麦弗逊悬架横向稳定杆动力学建模分析

麦弗逊悬架横向稳定杆动力学建模分析均质充量压缩着火(HCCI)燃烧，作为一种能有效实现高效低污染的燃烧方式，能够使发动机同时保持较高的燃油经济性和动力性能，而且能有效降低发动机的NO和碳烟排放。此外HCCI燃烧的一个显著特点是燃料的着火时刻和燃烧x过程主要受化学动力学控制，基于这个特点，发动机结构参数和工况的改变将显著地影响着HCCI发动机的着火和燃烧过程。本文以新型发动机代用燃料二甲醚(DME)为例，对HCCI发动机燃用DME的着火和燃烧过程进行了研究。研究采用由美国LawrenceLivermore国家实验室提出的DME详细化学动力学反应机理及其开发的HCT化学动力学程序，且DME的详细氧化机理包括399个基元反应，涉及79个组分。为考虑壁面传热的影响，在HCT程序中增加了壁面传热子模型。采用该方法研究了压缩比、燃空当量比、进气充量加热、发动机转速、EGR和燃料添加剂等因素对HCCI着火和燃烧的影响。结果表明，DME的HCCI燃烧过程有明显的低温反应放热和高温反应放热两阶段;增大压缩比、燃空当量麦弗逊悬架横向稳定杆动力学建模分析比、提高进气充量温度、添加HO、H、CO使着火提前;提高发动机转速、采用冷却EGR、添加CH、CHOH使着火滞后。关键词:均质充量压缩着火，数值模拟，二甲醚，EGR，燃料添加剂NUMERICALSIMULATIONOFHOMOGENEOUSCHARGECOMPRESSIONIGNITIONCOMBUSTIONFUELEDWITHDIMETHYLETHERABSTRACTHCCI(HomogenousChargeCompressionIgnition)combustionhasadvantagesintermsofefficiencyandreducedemission.HCCIcombustioncannotonlyensureboththehigheconomicanddynamicqualityoftheengine,butalsoefficientlyreducetheNOandsmokeemission.Moreover,oneoftheremarkablecharacteristicsofHCCIxcombustionisthattheignitionandcombustionprocessarecontrolledbythechemicalkinetics,sotheHCCIignitiontimecanvarysignificantlywiththechangesofengineconfigurationparametersandoperatingconditions.InthisworknumericalschemefortheignitionandcombustionprocessofDMEhomogeneouschargecompressionignitionisstudied.ThedetailedreactionmechanismofDMEproposedbyAmericanLawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)andtheHCTchemicalkineticscodedevelopedbyLLNLareusedtoinvestigatetheignitionandcombustionprocessesofanHCCIenginefueledwithDME.ThenewkineticmechanismforDMEconsistsof79speciesand399reactions.Toconsidertheeffectofwallheattransfer,awallheattransfermodelisaddedintotheHCTcode.Bythismethod,theeffectsofthecompressionratio,thefuel-airequivalenceratio,theintakechargeheating,theenginespeed,EGRandfueladditiveontheHCCIignitionandcombustionarestudied.TheresultsshowthattheHCCIcombustionfueledwithDMEconsistsofalowtemperaturereactionheatreleaseperiodandahightemperaturereactionheatreleaseperiod.Itisalsofoundedthatincreasingthecompressionraition,theequivalenceratio,theintakechargetemperatureandthecontentofHO,HorCOcauseadvanced222ignitiontiming.Increasingtheenginespeed,adoptionofcoldEGRandthecontentofCHorCHOHwilldelaytheignitiontiming.43Keywords:HCCI,numericalsimulation,DME,EGR,fueladditive目录1绪论1.1引言1.2HCCI的数值模拟研究现状1.2.1HCCI数值模拟模型2DME均质充量压燃着火的数值模拟方法2.1二级标题2.1.1三级标题5结论参考文献致谢译文及原文1绪论1.1引言汽车工业已经成为国民经济的支柱产业，其发展水平体现了一个国家工业技[1]术的综合水平。提高汽车工业的竞争力，可以有力的增强国家的综合国力乃至带动相关产业的飞速发展。而具有独立自主的产品设计开发能力是检验一个国家汽车工业发展水平的唯一标准。自主研发、自主知识产权以及自主品牌是体现一个国家汽车产业核心竞争力[2]的三大要素。21世纪以来，中国汽车市场己经成为全球最大的汽车市场，然而却不能称为汽车强国，大而不强是目前中国汽车产业的真实写照。如何抓住汽车市场规模日益壮大的契机实现产业升级，成为急需解决的产业发展问题。中国汽车产业要想做大做强，就必须加强自主研发，拥有自主知识产权和自主品牌的汽车，真正意义上的提高核心竞争力。长期以来，国内的相关汽车企业缺乏同国外汽车厂家竞争的思想，不热衷于提高汽车产品的品质，通常出于短期集团利益方面的考虑，不愿意在这方面进行大规模的人力和资金的投入，以至于成为中国汽车行业发展的最大障碍。当今，国内汽车企业生产的客车、卡车、轿车以及微型车几乎都是引进国外汽车厂家的生产技术，实际上这种“引进技术”的本质为引进国外现成产品的设计结果，而不是引进和吸收产品设计开发技术本身，最终成就了国外汽车巨头在中国汽车市场的迅速壮大。回顾中国汽车工业发展路径，主要依靠两条技术路线并行，即市场换技术和自主研发。经过30多年的发展，中国汽车企业技术积累却十分有限，和国外先进制造技术相比，自主研发尚存在不小差距。电动转向、制动系统、悬架系统、发动机控制等核心零部件技术仍由国外控制，在汽车整车开发方面，中国汽车企业同国外汽车企业的差距还非常大。诚然，引进技术是学习和迅速追赶国外先进技术最有效最迅速的方法，然而国内企业应该是在引进技术的同时，消化吸收设计理念和原理，掌握和精通设计方法，开发出属于自己的汽车产品，只有具备了自主研发的意识，才能谋划长远，才能在未来激烈的竞争中立于不败之地，要想真正成为汽车强国，中国汽车企业必须实现核心技术自主化，强化自主创新能力。以前，中国汽车企业大多侧重于汽车整车的研发，而忽略了汽车主要零部件和相关配套产业的提高。然而从某种意义上讲，整车对于汽车产业不是最重要的，最重要的还是汽车关键零部件的创新和发展。关键零部件的科技含量综合体现汽车整车的创新能力和品牌建设能力，同时关键零部件的自主创新决定了汽车品牌的归属。伴随着人命生活消费水平的逐步提高，汽车已经成为工农业生产及日常生活中不可缺少的重要工具。用户对汽车的各种性能要求越来越高，用户不仅要求汽车具有良好的经济性和安全性，同时还要求汽车拥有良好的操纵稳定性和行驶舒适性。开发的新产品是否被消费者所接受关键取决于汽车的底盘性能，而悬架系统很大程度上决定着汽车底盘的性能。只有给汽车底盘匹配合适、性能优越的悬[3]架系统，才能保证汽车具有良好的整车性能。整车总体设计、车身设计、发动机设计与底盘设计是汽车设计开发的四大核心模块。