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文档简介

1、摘要悬架作为汽车的重要总成之一,其作用是用来传递车架和车桥之间的力和力矩,缓冲不平路面所带来的冲击,以保证汽车能比较平顺的行驶。随着科学技术的飞速发展,人们对汽车性能的要求变高,汽车的行驶平顺性已经成为各大汽车制造厂商为提升产品竞争力所越来越重视的一项性能指标。传统的分析方法已经跟不上汽车飞速发展的脚步,虚拟样机技术的应用变得愈发重要,通过动力学仿真软件 ADAMS 可以对汽车性能进行高效的研究。本文首先描述了课题研究的背景,对汽车平顺性和虚拟样机技术的发展历程进行概述,然后对多体动力学理论和动力学自动分析软件 ADAMS 进行了介绍。接着对麦弗逊式独立悬架的结构进行分析,以此为基础在 ADM

2、AS/Car 中建立麦弗逊前独立悬架的简化仿真模型,在软件中分别进行双轮同向和双轮反向激振情况下的悬架运动学仿真,根据仿真分析结果得到不符合设计要求的车轮定位参数,并以此定位参数的优化设计为目标,运用 ADAMS/Insight 的 DOE 试验设计功能找出对此定位参数影响较大的悬架结构设计硬点,并比较优化前后的仿真分析结果,对优化目标进行验证。最后在 ADMAS/Car 中建立双横臂式后独立悬架、转向系统、前后车轮、车身以及动力系统的虚拟仿真模型,在 ADAMS/Car Ride 模块中选择四柱振动试验台和各总成系统组装成整车虚拟样机模型;介绍国内外的平顺性评价方法,依据 GB/T 4970

3、2009 的要求在 ADAMS/Car Ride 中生成所需路面,对整车进行随机输入和三角形脉冲输入路面下的平顺性仿真,根据仿真分析的结果对整车平顺性进行评价。全文以在 ADAMS 中所建立的模型为基础,初步实现了在计算机上对汽车悬架性能和整车平顺性的仿真分析,对于汽车制造厂商在产品研发过程中缩短设计周期、降低开发成本和提高产品质量都有非常重要的意义。关键词:虚拟样机技术,悬架参数优化设计,平顺性,ADAMSIIAbstractAs an important assembly of automobile, suspension is to transfer the force and torq

4、ue between the frame and the axle, buffering the impact of uneven pavement, so as to ensure cars to drive smooth. With the rapid development of science and technology peoples request to automobile performance becomes higher, the ride-ability of vehicle has become a very important performance metrics

5、 when the car is in the development stage. The traditional method of analysis has not kept up with the rapid pace of development of automobile, the application of virtual prototype technology becomes more and more important, developers can do research on vehicle performance efficient through the dyn

6、amics simulation software of ADAMS.This paper first describes the research background, the development of ride-ability and virtual prototype technology, and detail the theory of multi-bodied dynamics and the dynamics simulation software of ADAMS.Then analysis the structural of the McPherson suspensi

7、on, establish a simplified model of McPherson suspension in the module of ADMAS/Car, and do the kinematics simulation of suspension in the excitation of parallel wheel travel and opposite wheel travel. According to the results of simulation, we get the wheel alignment parameter which is not up to th

8、e requirement of design. Taking this parameter as the target, we use the DOE function of ADAMS/Insight to modify the coordinate of hard point that is associated with the parameter. By comparing the results before and after, it verifies the feasibility of this method.At last, establish the double wis

9、hbone suspension、steering system、powersystems 、 wheels and body by ADAMS, and get the virtual prototype model of the vehicle by get those parts and Four Post TestRig together in the module of Ride. The evaluation methods of ride-ability at home and abroad are introduced detailed. Generate the needed

10、 pavement according to GB/T 4970 2009, and do the ride-ability simulation of the vehicle on the random road and the pulse road, finally evaluate the ride-ability according to the results.Based on the model, the paper achieved the goal that preliminary simulationanalysis of the performance of suspens

11、ion and the ride-ability. This method has very important significance, it can shorten design cycle 、 lower cost and improve product quality in the development stages.Key words : Virtual Prototyping Technology, Optimal Design of Suspension Parameters, Ride-ability, ADAMSV目录摘要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 研

