由一些模块组成的，包括基本模块、扩展模块、接口模块、专业模块及工具箱。每种模块中包含具体的若干模块，用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，并且可以采用专用模块对其特定行业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析67。（1） AD

31、AMS/View (用户界面模块)ADAMS/View (用户界面模块)是ADAMS系列产品的最基本的核心模块之一，是以用户为中心的交互式图形环境。它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画演示、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。而且ADAMS/View采用简单的分层方式进行建模，提供了丰富的零件约束库和力库，并且支持布尔运算。仿真结果采用强有力的、形象直观方式描述，并可以将结果形象逼真的输出。UG几何造型可通过IGES接口输入ADAMS/View，丰富了ADAMS/View自身的建模功能。另外，ADAMS/View还提供多种位移函数、速度函数

32、、加速度函数、接触函数、样条函数、力和力矩函数、用户子程序函数等多种函数。（2）ADAMS/Solver(求解器模块)ADAMS/Solver也是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品中处于心脏地位的仿真“发动机”。ADAMS/Solver能自动形成仿真模型的动力学方程，提供静力学、运动学、动力学的解算结果。该模块提供各种建模和求解选项，以便用户根据具体要求精确有效的解决各种工况问题。ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究，除了输出力、位移、速度、加速度外，用户还可以输出自定义的数据以便进行有限元分析。（3）ADAMS/Post-Processor(专业后处理模块)

33、专业后处理模块用来输出各种数据曲线、高性能动画，还可以进行曲线的编辑和数字信号的处理。该软件是为了提高仿真结果的后处理能力而开发的模块，可以使用户在该模块里更方便的观察、研究仿真将结果。该模块既可以在ADAMS/View环境下运行，也可以在独立的环境下运行。它的主要特点 有如下几点：1） 快速的显示高质量的动画，有利于从每个角度深入理解分析设计方案的有效性；2） 能够清晰分层次的显示树状数据结构，快速检索到对象；3） 具有数据作图、数据处理及文件输出功能；4） 窗口灵活多变，能够分割窗口画面及多页面储存；5） 能够同步显示多视窗动画与曲线结果，且可将其录制成电影文件；6） 具有完备的曲线数据统

34、计功能：求平均值、极值、和、乘积及斜率等；7） 含有丰富的数据处理功能：曲线的代数计算、缩放、偏置、编辑、FFT变换、滤波等。（4）ADAMS/Insight(试验设计与分析模块)ADAMS/Insight为用户提供了各种专业化系统分析工具，能够对试验结果进行分析、对比、评估，帮助用户更好地分析复杂机械系统的性能。该模块是基于网络技术的模块，通过数据统计中的多元非线性回归方法，能够精确地给出性能与参数之间的回归表达式。用户可以借助该模块将仿真试验置于网页上，实现资源共享，加速决策过程。ADAMS/Insight是选装模块既可以在ADAMS/View, 也能在ADAMS软件中独立运行。ADAMS

35、/Insight具有很多种功能即可方便的修改和优化模型，也可进行模型的参数化分析、找出模型的关键参数和非关键参数等。（5）ADAMS/Car(汽车模块)汽车模块是ADAMS软件的专业模块之一，是MDI公司与Audi、BMW、Renault、Volvo等公司合作开发的整车设计模块。基于ADAMS/Car模块，用户可以快速建立高精度的整车虚拟样机，其中包括悬架、车身、传动系统、转向系统、发动机、轮胎、制动系统等，用户可通过高速动画直观地再现在各试验工况下的整车动力学响应，并输出标志操作稳定性、制动性、平顺性和完全性的参数，用户还可以通过在各种不同的路面工况下进行仿真，分析模型的操纵稳定性，安全性，

36、平顺性及其它性能参数。在ADAMS软件中，还含有概念化悬架模块、驾驶员模块、动力传动系统模块、发动机设计模块、经验动力学模块及振动分析模块等。用户在进行建模时，在相应模板中输入必要的数据，就可以快速建立包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真。ADAMS软件的日常汽车开发中得到广泛应用，许多汽车厂商在进行汽车研发中都使用到ADAMS软件。在ADAMS/Car环境下建立整车系统的动力学仿真模型，分为以下几个步骤： 1) 首先将整车各子系统进行分解及运动学、动力学抽象分析，然后构建各子系统的拓扑图。 2) 在建模过程中最重要的部分就是建立模板，在

37、template builder下建立各子系统的template文件，定义各子系统之间的communicator，此时则需要知道各子系统的拓扑结构，而不用知道各子系统的详细参数。 3) 通过计算获取各子系统的几何定位参数、质量特性参数、物理参数和力学参数。 4) 然后在Standard中建立各子系统相应template的subsystem文件，并将其代入各子系统的参数特征。 5) 之后在Standard下建立整车的assembly文件，构建各子系统模型组成整车系统模型。 6) 针对整车研究的不同方面，进行不同工况的仿真文件进行整车平顺性仿真。 7) 最后将仿真计算结果的后处理。（6）ADAMS

38、/Tire(轮胎模块) 轮胎模块是研究轮胎与道路相互作用的可选模块。ADAMS / Tire模块可以完善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力，还可以计算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直、纵向和横向载荷、仿真研究车辆在制动、转向和滑行、滑移等大变形位移下的动力学特性，不仅可以研究车辆稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾特性，还可以进行其输出力和加速度数据作为有限元分析软件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研究，并计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力。3.2.3 ADAMS建模基础ADAMS软件根据笛卡尔坐标和欧拉角参数来描述物体的空间位置，然后采用吉尔（Gear）的刚性积分

39、来解决稀疏矩阵的求解问题，ADAMS/Solver中提供许多种功能成熟的求解器，可以对所建模型进行运动学、静力学、动力学分析。ADAMS软件的多刚体动力学分析步骤如下67：（1） ADAMS多刚体系统的自由度 机械系统中各构件相对于地面机架所具有的独立运动数量称为机械系统的自由度。机械系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数量、原动机的类型和数量、以及其他约束条件有关。在ADAMS软件中，机械系统的自由度（DOF）和原动机的数量与机械系统的运动特性有着密切的关系，机构的自由度决定该机构的分析类型：运动学分析或动力学分析67。ADAMS中自由度（DOF）的计算公式为： （3-1）式中n

40、系统的部件数目（包括地面）；系统中各约束所限制的自由度数目。其中，当 DOF0时，对机构进行动力学分析，即分析其运动状况是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求构件运动不仅要满足约束要求，而且还要满足给定的运动规律。包括有静力学分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。其中的动力学运动方程即机构中运动的约束方程和拉格朗日乘子微分方程组成的方程组。当 DOF0时，对机构进行运动学分析，即仅考虑系统的运动规律，而不用考虑产生运动的外力。在机构运动学分析中，某些机构构件的运动状态确定后，其余构件的位移、速度和加速度随时间变化的规律，不是依据牛顿定律来确定的，而是完全由机构内构件间的约束关系来确定，是通

41、过位移的非线性代数方程与速度、加速度的线性代数方程迭代运算求解。当 DOF0时，属于超静定问题，目前ADAMS还无法解决。ADAMS系统中包括一般约束库和基础约束库，一般约束库中含有机械系统常见的约束，基础约束库则是一些抽象的约束，一般约束所限制的自由度如表3-1示。表3-1 一般约束所限制的自由度平动转 动01230固定副旋转副万向副球铰副1滑移副圆柱副2平面副（2） ADAMS多刚体系统动力学方程的建立建立动力学方程，其求解的速度很大程度上取决于广义坐标的选择。在研究刚体在惯性空间中的一般运动时，通常使用它的连体基的圆点(一般与质心重合)来确定位置，使用连体基相对惯性基的方向余弦矩阵来确定

42、方位。通常为了更好的描述方位，必须规定一组转动广义坐标表示方向余弦矩阵。在确定转动广义坐标通常有三种方法。一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是它的变量太多，同时还要附加六个约束方程；另一种方法是使用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标，它的算法规范，缺点是在逆问题中存在奇点，在奇点位置竖直计算容易出现困难；最后一种方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，由于它的变量不太多，方向余弦计算欧拉角时不存在奇点，所以通常情况下采用第三种方法来确定转动广义坐标67。ADAMS软件用刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即： （3-2） （3-3）由于采用不独立的广义坐标，系统动力

43、学虽然是最大数量，但是高度稀疏耦合的微分代数方程，却适用于稀疏矩阵的方法高效求解。ADAMS程序通常采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： (3-4)完整约束方程： （3-5） 非完整约束方程： （3-6） 式中：T动能；描述系统广义坐标列阵；广义力列阵；完整约束的拉格朗日乘子列阵；非完整约束的拉格朗日乘子列阵。把(3-4)式写一般形式: （3-7） （3-8） （3-9）式中：广义坐标列阵；广义速度列阵；广义速度列阵；约束反力及作用力列阵；系统动力学微分方程及用户定义的微分方程。定义系统的状态矢量： （3-10）则式(3-4)可写成单一矩阵方程： （3-11） 在动力学分析时，ADAMS通常采

44、用两种算法67:1）使用积分求解程序，采用坐标分离算法来计算独立坐标的微分方程，使用这种方法主要用于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。2）使用三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序（GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器）来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法通常适用于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。采用GEAR预估一校正算法可以有效地求解式(3-4)所示的微分代数方程： 首先，根据当前时刻的系统状态矢量值，采用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值 (3-12)式中，时间步长 在采用这种预估算法时，得到的新时刻系统状态矢量值通常不准确，式(3-4)右边的项不等于零

45、，可以采用由Gear k+1阶积分求解程序(或其它向后差分积分程序)来校正。如果采用预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足(3-4)，则可以不必进行校正。 (3-13)式中：在时的系数值；Gear积分程序的系数值。将式(3-13)简化为： (3-14)将式(3-4)在,时刻展开，得： (3-15)ADAMS使用修正的牛顿-拉夫森迭代程序求解上面的非线性方程，其迭代校正公式为： (3-16)式中，j表示第j次迭代。， (3-17)由式(3-14)可知： (3-18)由式(3-15)可知：， (3-19)将公式(3-18)和公式(3-19)代入式(3-16)，得： (3-20)公式(3-20)左