汽车车身、底盘和发动机是汽车的三大总成，悬架系统是底盘的重要总成。我国在底盘的集成设计开发领域开发设计起步较晚，设计和制造水平远远落后于国外发达国家。国内大多数整车及零部件制造企业都没有掌握悬架系统的自主设计和开发技术，大多数为引进外国技术进行复制开发和生产，几乎可以说国内企业的底盘技术基本上都是照搬国外的，没有任何自己的技术，国内汽车企业甚至不能独立调校整车悬架系统。大多数汽车生产企业对于不同车身结构形式、整车重量、轮距、轴荷、轴距，以及在不同使用要求的条件下，悬架系统应当怎样选型，怎样确定悬架系统的定位参数等诸多关键问题均不甚了解。所以，中国汽车行业面临着巨大的压力，汽车行业发展和竞争已经白热化，必须投入各种人力及相关资源加强对我国汽车自主设计开发相关核心技术。稳定杆是汽车独立悬架系统的重要安全件,在汽车转弯或遇到阻力时可提高操作的稳定性,保证舒适性和行驶安全性。因此,只有建立合适的稳定杆模型及准确的理论计算才能确保设计的稳定杆的可靠性,使汽车质量问题得到一定改善,才能赢得消费者的欢迎。因此，横向稳定杆的结构设计与性能优化，自然成了目前国内众多研发人员所关[4]注的焦点。1.2现代车辆悬架简介1.2.1车辆悬架分类汽车悬架是车架和车桥或车轮之间的一切连接装置的总称。其作用是传递车架与车轮之间的所有的力和力矩，同时缓冲由于路面不平所产生的冲击力，并且衰减因此而引起的振动，从而可以保证汽车能够平顺地行驶。通常典型的悬架系统由弹性元件、减振器、导向机构等零部件组成，个别悬架结构还具有横向稳定杆和缓冲块等辅助零部，其各自的作用分别为缓冲、减振以及力的导向。外表看似简单的悬架系统仅由一些杆、筒、弹簧等部件组成，其实不然，悬架系统综合多种作用力，决定汽车的操纵稳定性、行驶舒适性和安全性，是当代汽车底盘的设计重点。当代汽车悬架系统发展非常迅猛，各种新型结构型式不断出现，有效的促进了汽车的整体发展。汽车悬架系统按照控制方式不同，分为被动式悬架和主动式悬架。1934年，德国的Olley首次提出被动悬架的基本原理，中间经过不断的发展和研究，被动悬架系统最终被广泛应用于各种车辆，并取得了很好的效果，至今仍然是车辆悬架结构中的主流结构。现如今汽车悬架设计理论己经发展到了主动悬架和半主动悬架阶段。在20世纪60年代，美国通用公司提出根据汽车行驶工况的变化，对悬架刚度和阻尼进行动态地调整，使悬架系统始终处于最佳减振状态，这种悬架系统叫做主动悬架系统。虽然主动悬架性能优越，可以很好的解决被动悬架的各种问题，但是主动悬架却有着目前无法解决的困难—制造成本十分昂贵，所以不能广泛应用。为此，人们退而求其次开始努力开发成本低廉、性能稳定的半主动悬架以试图取代主动悬架。1974年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念，从而用较低的费用基本实现了主动悬架的性能。半主动悬架在性能上可达到与主动悬架相当的水平，同时具有结构简单、工作时基本不消耗车辆动力等优点，因而有着非常良好的应用前[5-6]景。汽车悬架按照导向机构不同，可以分为独立悬架和非独立悬架。非独立悬架的结构特点如下图1-1(a)所示，左右车轮由一根车轴相连接，然后经过悬架系统和车身连接。当一侧车轮由于路面不平发生上下跳动时，另一侧车轮同时跟随做上下跳动过程而独立悬架的结构特点如下图1-1(b)所示，车桥是断开的，左右车轮通过各自单独的悬架和车架连接。两侧车轮的运动是相对独立的，互不影响，所以叫做独立悬架。(a)非独立悬架(b)独立悬架图1-1汽车独立悬架和非独立悬架的结构简图非独立悬架主要包括纵置板簧式非独立悬架、螺旋弹簧非独立悬架、空气弹簧非独立悬架、尤其弹簧非独立悬架。非独立悬架优点在于结构简单、制造成本低、维修方便、工作性能可靠，被广泛的应用于载货汽车、大客车和重型车的后悬架上，在某些轿车后桥还有一些应用非独立悬架。同时非独立悬架缺点也非常明显，由于采用非独立结构型式，左右车轮运动相互影响，容易产生左右车轮反向运动，严重时产生轴转向特性，而且由于非独立悬架结构型式较大，需要较大的安装空间。独立悬架主要包括麦弗逊式独立悬架、双横臂式独立悬架、烛式悬架、多连杆悬架。麦弗逊悬架系统，如图1-2所示，是目前最为广泛应用的悬架系统，也是本文介绍的重点。