12、究背景及意义11.2 虚拟样机技术21.3 平顺性国内外研究现状21.4 研究内容3第 2 章 多体动力学理论及 ADAMS 软件介绍52.1 多体动力学介绍52.2 虚拟样机技术介绍62.3 ADAMS 软件介绍82.4 ADAMS 软件算法原理82.4.1 广义坐标选择82.4.2 自由度的计算92.4.3 初始条件102.4.4 ADAMS 动力学分析122.4.5 ADAMS 运动学分析132.5 轿车模块 ADAMS/car 介绍132.6 ADAMS/Car ride 模块介绍162.7 ADAMS/Insight 模块介绍162.8 小结18第 3 章 麦弗逊式前悬架模型建立19

13、3.1 麦弗逊式前悬架结构分析193.2 麦弗逊式前悬架虚拟样机建模203.2.1 确定硬点坐标213.2.2 创建几何模型213.2.4 建立通讯器233.2.5 建立悬架总成模型243.3 小结25第 4 章前悬架仿真及参数优化设计264.1 初步仿真分析264.1.1 双轮同向垂直跳动分析264.1.2 双轮反向垂直跳动分析314.2 车轮定位参数的优化334.2.1 ADAMS 参数化分析方法介绍334.2.2 设计变量灵敏度分析344.2.3 定位参数优化设计374.3 小结40第 5 章整车模型建立415.1 前悬架模型415.2 后悬架建模415.3 转向系建模425.4 轮胎模

14、型425.5 车身模型445.6 动力系统建模455.7 整车总成模型装配465.8 小结46第 6 章整车平顺性仿真分析476.1 平顺性评价方法介绍486.2 随机输入路面下的平顺性评价标准506.3 随机输入路面下的平顺性分析516.3.1 路面生成原理516.3.2 随机输入路面的建立526.3.3 随机路面下的仿真536.3.4 随机路面下的仿真结果分析546.4 脉冲输入路面下的平顺性评价标准586.5 三角形凸块脉冲输入路面下的平顺性分析596.5.1 三角形凸块路面的建立596.5.2 凸块路面下的仿真分析596.6 小结61第 7 章总结和展望637.1 总结637.2 展望

15、63致谢65参考文献66研究生期间论文发表情况69第 1 章绪论1.1 研究背景及意义作为汽车的重要组成部分,悬架的作用是将承载式车身与车轮弹性的连接起来。悬架的任务包括约束车架和车桥之间的相对运动关系,传递作用在车架和车轮之间的力和力矩,缓和因路面不平而传递到车架的冲击,衰减起承载作用部件上的振动,进而确保汽车的整车安全行驶。悬架性能的优劣影响着轮胎的磨损情况和使用寿命,同时也对整车的舒适性、制动性和操纵性等重要的汽车性能指标有着非常大的影响,正因为如此,悬架一直都是汽车设计人员重点关注的对象。汽车的平顺性是指以一定的速度行驶时,保证乘员不会因振动而感觉不舒服劳,以及保持所装载的货物能完整无

16、损的性能。作为汽车的主要性能之一, 平顺性不单单与乘员的舒适感有这关系,它还影响着汽车的其它性能,例如操纵稳定性、动力学以及驾驶的可靠性等性能。对于乘员来说,良好的平顺舒适性可以给人带来一个轻松愉悦的环境,有效的减轻长时间旅行所带来的疲惫感。对于驾驶人员而言,平顺性的优劣直接关系着个人的身心及工作状态,甚至是人身安全问题。当进行长时间的驾驶操作时,若平顺性欠佳,驾驶员的疲惫问题会比较突出,进而导致不能保持注意力的集中,引发交通事故的可能性变大, 乘员和所装载货物的安全都不能得到有效的保证;相反,若平顺性优越则可以使的驾驶变得轻松舒适,降低发生事故的概率。从这些方面来看,平顺性研究的意义至关重大

17、,我们应该不断的其进行更加广泛和深入的研究,以满足汽车发展的要求。汽车在设计过程中,由于其结构的复杂性,除了悬架部件和平顺性能要重点考虑外,还有很多需要注意的方面,新产品的样车往往需要经过多次的重复制作和试验才能定下最终方案,对于技术含量较高的高档汽车来说,这个过程更加复杂。在汽车开发设计阶段采用虚拟样机技术进行建模和仿真,可以完成对汽车的辅助设计,有效提高设计效率。自 20 世纪 90 年代中期以来,该技术和数字化设计已经在世界范围内得到广泛的发展,日益成为汽车开发设计的潮流选择。运用虚拟样机技术进行虚拟设计和试验,可以很大程度上简化悬架等系统的开发流程,降低研发成本,缩短研发时间,同时也可