46、边得系数矩阵称系统的雅可比矩阵，式中：系统刚度矩阵；系统阻尼矩阵；系统质量矩阵。通过分解系统雅可比矩阵(通常为了提高计算效率，ADAMS采用符号方法分解矩阵)求解，然后计算出, , ,，重复上述迭代校正步骤，直到满足收敛条件，最后是积分误差控制步骤。如果预估值与校正值的差值小于规定的积分误差限，接受该解，则进行下一时刻的求解；否则将拒绝该解，并减少积分步长，重新进行预估一校正过程。ADAMS在进行动力学、静力学和运动学分析之前，ADAMS将自动进行初始条件分析，这有利于在初始系统模型中各物体的坐标与各种运动学约束之间达成一致协调，可以保证系统满足所有约束条件。初始条件通过分析求解相应的位置、速

47、度、加速度的目标函数的最小值。分析初始条件位置，确定位置目标函数： （3-21）式中：n系统总的广义坐标数； m系统约束方程数；约束方程；拉格朗日乘子微分方程；的加权系数。如果是准确坐标值，则取大值；如果是近似坐标值，则取小值；如果是程序指定的坐标值，则取零值。如果取最小值，则由，得： (3-22) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。其函数形式为： （3-23） 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m 。其中牛顿-拉夫森迭代公式为： (3-24) 式中：；中的下标表示第次迭代。分析初始速度，确定速度目标函数： (3-25) 式中：用户设置的准确的或近似的初始速度值或程序设定的缺省速度

48、值；对应的加权系数；速度约束方程；对应速度约束方程的拉格朗日乘子。当取最小值时，则由，可得： (3-26) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。将（3-26）简化为矩阵形式： (3-27) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m 。 公式(3-27)是关于，的线性方程，系数矩阵只与位置有关，而且它的非零项已经分解(见式(3-24)）,因此，可直接求解出，。 分析初始加速度、初始拉格朗日乘子，可以直接由系统动力学方程和系统约束方程的两阶导数来确定。首先将矩阵形式的系统动力学方程简化为分量形式: （3-28）式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。 （3-29）然后将（3-29）简化为矩

49、阵形式: (3-30) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。其中（3-30）中的非零项已经分解，见式(3-24)和(3-27)，由此，可以求解出，。3.3 基于ADAMS/Car建立整车虚拟样机模型3.3.1 建立汽车各子系统模型（1） 建立前悬架动力学模型基于ADAMS/Car模块对悬架系统进行建模，通常要求模型要与实际情况一致。汽车为一纵向对称系统，模型在建立前需要确定每个部件的硬点，然后建立其中左边或右边的1/2悬架模型，另一部分则会自动生成68。汽车前悬架一般为麦克弗逊式撑杆式悬架，由弹簧、筒式减振器及滑柱、下摆臂、转向节总成（减振器下体、轮毂轴）、转向横拉杆、羊角、减振器上端、

50、球头销、转向器齿条、车轮总成、车身等刚体部分组成。其中下摆臂与车身间由两个弹性衬套（不考虑弹性衬套时为转动铰链）相连，下摆臂与羊角由球铰相连，减振器上端与羊角由圆柱铰相连，减振器上端与车身间弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链）相连，减振器上端与羊角间还有弹簧阻尼器力元。将结构简化分析，然后建立前悬架动力学模型子系统如图3-1所示。图3-1 前悬架模型其中各部件约束如图3-1所示，减振器上端采用用万向节铰与车身相连，转向节总成与减振器上端用圆柱铰约束，相对于减振器上半部分可以进行轴向移动和转动；下摆臂的一端通过转动铰与车身相连（其中含有一个虚约束），可相对于车身上下摆动，另一端则通过球铰与转

51、向节总成相接；转向横拉杆的一端通过球铰与转向节总成相连，另一端则通过万向节铰与转向齿条相连；其中悬架模型的铰链类型与数目如下表3-1所示。表3-1 前悬架模型的铰链类型与数目铰链名称铰链约束的自由度约束铰链数量平动转动麦弗逊式固定铰链3310转动铰链324平动铰链232万向节铰链312圆柱铰链223球铰链304等速万向节铰链316平面副121其中麦弗逊式前悬架(不含转向系)的约束方程为： (3-31)悬架模型中存在两个Gruebler Count(相当于两个自由度)，因此自由度为: (3-32)1) 建立前减振器模型悬架系统的主要阻尼元件即减振器，它与弹性元件并联安装，通过减振器的衰减，减小车身与车轮之间的相对振动。要利用ADAMS/Car模块建立减振器模型，首先需要用户建立一个自定义的减振器文件，然后利用其属性对话框进行数据修改，也可利用“速度一力”曲线在曲线上直接修正，还可以通过其中的数列表进行比较准确的定义