双横臂式独立悬架，顾名思义，其悬架有两个摆臂，其长度可以相等也可以不相等。严格意义上讲，麦弗逊悬架时简化后双横臂悬架，当双横臂悬架上摆臂长度无限短时就成为麦弗逊悬架，双横臂悬架结构比较简单，可以很好的保证汽车具有良好的行驶舒适性和操纵稳定性，但是其设计和布置较为复杂。多连杆悬架系统是目前高级轿车上使用较多的独立悬架，性能非常优越，可以很好的提高汽车的整车性能，但是由于其结构非常复杂，调校复杂，制造和工业成本也很高，所以限制了其大范围使用。1-螺旋弹簧、2-减震器、3-驱动半轴、4-转向节、5-横摆臂、6-横向稳定杆图1-2麦弗逊悬架设计汽车悬架系统时，首先要明确悬架的操纵稳定性和行驶舒适性等相关性能要求，然后根据车型基本参数和性能要求，选择合适的悬架系统型式、结构参数和特性参数等，最后进行零部件结构设计和性能分析。其中悬架系统设计的难点也是重点部分是选择悬架型式、结构参数和特性参数，保证设计的悬架系统和整车性能是相互匹配的，其过程实质上进行悬架和整车性能的匹配过程。在目前的汽车悬架设计当中，其悬架系统的开发都是建立在对已有悬架型式的改进之上，一来可以减少大量的研发费用，二来可以有效地保证悬架系统的性能要求[7-9]。1.2.2国外悬架发展情况从上世纪90年代起，随着信息技术、电子计算机技术、CAD/CAE/CAM技术等广泛应用到汽车行业，汽车产品设计开发和设计水平上都有了明显的进步，新车型的开发周期大大降低。具体到汽车悬架系统设计层面，各种造型设计技术、仿真分析技术、反求工程、AI技术等已经获得大面积推广应用，同时也取得了非常[10]好的效果。德国汽车专家Prof.J.Reimell(耶尔森•赖姆帕尔教授)主编的《汽车底盘技术丛书》对汽车各种悬架系统做了详细的叙述，从悬架系统运动学角度详尽对悬架定位参数进行了定义，分析了它们的作用及其对整车操纵稳定性的影响，同时对各种悬架的结构选型、参数选择、计算方法都做了大量的论述[11]。德国专家阿达姆•措莫托著的《汽车行驶性能》和日本专家安培正人著的《汽车的运动与操纵》系统的介绍了汽车悬架系统对汽车操纵稳定性和行驶舒适性的可能影响，在研究悬架运动学对汽车操纵稳定性和行驶性能方面做出了开创性的[12-13]贡献。英国汽车专家JohnC.Dixon编写的《SuspensionGeometryandComputation》系统的介绍了汽车悬架的发展历史和现状，从路面对悬架的影响、轮胎变形对悬架的影响出发对悬架系统各种运动特性理论做出了非常深入的探讨和研究。在悬架的运动分析中，针对汽车不同的使用工况以及不同悬架结构形式下车辆的操纵[14]稳定性的影响。1.2.3国内悬架发展情况我国从上世纪80年代就已经开展了对悬架的各种研究工作，研究成果大多数产生于年代。在国内，吉林大学、清华大学、同济大学等都在悬架方面做了大量的探索，为我国悬架系统技术的发展做出了较大的贡献。其中，吉林大学的郭孔辉院士编写的《汽车操纵动力学》一书对悬架系统运动学做了详尽的分析，并且在国内首次提出从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学，描述了车轮定位[15]参数对汽车操纵稳定性、平顺舒适性的影响。吉林大学的王望予《汽车设计》一书系统的讲述了汽车悬架的设计机理，采用严谨的计算公式，自上而下的介绍悬架主要参数的设计原理以及不同结构的悬[6]架所要注意的设计方法。上海交通大学的喻凡编著的《汽车系统动力学》重点介绍了悬架系统的驱动动力学和制动动力学内容，运动系统方法及现代控制理论，结合实际事例叙述了[16]车辆悬架系统控制、车辆稳定性控制等方面的研究。西南交通大学的丁渭平编写的《汽车技术》详细的给悬架自主设计做了归类，重点讲解了技术是怎么应用于汽车悬架设计开发的，同时对悬架开发的整个流程[17]及评价标准做了叙述。至今为止，研究领域也从开始的刚体系统的运动学研究扩展到包含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国的汽车制造企业在开发具有自主知识产权的汽车中起到了指导性作用，并在每两年举行一次的车辆界最高学术会议——车辆动力学会议上发表了许多有价值的论文。