18、以对系统性能进行37研究以获得最优设计产品,提高产品质量。1.2 虚拟样机技术虚拟样机技术是指利用计算机建立可以用来替代实际物理产品的模型,以此对产品的设计、生产、销售和服务等阶段的状态进行模拟、测试和分析。运用虚拟样机技术,通过建立完整的汽车仿真模型并对其进行试验分析, 可以得到整车性能与相关的结构参数之间的规律,从而进行性能预测和可行性研究;在实际样机制造出来之前还根据仿真结果进行优化设计。通过对模型的虚拟试验,可以减少试验试制的次数,缩短设计周期,降低成本;同时还能进行事故模拟的研究和危险性工况下的替代试验。国外很早就已经开始进行运用虚拟技术建立数字模型来替换真实模型,以此来对汽车进行试

19、验和设计的研究,并取得了骄人的成果。1972 年,通用公司首先开发了通用预测程序 GPSIM,它能够模拟汽车在绝大多数工况下的累计和瞬时油耗,预测空气阻力系数、质量和传动比等汽车设计参数,并能得到这些参数变化对汽车的动力性和燃油经济性产生的影响。在操纵稳定性方面,美国北卡大学开展了对驾驶员虚拟环境的模拟研究,其成果具有相当的应用价值。另外,美国 MDI 公司开发了整车虚拟设计软件包用于快速构建高精度的包括悬架、动力系和车身等系统的汽车模型,该软件包可以通过仿真得到各个试验工况下的动力学响应,输出可以对平顺性、操纵稳定性等性能进行评价的特征参数。在国内关于整车性能虚拟仿真的研究相对比较迟缓一些,

20、但是也有了一定的发展。吉林大学动态模拟实验室以人一车一环境系统为出发点,对汽车的主动安全性进行了全工况的仿真研究,主要包括运动模拟系统、视景模拟系统、声效模拟系统和主控台等方面的内容,该系统能比较精确的模拟驾驶员行为, 具有实际汽车试验场所不具有的优势。1.3 平顺性国内外研究现状作为平顺性研究的一项重要内容,人们对平顺性评价方法作了大量工作, 在此基础上产生了主观评价和客观评价两种方法。国际标准化组织在 1978 年制定了 ISO2631 人体承受全身振动评价指南,该标准的推出把以往简单地通过零件振动响应评价平顺性的方法发展到“人车路”系统的水平上,并先后对此标准做了多次的改进和完善工作,使

21、得能够更好的符合实际情况。国内在 70 年代后期开始进行平顺性评价标准的制定,并参照 IS02631制定了GB4970 和GB5902 ,分别对应于随机输入路面和脉冲输入路面工况下的平顺性试验方法。另外,在主观评价的领域,一些科学家提出将神经网络和模糊数学等理论引入平顺性评价的研究中,以利于得到相应的定量指标。进入 20 世纪 90 年代之后,随着汽车试验研究工作以及基础理论的飞速发展,通过多体动力学仿真分析软件 ADAMS 对汽车平顺性的研究也越来越多。2003 年华中科技大学杨波等人运用模态分析法和弹性梁弯曲振动理论建立了多轴汽车柔性模型,通过对不同车速下的道路和仿真试验的结果进行比较,验

22、证了所提出的平顺性分析方法的可行性。2006 年周云波等人建立国标路面谱下的典型路面 AR 模型,并利用周期图法对其进行了谱分析,由得到的随机路面谱在ADAMS 中建立了路面模型。2010 年江苏大学薛念文等人进行了在 ADAMS 和MATLAB 环境下的联合仿真,将在 ADAMS 里建立的虚拟模型导入至 MATALB 中,并创建了模糊控制器模型,为车辆平顺性的研究提供了一种新的方法。可以看出,近年来国内外在汽车平顺性上的研究都有了不错的发展,利用虚拟样机技术来研究汽车平顺性已成为一种趋势。1.4 研究内容本文以动力学分析软件 ADAMS 为平台,利用多体动力学理论和虚拟样机技术,对某轿车的悬

23、架相关性能和整车平顺性进行了研究,内容主要包括以下几点:1) 对麦弗逊式独立悬架的结构进行了分析,以此为基础在 ADAMS/CAR 中建立了前悬架模型,并通过运动学仿真得到了车轮定位参数对车轮跳动量的影响规律,分析各悬架定位参数的设计合理与否,找出需改善的参数;2) 利用 ADAMS/Insight 的 DOE 设计试验功能找出与不合理的定位参数影响最大的悬架模型关键点坐标,并通过优化设计得出最佳的关键点坐标值,对坐标值改进前后的仿真进行比较,结果表明不合理的定位参数变化情况得到改善;3) 建立包括悬架、传动系和车身等系统等在内的整车仿真模型,根据国标的试验规范要求对悬架参数改进前后的整车虚拟