1.3麦弗逊悬架概况1.3.1麦弗逊悬架介绍麦弗逊悬架是目前最为常见的悬架类型，在全球汽车市场都有非常广泛的应用。在国内，麦弗逊悬架是众多汽车的首选悬架系统，一般用于轿车前悬架系统。麦弗逊悬架由美国人麦弗逊(McPherson)在20世纪30年代发明的，其本人突破传统思维，开创性的将减振器和螺旋弹簧组合在一起，装在汽车前轴上，创造出这种结构简单性能优越的悬架系统，实践证明这种悬架系统构造简单、制造成本低、占用空间少，而且操纵稳定性非常好，被业界誉为经典的设计，是目前应用最广泛的悬架系统。随着汽车行业的突飞猛进，科技的不断发展，汽车工程师们正在不断的研究和改进麦弗逊悬架，使其能够充分的发挥其性能。如图1-2所示，麦弗逊悬架主要是由螺旋弹簧、减振器、横摆臂以及横向稳定杆组成。麦弗逊式独立悬架结构特点主要采用支柱式减振器作为主轴，同时减振器兼做主销，减振器承受来自车身抖动和地面冲击的上下预应力，减振器还可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右发生偏移，确保螺旋弹簧只作上下方向的[18]振动运动，悬架的软硬程度和别的性能由减振器的行程长短及松紧来确定。麦弗逊悬架中非常关键的部件—横摆臂，它的作用是为车轮提供横向支撑力，并能承受来自前后方向的预应力，在车辆运动过程中，车轮承受的所有方向的冲击力主要靠支柱减振器和横摆臂这两个部件承担。麦弗逊悬架系统相比于其它形式悬架系统有着结构简单、布局紧凑、悬架质量轻、占用空间小，便于发动机和其它一些零部件的安装，同时具有制造成本低等优点。麦弗逊悬架具有比较合理的运动特性，使系统受力合理，有效的延长减振器的寿命。同时由于麦弗逊悬架结构简单布局紧凑，既能够保证整车性能又能够有效地扩大车辆内部乘坐空间,有效地提高了乘坐舒适性。从操纵稳定性角度讲，车轮上下跳动过程中，麦弗逊悬架螺旋弹簧行程大，但是轮距、主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、车轮前束角等改变不大，有效的减少轮胎的磨损。麦弗逊悬架同样也有着非常明显的缺点从运动特性角度而言，麦弗逊悬架运动特性明显不如双横臂悬架和多连杆悬架从悬架结构而言，支柱减振器对左右方向的冲击缺乏有效地阻挡力，其直筒式结构比较容易发生弯曲，刹车点头作用和加速抬头作用明显，悬架刚度与稳定性较差，快速通过弯道时车身侧倾比较明显[18-20]。1.3.2麦弗逊悬架横向稳定杆横向稳定杆是汽车独立悬架系统的重要安全件，如下图1-3所示，在汽车转弯或遇到阻力下产生侧倾时给车辆快速施加反侧倾力矩，其主要任务是增加低速敏捷性，提高高速稳定性，减小转向不足，减小侧倾角，增加舒适性。稳定杆的主要作用是防止车身在转弯时，受惯性作用产生过大的横向侧倾。横向稳定杆一般是由弹簧钢材料制成，呈U字形横悬在汽车前后悬架。杆身中部通过两个套筒支承铰链在车架上，杆身可以在套筒内自由转动，同时为了防止横向稳定杆在服役过程中的横向运动干涉，稳定杆在套筒部位可设置定位结构，通过铰链将稳定杆的两侧纵向部分的末端与悬架上的弹簧支座相连。当车身受到对称的垂直载荷作用时，两侧悬架垂直位移相等时，横向稳定杆在套筒内发生转动，而套筒沿纵向移动，稳定杆不起稳定作用。这时横向稳定杆各部分均不受力。当两侧悬架变形不等，而车身侧倾时，稳定杆两侧纵向部分的末端发生相反的垂直位移，是稳定杆[21]产生扭转受到扭力作用。横向稳定杆在汽车悬架系统中安装位置如图1-2中的标号5所示图1-3麦弗逊悬架横向稳定杆三维模型图在实际工作状况下，稳定杆常会受到大小不同的扭力作用，随着受力次数的增加，稳定杆的某些部位会出现疲劳破坏。因此，稳定杆的疲劳寿命是设计稳定杆必须要考虑的一个重要因素，对稳定杆进行的疲劳寿命估算也就尤为重要了。正确确定横向稳定杆的疲劳控制部位是进行稳定杆疲劳失效分析的最重要的第一步，疲劳控制部位就是可能出现疲劳裂纹的部位，一般需要综合考虑影响疲劳寿命的各种因素，如缺口应力、应力集中系数，应力大小，疲劳缺口系数等，疲劳控制部位是机械结构中最容易受到疲劳损伤的危险部位，在该部位会首先产生疲劳裂纹，并极有可能是整个结构疲劳断裂的部位，它的疲劳寿命也代表着整体结构的疲劳寿命。