24、样机进行随机路面、脉冲输入路面的平顺性仿真,并对平顺性指标进行评价和对比分析。第 2 章 多体动力学理论及 ADAMS 软件介绍2.1 多体动力学介绍通过各种各样的运动副连接起来的多个物体组成的复杂机械系统称为多体系统,多体系统动力学是在传统经典力学的基础上产生及发展起来的一种新的学科研究分支,其研究对象是复杂的机械系统,目的是应用计算机技术对其进行动力学分析和仿真。随着计算机技术的不断发展和应用,多体动力学经历了多刚体和计算多体这两个不同但却又密切相关的发展阶段,目前多体系统动力学的发展已趋于成熟。由于多刚体系统动力学的研究对象是由多个刚体组成,它们之间通过约束进行连接,约束的种类有很多种,

25、包括非定常和定常约束,非完整和理想完整约束等等。同时为了动力学研究的合理性和准确性,需要建立一系列的运动学方程、能量表达式等公式来反映系统真实的状态。多刚体组成的复杂机械系统理论上采用以拉格朗日方法为代表的分析力学和以牛顿欧拉方程为代表的矢量力学这两种经典力学方法来研究是可行的, 但是刚体数目的增多会使得建立的求解方程越来越复杂,到达某一程度后往往无法解析出这些方程组。这时计算机技术的发展为求解复杂机械系统问题提供了一种可行的方法,即通过计算机数值计算方法编制计算程序求解实际复杂情况下的数学方程组,针对机械系统中出现的各个具体问题,编制对应的程序来解析。相对于传统的计算方法,这种方法的效率得到

26、显著提高,结果的合理性也能得到有效保证,但是对于比较复杂的系统,这种简单解析思路所带来的长期重复性计算过程越来越不能满足工程师们的要求。20 世纪 60 年代,在汽车和航天领域,通过计算机进行程序化建模和求解来解决多体系统动力学问题的方法开始发展起来,随着这种方法的日益成熟,效率相较之前的解析方法已不可同日而语,在此发展过程中,形成了以变分法、凯恩法、旋量法和罗伯森一维滕法这几种方法为代表的不同研究方向。随着多刚体求解方法的和计算机数值计算技术在控制系统分析和机械系统静力学、运动学、动力学分析中的不断应用和发展,在 20 世纪 80 年代终于形成了比较成熟的计算多体系统动力学。相应的动力学分析

27、软件也应运而生,其中以 DADS 和 ADAMS 软件为代表,它们属于计算机辅助工程技术的关键组成部分。2.2 虚拟样机技术介绍传统的新产品开发模式要经过设计、样机试验试制、改进和批量生产这几大步。然而用户需求的个性多样化、产品标准规范的发展使得市场竞争日益激烈,这就要求产品的设计和生产技术也要随之提高,这时,虚拟样机技术(virtual prototyping)就应运而生。虚拟样机技术是指利用计算机建立可以用来替代实际物理产品的模型,以此对产品的设计、生产、销售和服务等阶段的状态进行模拟、测试和分析。一般来说,虚拟样机技术至少应包含以下 3 部分内容:三维 CAD 模型,人与产品交互模型和可

28、支持多种仿真测试试验和分析的可视化用户接口模块。如图 2-1 为虚拟样机技术的系统结构图,从中可以看到, 以用户接口为核心,建立了一系列的模型和相关分析模块,从而组成一个可视化的仿真分析系统,设计人员可以通过用户接口得到所图 21 虚拟样机技术的系统结构需的系统信息,同时也能对模型进行有效的控制。通过上面的分析,相对于传统的设计方法,虚拟样机技术至少具有下面的几个优势:(1) 可针对物理样机进行辅助的设计方案验证和仿真测试;(2) 可以缩短产品研发阶段的周期;(3) 可有效降低研发成本;(4) 可以更加有效的在有限时间内进行多个设计方案的试验、比较和验证,以此确定更加合理的方案。以上这些都是传

29、统的只根据物理样机来进行设计的方法所无法比拟的优势。然而,虚拟样机技术毕竟属于一种新兴的技术,还有很多方面有待完善和发展,其缺陷主要体现在以下几个方面:(1) 产品的形状往往比较复杂,所以要想建立一个非常完整和准确的理想化模型是非常困难的。例如,在计算机里进行产品的动态响应研究是很复杂的, 这时如果与物理样机结合起来研究,就可以更好地掌握样机模型,同时还能增加虚拟模型的可信度。(2) 技术原理上的欠准确。由于没有能完美的取代实际情况的技术,所以在建模和仿真分析的过程中经常会有一些近似的替代操作。例如在用有限元分析的方法研究产品性能时,会将连续三维实体模型用小平面模型去代替,这种近似往往会造成结

30、果在原理上的误差;(3) 数据交换方法的不够完善。虚拟样机设计经常要在不同的设计软件之间进行数据的交换,这个过程中信息的丢失情况比较常见。另外,虚拟样机技术在维护性、制造性以及相互之间的关系方面的研究不够深入,导致所对应的模型可信度不高,这也是该技术在应用阶段的瓶颈所在。然而尽管如此,虚拟样机技术在工业产品的设计过程中已经起到很大的作用, 发展势头也不错,其应用前景是非常令人看好的。运用虚拟样机技术,通过建立完整的汽车仿真模型并对其进行试验分析, 可以得到整车性能与相关的结构参数之间的规律,从而进行性能预测和可行性研究;在实际样机制造出来之前还根据仿真结果进行优化设计。通过对模型的虚拟试验,可

31、以减少试验试制的次数,缩短设计周期,降低成本;同时还能进行事故模拟的研究和危险性工况下的替代试验。国外很早就已经开始进行运用虚拟技术建立数字模型来替换真实模型,以此来对汽车进行试验和设计的研究,并取得了骄人的成果。1972 年,通用公司首先开发了通用预测程序 GPSIM,它能够模拟汽车在绝大多数工况下的累计和瞬时油耗,预测空气阻力系数、质量和传动比等汽车设计参数,并能得到这些参数变化对汽车的动力性和燃油经济性产生的影响。在操纵稳定性方面,美国北卡大学开展了对驾驶员虚拟环境的模拟研究,其成果具有相当的应用价值。另外,美国 MDI 公司开发了整车虚拟设计软件包用于快速构建高精度的包括悬架、传动系、

32、动力系统和车身等系统的汽车模型,该软件包可以通过仿真得到各个试验工况下的动力学响应,输出可以对平顺性、操纵稳定性、制动性等性能进行评价的特征参数。在国内关于整车性能虚拟仿真的研究相对比较迟缓一些,但是也有了一定的发展。吉林大学动态模拟实验室以人一车一环境系统为出发点,对汽车的主动安全性进行了全工况的仿真研究,主要包括运动模拟系统、视景模拟系统、声效模拟系统和主控台等方面的内容,该系统能比较精确的模拟驾驶员行为, 具有实际汽车试验场所不具有的优势。2.3 ADAMS 软件介绍ADAMS 是一款由美国MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的机械系统动力学自动分析软件,

33、其全称是 Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems。ADAMS 软件目前已受到来自于全球范围内各行各业的亲睐,在汽车工业、航空航天、机械等领域都具有相当的权威性。一方面,ADAMS 软件可应用于机械系统动态仿真分析,通过交互式图形环境和各类子库的使用创建机械动力学系统的几何模型,再由仿真对机械系统的综合性能、运动空间、碰撞情况、载荷范围等进行评估。另一方面,ADAMS 软件还可用于机械系统仿真分析的二次开发工具,其多接口和开放性程序结构的特点,使得目前市场上主流的 CAD 软件(UG、PROE)和 CAE 软件(ANSYS、ABQUES)

34、等可以和 ADAMS 进行有效的数据交换,满足特殊行业用户的需求。在产品生产制造之前的开发阶段,通过 ADAMS 软件仿真来进行优化设计和试验分析,可以大量的缩短产品开发时间和降低研发经费,同时也为产品机械系统性能优化提供了一种高效的设计方法。ADAMS 软件包括工具模块、基本模块、接口模块及专业领域模块,用户可以根据自己的需要选用不同模块的组合,从而快速有效的建立产品的模型和进行机械系统动力学仿真分析。本文的模型建立和仿真分析过程中,主要用到的是专业领域模块中的 ADAMS/Car 模块,基本模块中的 ADAMS/Postprocessor 模块和 ADAMS/Insight 模块,另外平顺

35、性分析的主要工具是 ADAMS/Car 模块中的 ADAMS/Car ride 插件模块。2.4 ADAMS 软件算法原理在 ADAMS 软件中建立的动力学方程以多刚体系统动力学方法理论中的拉格朗日方程法为基础,采用笛卡尔广义坐标系,它是由确定系统中各个刚体方位的三个欧拉角和刚体质心在惯性坐标参考系中的三个直角坐标构成的坐标系。针对具有多余坐标的非完整或完整约束系统,用带乘子的拉格朗日方程导出笛卡尔坐标系下坐标变量的运动学方程。2.4.1 广义坐标选择广义坐标是动力学方程求解速度的重要影响因素。ADAMS 软件中采用的广义坐标基于反映刚体 i 方位的广义欧拉角和刚体 i 质心的笛卡尔坐标,即:

36、ii1nq = x,y,z,y,q,j T ,q = qT,L,qT T(2-1)由于这种广义坐标的非独立性,所建立的系统动力学方程属于变量较多的高度稀疏耦合微分方程,其适于用稀疏矩阵来进行高效求解。2.4.2 自由度的计算机构中所有构件可能的独立运动状态的数目称为机构的自由度(DOF),软件中常用运动副及约束数目见如 2-1 所示,单个系统的自由度可用下面的式子表示:j =1i =1其中:n系统中构件总数;q,x第 j 副运动副的约束条件数及运动副总数;p,m第 i 副原动机的约束条件数及原动机总数;T其他约束条件数。表 21 ADAMS 常用运动副及自由度约束数目xmDOF = 6n -

37、q j - pi - Tk(2-2)当 DOF0 时,机构的运动是由非保守力和保守力共同作用引起的,系统的构件的运动状态要同时满足给定的运动规律和约束的要求,对机构的分析属于动力学范围的分析,所建立的方程组是由约束方程和拉格朗日微分方程构成, 动力学分析包括准静力学分析、静力学分析和瞬态动力学分析。2.4.3 初始条件在进行各种动力学分析之前,首先要进行初始条件分析,通过解析相应的加速度、速度、位置参数目标函数的最小值得到,目的是协调初始系统模型中各部件的运动学约束和坐标之间的关系,确保所有的约束条件都能在系统中得到满足。(1)初始位置分析满足的约束最小化原则如下:Minimize : c =

38、1 (q - q )T W (q - q )200(2-3)Subject to : F(q) = 0式中:q笛卡尔坐标系下构件的广义坐标;W权重矩阵; q0用户输入值。(2-4)如果q0 是准确值,则对应的权重比例较大,在迭代中变化范围较小;如果q0 是近似值,则对应的权重比例较小;如果q0 是程序所设定,定义 W 为零矩阵。利用拉格朗日乘子可将上式表达的约束最小化问题转变为如下所示极值问题:L = 1 (q - q)T W (q - q) + F(q)T l(2-5)2若 L 取最小值,由L = 000L = 0 得, qlF TW (q - q0 ) + q f(q) = 0l = 0(

39、2-6)由于约束函数中广义坐标的存在使得方程为非线性方程,故需要用 NewtonRaphson 方法迭代求解,方程如下:F T W F T q Dq = W (q - q0 ) + q l (2-7) Dl F 0 f(q) q(2)初始速度分析满足的约束最小化原则如下:Minimize : c = 1 - T - (2-8)2 (q q0 ) W (q q0 )Subject to : F + F = 0(2-9)qqt其中: q0 为使用者自定的初始速度准确值或近似值,或者表示程序默认的速度值;W 为q0 相应的权重系数矩阵。T同样利用拉格朗日乘子可将上式表达的约束最小化问题转变为如下所示

40、极值问题:L = 1 - T - + l F + F (2-10)2 (q q0 )W (q q0 ) q qt 当 L 取最小值时得: F TW (q- q0 ) + q l = 0(2-11) qF Fq+ t = 0表达为矩阵形式:F T W q W q0 q = F (2-12)F l - q0 t 此线性方程组是关于 q ,l 的方程,其中非零项已经分解开来,方程的系数矩阵只与位置相关,所以对该方程组可以直接进行求解以得到 q , l 的值。(3)对于初始的拉格朗日乘子加速度进行分析时,可以直接由机械系统约束方程和动力学方程的两阶导数求解得到。2.4.4 ADAMS 动力学分析ADA

41、MS 软件中机械系统运动方程的建立通过拉格朗日乘子法来实现:TTdT T TTdt - q + f r +q m = Q(2-13) q qq非完整约束方程:q (q, q, t) = 0完整约束方程:f(q, t) = 0式中:Q广义力列阵; q系统广义坐标列阵; T系统功能;(2-14)(2-15)u对应于非完整约束的拉氏乘子列阵对应于完整约束的拉氏乘子列阵;。以上三个式子的一般形式可表达为:F q, u, u, l, t = 0G u, q = u - q = 0F(q, t) = 0式中: F 系统动力学的微分方程;G 用户定自定义的微分方程;(2-16)F 描述约束关系的代数方程列阵