因此，在麦弗逊悬架模型的基础上，考虑横向稳定杆弹性变形会对动力学计算结果产生影响，分别建立刚体动力学模型和刚柔耦合多体动力学模型，对横向稳定杆的扭转刚度开展理论计算并进行有限元分析有着重要的意义。2麦弗逊悬架动力学模型简介2.1多体动力学概述多体系统动力学是在经典力学基础上发展而来的研究多体系统运动规律的一门学科。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。ADAMS软件是由美国MDI公司在多刚体系统动力学基础上开发出来的机械系统动力学软件，该软件不仅是世界上市场占有率最高的机械系统动力学软件，而且还是世界上最热门的研究方向—虚拟样机的代表。2.1.1多体系统动力学研究的发展计算机技术自其诞生以来，渗透到了科学计算和工程应用的几乎每一个领域。数值分析技术与传统力学的结合曾在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以ANSYS、NASTRAN等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析动力学分析以及控制系统分析上的应用，在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS和DADS为代表的动力学分析软件。结构有限元分析软件和动力学分析软件共同构成计算机辅助工程(CAE)技术的重要内容。多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。它是在经典力学基础上产生的新学科分支，在经典刚体系统动力学上的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个发展阶段，目前己趋于成熟。对于由多个刚体组成的复杂系统，理论上可以采用经典力学的方法，即以牛顿-欧拉方法为代表的矢量力学方法和以拉格朗日方程为代表的分析力学方法。这种方法对于单刚体或者少数几个刚体组成的系统是可行的，但随着刚体数目的增加，方程复杂度成倍增长，寻求其解析解往往是不可能的。后来由于计算机数值计算方法的出现，使得面向具体问题的程序数值方法成为求解复杂问题的一条可行道路，即针对具体的多刚体问题列出其数学方程，再编制数值计算程序进行求解。对于每一个具体的问题都要编制相应的程序进行求解，虽然可以得到合理的结果，但是这个过程长期的重复是让人不可忍受的，于是寻求一种适合计算机操作的程序化的建模和求解方法变得迫切需要了。20世纪60年代初期，在航天领域和机械领域，分别展开了对于多刚体系统动力学的研究，并且形成了不同派别的研究方法。最具代表性的几种方法是罗伯森-维滕堡方法、凯恩方法、旋量方法和变分方法[13]。20世纪80年代，多体系统动力学的研究重点由多刚体系统走向侧重多柔体系统，柔性多体系统动力学成为计算多体系统动力学的重要内容[14]。柔性多体系统动力学在20世纪70年代逐渐引起人们的注意，一些系统如高速车辆、机器人、航天器、高速机构、精密机械等其中柔性体的变形对系统的动力学行为产生很大影响。二十多年来柔性多体系统动力学一直是研究热点，这期间产生了许多新的概念和方法，有浮动标架法、运动一弹性动力学方法、有限元方法以及最新提出的绝对节点坐标法等，其中浮动标架法最早是在航天领域研究中提出来的。计算多体系统动力学的产生极大地改变了传统机构动力学分析的面貌，使工程师从传统的手工计算中解放了出来，只需根据实际情况建立合适的模型，就可由计算机自动求解，并可提供丰富的结果分析和利用手段;对于原来不可能求解或求解极为困难的大型复杂问题，现可利用计算机的强大计算功能顺利求解;而且现在的动力学分析软件提供了与其它工程辅助设计或分析软件的强大接口功能，它与其它工程辅助设计和分析软件一起提供了完整的计算机辅助工程(CAE)技术。2.1.2多体系统动力学研究的方法以欧拉为代表的经典刚体动力学发展至今己有二百多年了。两个世纪以来，经典刚体动力学在天体运动研究、陀螺理论及简单机构的定点运动研究等方面，取得了众多的成果。但由于现代工程技术中，大多数实际问题的对象是由多个物体组成的复杂系统，要对它们进行运动学和动力学分析，仅靠古典的理论和方法己很难解决，迫切地需要发展新的理论来完成这个任务。