42、;l,t 作用力及约束反力列阵;q,u 广义速度列阵。在进行系统的动力学分析时,ADAMS 软件通过两种算法来实现。第一种适用于模拟高频系统和特征值发生突变的系统,这种方法是通过提供 ARAM 积分算子来求解程序,程序中的独立坐标微分方程由坐标分离算法求解得到;第二种只适用于模拟系统特征值变化范围较大的刚性系统,这种方法提供了三种功能强大的变步长、变阶积分来求解稀疏耦合的非线性微分方程组:BDF 积分器,DSTIFF积分器和 GSTIFF 积分器。2.4.5 ADAMS 运动学分析运动学分析用来研究零自由度系统的约束反力、位置、速度和加速度的情况,所以可以通过以下系统约束方程来求解:F(q,t

43、n ) = 0由拉格朗日乘子方程确定任一 tn 时刻系统的约束反力:(2-17) F T T Tl = - d T +T + Q (2-18) q dt q q 采用牛顿拉普拉斯迭代方法对约束方程进行迭代,进而确定在 tn 时刻时的系统位置:FqDqj = -F(qj , tn )j(2-19)式中: j 代表第 j 次迭代, Dqj = qj+1 - qj 。对约束方程的一阶、二阶导数进行求解得到 tn 时刻的速度、加速度: F F q q = - t(2-20) F 2Fnn2F F F q q = - t2+ q qqk ql + t q q+ q t q(2-21)k =1 l =1k

44、l 2.5 轿车模块 ADAMS/car 介绍ADAMS/car 是专业领域模块里的一款专用于车辆建模的整车设计模块。最初这个模块是由各大知名汽车企业包括宝马 BMW 、沃尔沃 Volvo、奔驰 BenZ 和雷诺 Renault 等公司和美国 MDI 公司合作共同研发的整车开发软件包,集成了这些企业所属技术工程师在汽车研发中的丰富设计经验。同时为了达到能够快速高效建立整车虚拟样机的目的, MDI 公司在 ADAMS/Car 中融合了ADAMS/Postprocessor 后处理模块、ADAMS/Solver 解算器模块和 ADAMS/Tire 轮胎模块,以便于直观的得到平顺性、操纵稳定性和舒适

45、性相关的特征参数。在 ADAMS/Car 中设置不同的变量模拟汽车不同试验条件下的工况,通过动画就能直观地得出不同工况下的动力学响应。ADAMs/Car 软件基于模板进行模型建立和仿真分析的特点,有利于简化建模步骤和快速建模。模板建立之后,用户只需在其中根据产品数据输入相应的数值,就可以得到由悬架、动力机构、转向机构和轮胎等部件装配起来的整车虚拟样机。在软件建模过程中,包括以下几种类型的文件:(1) Property files,即属性文件,提供 ADAMs/Car 中组成模板的所有部件的基本属性参数,如轮胎模型类型、刚度、阻力系数等属性,减振器和弹簧的刚度和阻尼属性及其它部件的基本属性参数。

46、(2) Template,即模板文件,用来定义零部件之间的拓扑结构关系,基于模板的建模是 ADAMs/Car 最主要的特点,可看成是具有最简化结构的模型。另外正确的建立各个模板之间的通讯器也显得非常重要,它代表了装配模型各个子系统之间的连接关系。(3) Subsystems,即子系统文件,可看成是在模板的基础上建立起来的特殊模板,用户只能对模板的部分特性参数进行修改,如减振器和轮胎的阻尼属性,硬点坐标位置等信息。(4) Assemblies,即总成文件,是将 Testrig 试验台加在 Subsystem 子系统上而构成,Testrig 起到给模型施加激励的作用,是虚拟样机建模最关键的环节。为

47、了验证所建模型的准确性,需要对总成文件进行反复调试。ADAMS/Car 的模型按自下而上的顺序建立而成,以模板为基础建立子系统, 各个子系统装配起来构成总成分析模块,各类文件之间的结构关系如图 2-2:图 22 各类文件之间结构关系图ADAMS/Car 模块以得到模板的方式不同可划分为 standard 标准模式和template builder 模板建模器模式两种,不同模式下功能有所不同。标准模式下ADAMS/Car 给用户提供了丰富的标准模板以供使用,包括麦弗逊悬挂、刚性底盘和齿轮齿条转向系统等常用整车子模块,根据实际情况对其参数进行修改就可以快速得到符合需求的模板。模板建模器模式下,用户

48、就可以按需定义自己的模板,这样建立的模板模型可以更加精细和符合实际情况。还有一种直接将在其它软件里建好的三维模型直接导入的方法,通过 ADAMS/Car 的专用接口实现。在 ADAMS/Car 的建模思想中,模板是一切分析的基础,其质量对分析的准确性和效率起着决定性的作用,在 template builder 模板建模器模式下,用户可根据要求建立自定义的模板,用于更加精确和高效的对产品进行仿真,这个过程是相当复杂的,其大致的建模过程如下:(1) 简化物理模型。确定实际情况下部件之间的相对运动关系,定义其拓扑结构以对部件进行整合,无相对运动的可定义为一般部件。(2) 输入硬点坐标数据。硬点是表达

49、各部件之间装配关系的重要几何点。(3) 创建几何体模型。几何体是建立在硬点基础上的模型,虽然其形状对动力学仿真分析没有影响,但部件的轮廓直接影响着机构的运动学校核,所以几何体外形还是要尽量接近实际情况。(4) 约束的定义。约束类型由部件之间的相互运动关系确定,部件之间通过约束连接起来从而构成模板模型。(5) 参数变量的定义。定义包括几何尺寸、运动、位置等常见的参数,便于在标准界面的子系统中对它们进行修改。(6) 通讯器的定义。建立通讯器用于与外部子系统进行连接,并对通讯器的类型、对称性等进行校核。在建立模板时,约束和通讯器的定义是关键所在,因为在模板构成的子系统里是不能对其进行修改,但是力、质

50、量特性则可以在子系统中修改。用户在模板的基础上创建出如轮胎、前后悬架、动力转向等汽车子系统,在标准界面模式中将这些相应的子系统组装起来,就能得到需要的总成系统模型,至此完成整个软件模块自下而上的建模过程。模型完成之后,用户就可以对总成模型在不同工况下进行试验设计和仿真分析,得到需要的试验数据和结果。当仿真分析结果与设计初衷及实际情况差别较大时,还可以在轿车模块的软件界面中对零部件的属性和参数变量如悬架子系统的硬点坐标位置、弹簧阻尼甚至悬架类型等进行快速修改,然后不断的重复仿真分析的过程,直至得到满意的数据和结果。这个过程完成以后,可以将相关的响应曲线和特性曲线输出来与他人共享。ADAMS/Ca

51、r 软件的使用可以快速提高产品研发设计阶段的工作效率,让工程师可以集中精力去研究影响汽车性能的因素,并在此基础对产品进行改进以寻求汽车的最佳性能。2.6 ADAMS/Car ride 模块介绍Ride 模块是在 ADAMS/Car 中自 ADAMS2003 版本以来才有的即插即用模块。其目的是为了将汽车数字化仿真分析从单进行操作稳定性试验扩展到从操纵稳定性和平顺性多方面来进行试验研究,该平顺性虚拟环境是 MSC 公司和全球主要汽车制造商共同合作开发出来。作为 ADAMS/Car 模块的插件,Ride 不能脱离 ADAMS/Car 界面单独运行; Ride 的使用必须以一个符合 ADAMS/Ca

52、r 规范的子系统数据库或者模型为基础; Ride 包含汽车平顺性分析的建模、试验以及后处理所需单元、事件和模型的定义,只要系统中的零部件参数被指定,就可以基于组建起来的试验台对系统平顺性进行研究。用户已建立起来的能够装配成整车模型的各个子系统或者一个完整的整车模型是使用 Ride 模块进行平顺性分析的前提,在整车模型的基础上加上四柱试验台就可以对汽车的平顺性和操纵稳定性进行仿真研究。针对某一具体汽车原型,用户使用单个数据库,只需建立一次整车模型就可以用以完成一系列自己所需要的平顺性和操纵稳定性方面的研究。另外,需要指出的是用于仿真分析的装配模型中已经包含了相应的试验台,如果没有这些试验台,在软

53、件中就无法进行仿真,所以说软件中数据库信息的共享是在子系统层级上的信息共享。在进行某一具体整车仿真分析时,整车装配组合必须至少包含车身、前后轮胎、前后悬挂、转向系统这 6 个子系统。ADAMS/Car Ride 虽然可以和 ADAMS/Vibration 一样对汽车进行振动响应分析,但是 Ride 中用以完成振动动作的四柱试验台有着一定的特殊性,它只提供垂直方向的振动,Ride 用户在软件设置界面上对车速参数进行定义之后就可以借助于此四柱试验台对汽车在不同路面上行驶时的情况进行仿真分析,这种方法使得对路面功率谱密度 PSD(power spectral density)响应进行研究变得比较容易,即使在 ADAMS/Vibration 中也存在 PSD 响应输入的交叉

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