六十年代未至七十年代初，美国R.E.罗伯森、T.R.凯恩，联邦德国的J.维登伯格，苏联的Ell.波波夫等人先后提出了各自的方法来解决这些复杂系统的动力学问题。他们的方法虽各不相同，但有一个共同的特点，所推导出的数学模型都适用于电子计算机进行建模和计算。于是将古典的刚体力学、分析力学与现代的电子计算机技术相结合的力学新分支—多刚体系统动力学便诞生了。多体系统动力学虽发展成许多方法体系，但它们的共同点是采用程序化的方法，利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题，由于建模、分析、综合都是由计算机完成的，这给多体系统动力学理论带来了很多优点[11]:(1)它适用对象广泛。由于多体系统动力学是由计算机按程序化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息，就可以对多种结构及多种联接方式的系统进行计算，因此其通用性强，同一程序可对各类复杂系统进行分析。(2)可计算大位移运动。多体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此即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，这更符合系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便，能够使计算结果更精确。(3)模型精度高。多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，例如对汽车悬架动力学分析而言，可将垂直方向、前后水平方向及横向的运动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。这为整个汽车系统的优化设计提供了理论基础。2.2麦弗逊悬架的结构分析2.2.1麦弗逊悬架的简化和假设为了方便运动学仿真模型的建立，在不影响对麦弗逊式悬架进行运动分析的清况下，对麦弗逊式悬架、车轮和转向系统可以进行如下简化和假设[20]:(1)悬架中所有杆件都认为是刚体，在车轮跳动和悬架运动过程中不发生变形;(2)车轮简化为刚体，不考虑其变形;(3)零部件之间的所有连接都简化为铰链，内部间隙不计;(4)各运动副内的摩擦力忽略不计。(5)车身相对于地面不动。2.2.2麦弗逊悬架的运动学分析模型根据2.2.1的假设和简化，可以将麦弗逊悬架、轮胎和转向系统部分部件简化为如图2-1所示的运动学分析模型[21]。1—车身;2—减振器上体;3—转向节总成(包括减振器下体、轮毂轴);4—转向横拉杆;5—转向齿条;6—横摆臂;7—车轮;图2-1麦弗逊悬架的运动学分析模型图中A点为减振器与车身的上安装点;B点为悬架转向横拉杆与转向节臂的铰接点;C点为转向横拉杆与转向节的铰接点;D点为轮心;E点为下摆臂与转向节铰接点;O点为下摆臂内铰接点，通过柱铰与车架相连，可看成旋转运动副;N点为轮胎接地点;M点为转向节轴线上的一个参考点。麦弗逊悬架系统(左右两侧)包括:车身1(一个)，减振器上体2(两个)，转向节总成3(两个)，转向横拉杆4(两个)，下摆臂6(两个)，转向齿条5(一个)，车轮7(两个)共12个部件组成。各部件之间的连接关系如下:减振器上体2上端通过万向节铰链与车身1的相连，它相对车身1可进行前后、左右两个方向的转动;转向节总成3通过圆柱副减振器上体2相连，它相对减振器上体2可以沿减振器轴线移动和转动;下摆臂6内端通过转动副O与车身相连，使其相对于车身上下摆动;下摆臂6外端通过球铰与转向节总成3连接;转向横拉杆4内端通过万向节铰链与转向齿条5相连，约束了其绕自身轴线的转动;转向横拉杆4外端通过球铰与转向节总成3连接;转向齿条5通过移动副与车身相连，它可相对车身左右移动。2.3建模思路及相关软件在ADAMS软件中建立模型时，其部件的生成方式主要有两种:一种是使用ADAMS软件自身提供的模块进行模型零件的创建，如其核心模块ADAMS/View提供了较为丰富的几何体建模工具，ADAMS/Car则提供了各类模板来搭建整车模型。另一种方式是先在其他三维造型软件(如Pro/E、UG、CATIA及Solidworks等)中进行实体建模，而后再以一定的文件格式导入到ADAMS中。相比较于一些专业的CAD软件而言，ADAMS对几何体的建模能力并不是很强，所建模型零件的外部特征不够精确，外形也不够逼真，而且所需参与计算的质量、转动惯量等数据常常需要手工定义。因此本文采用第二种方式进行建模，即先在专业的三维CAD软件中进行零件的实体建模，而后通过第三方软件将模型导入到ADAMS中，并在ADAMS中完善模型。CATIA(Computer-graphicsAidedThree-dimensionalInteractiveApplication)是法国Dassault公司于1975年起开始发展的一套完整的3DCAD/CAE/CAM一体化软件，被广泛应用于航空航天、汽车、机械等各行各业。SimDesigner是MSC公司专门为CATIA开发的SimDesignerforCATIAV5products产品系列，SimDesigner系列产品实现了ADAMS强大的分析功能与CATIAV5环境的无缝集成，在SimDesigner中搭建好的模型可以输出成ADAMS所需的cmd格式，并在ADAMS环境下面导入，继续在ADAMS中进行模型的完善、仿真与分析。采用此种方法建模的好处在于[21]:(1)在CATIA中的实体建模可以得到逼真的零件外形及符合实际的零件基本属性信息(如质量，转动惯量等)。(2)使用SimDesigner可以无损的把在CATIA中建立的模型完整的导入到ADAMS中。(3)在ADAMS/View中进行模型的仿真分析，可以充分利用该模块所提供的三种类型的参数化分析方法包对模型进行优化分析工作，这三种工具为:设计研究(DesignStudy)、试验设计(DOE:DesignOfExperiments)和优化分析(Optimization)。当然此种方法也有不足之处，即必须在ADAMS/View中重新定义模型的参数化点，然后才能够进行对模型的优化工作。3横向稳定杆动力学模型3.1前言多体系统动力学领域内的多体系统，根据系统中零部件的力学特性可以划分为多刚体系统、多柔体系统和刚柔耦合多体动力学系统。多刚体系统不考虑系统中零部件承受载荷后发生的弹性变形，认为零部件为刚体构件。这种方法适用于工作状态速度较低，零部件发生的弹性变形较小的系统，其变形对动力学计算结果不会造成明显影响。由于横向稳定杆在汽车行驶过程中会发生弹性变形，并对悬架动力学计算结果产生影响，为保证悬架系统动力学模型分析结果的精度，因此必须对横向稳定杆进行简化，来完成悬架刚体动力学建模。因此本文主要运用了理论方法和有限元方法计算横向稳定杆扭转刚度，为完成前悬架刚体动力学建模做准备工作。3.2横向稳定杆模型简化在悬架系统中，横向稳定杆是一个在汽车行驶过程中会发生较大弹性变形的零件，其三维模型图如图1-3所示。横向稳定杆通常安装在汽车前端或后端，杆身两端通过套筒支撑在车架上。但汽车遇到路面不平或转弯发生侧倾时，横向稳定杆两端向相反方向运动，稳定杆杆身发生扭转，其弹性恢复力矩抑制扭转变形，因而减少了车身的倾斜。通常为了考虑横向稳定杆发生弹性变形对动力学计算结果的影响，一般在刚体动力学模型中对横向稳定杆进行简化，将其处理为有限个刚体元，中间以扭转弹簧或铁木辛科梁连接，通过定义相关属性将横向稳定杆弹性变形的影响在动力学计算的过程中加以考虑。横向稳定杆的简化模型如图3-1所示。1-橡胶衬套2-左稳定杆3-扭转弹簧4-右稳定杆5-耦合杆图3-1简化横向稳定杆扭转弹簧刚度是保证横向稳定杆简化模型准确性的关键。确定横向稳定杆扭转弹簧刚度主要有三种方法，分别是试验测定、理论计算和有限元分析。本文分别采用理论计算和有限元分析两种方法确定横向稳定杆扭转弹簧刚度，使横向稳定杆刚体简化模型更加确切的体现对车身侧倾的抑制作用。3.3横向稳定扭转刚度理论计算根据材料力学相关理论，对横向稳定杆扭转刚度进行计算。横向稳定杆为实心圆形截面，形状较为复杂，为方便计算将其转化为规则形状，其结构示意图如图3-2所示。忽略横向稳定杆弯曲处过渡圆角对弹性变形的影响，并认为支撑点位于图中的B点和C点，E点为BC段中点。另外，由于车身侧倾角一般较小，故假定A、D两点相对于BC的位移属于弹性小变形范围内