摘 要 懸架 作為汽車的 重要總成之一 ，其作用是 用來傳遞車 架和車橋之 間的力和力矩 ，緩沖不平路 面所帶來的沖 擊，以保證汽 車能比較 平順的行駛。 隨著科學(xué)技術(shù) 的飛速發(fā)展， 人們對(duì)汽車性 能的要求變高 ，汽車的 行駛平順性已 經(jīng)成為各大汽 車制造廠商為 提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng) 力所越來越重 視的一項(xiàng) 性能指標(biāo)。傳 統(tǒng)的分析方法 已經(jīng)跟不上汽 車飛速發(fā)展的 腳步，虛擬樣 機(jī)技術(shù)的 應(yīng)用變得愈發(fā) 重要，通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS 可以對(duì)汽車性能進(jìn)行高效的研究。本文首先描述了課題研究的背景，對(duì)汽車平順性和虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行概述，然后對(duì)多體動(dòng)力學(xué)理論和動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件 ADAMS 進(jìn)行了介紹。接著對(duì)麥弗遜式獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)在 ADMAS/Car 中建立麥 弗遜前獨(dú)立懸 架的簡(jiǎn)化仿真 模型，在軟件 中分別進(jìn) 行雙輪同向和 雙輪反向激振 情況下的懸架 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真， 根據(jù)仿真分析 結(jié)果得到 不符合設(shè)計(jì)要 求的車輪定位參數(shù)，并以此定位參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，運(yùn)用 ADAMS/Insight 的 DOE 試驗(yàn)設(shè) 計(jì)功能找出對(duì) 此定位參數(shù)影 響較大的懸架 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬點(diǎn)，并比較 優(yōu)化前后的仿真分析結(jié)果，對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。最后在 ADMAS/Car 中建立雙橫臂式后獨(dú)立懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后車輪、車身以及動(dòng)力系統(tǒng)的虛擬仿真模型，在 ADAMS/Car Ride 模塊中選擇四柱振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和 各總成系統(tǒng)組 裝成整車虛擬 樣機(jī)模型；介 紹國(guó)內(nèi)外 的平順性評(píng)價(jià) 方法，依據(jù) GB/T 49702009 的要求在 ADAMS/Car Ride 中生成所需路面，對(duì)整車進(jìn)行隨機(jī)輸 入和三角形脈 沖輸入路面下 的平順性仿真 ，根據(jù)仿 真分析的結(jié)果 對(duì)整車平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)。全文以在 ADAMS 中所建立的模型為基礎(chǔ)，初步實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上對(duì)汽車懸架 性能和整車平 順性的仿真分 析，對(duì)于汽車 制造廠商 在產(chǎn)品研發(fā)過 程中縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量都有非常重要的意義。關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù)，懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，平順性，ADAMS I Abstract As an important assembly of automobile, suspension is to transfer the force and torque 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 people's request to automobile per formance becomes higher, the ride-ability of vehicle has become a very important performance metrics 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 dynamics 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 mu lti-bodied dynamics and the dynamics simulation software of ADAMS. Then analysis the structural of the McPherson suspen sion, 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 the 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 wishbone suspension 、steering system、power systems、wheels and body by ADAMS, and get the virtual prototype model of thevehicle 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 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 simulation II analysis of the performance of suspension 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, ADAMSIII 目錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù) 2 1.3 平順性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4 研究?jī)?nèi)容 3 第 2 章 多體動(dòng)力學(xué)理論及 ADAMS 軟件介紹 . 5 2.1 多體動(dòng)力學(xué)介紹 5 2.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹 6 2.3 ADAMS 軟件介紹 8 2.4 ADAMS 軟件算法原理 8 2.4.1 廣義坐標(biāo)選擇 . 8 2.4.2 自由度的計(jì)算 . 9 2.4.3 初始條件 . 10 2.4.4 ADAMS 動(dòng)力學(xué)分析 . 12 2.4.5 ADAMS 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . 13 2.5 轎車模塊 ADAMS/car 介紹 13 2.6 ADAMS/Car ride 模塊介紹 16 2.7 ADAMS/Insight 模塊介紹 16 2.8 小結(jié) 18 第 3 章 麥弗遜式前懸架模型建立 . 19 3.1 麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)分析 19 3.2 麥弗遜式前懸架虛擬樣機(jī)建模 20 3.2.1 確定硬點(diǎn)坐標(biāo) . 21 3.2.2 創(chuàng)建幾何模型 . 21 3.2.4 建立通訊器 . 23 3.2.5 建立懸架總成模型 . 24 3.3 小結(jié) 25 第 4 章 前懸架仿真及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 26 4.1 初步仿真分析 26 4.1.1 雙輪同向垂直跳動(dòng)分析 26 4.1.2 雙輪反向垂直跳動(dòng)分析 31 4.2 車輪定位參數(shù)的優(yōu)化 33 4.2.1 ADAMS 參數(shù)化分析方法介紹 . 33 4.2.2 設(shè)計(jì)變量靈敏度分析 34 IV 4.2.3 定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) . 37 4.3 小結(jié) 40 第 5 章 整車模型建立 . 41 5.1 前懸架模型 41 5.2 后懸架建模 41 5.3 轉(zhuǎn)向系建模 42 5.4 輪胎模型 42 5.5 車身模型 44 5.6 動(dòng)力系統(tǒng)建模 45 5.7 整車總成模型裝配 46 5.8 小結(jié) 46 第 6 章 整車平順性仿真分析 . 47 6.1 平順性評(píng)價(jià)方法介紹 48 6.2 隨機(jī)輸入路面下的平順性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 50 6.3 隨機(jī)輸入路面下的平順性分析 51 6.3.1 路面生成原理 . 51 6.3.2 隨機(jī)輸入路面的建立 52 6.3.3 隨機(jī)路面下的仿真 . 53 6.3.4 隨機(jī)路面下的仿真結(jié)果分析 54 6.4 脈沖輸入路面下的平順性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 58 6.5 三角形凸塊脈沖輸入路面下的平順性分析 59 6.5.1 三角形凸塊路面的建立 59 6.5.2 凸塊路面下的仿真分析 59 6.6 小結(jié) 61 第 7 章 總結(jié)和展望 . 63 7.1 總結(jié) 63 7.2 展望 63 致 謝 . 65 參考文獻(xiàn) . 66 研究生期間論文發(fā)表情況 . 69 V 第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義 作為 汽車的重要 組成部分，懸 架的作用是 將承載式車 身與車輪彈 性的連接起來 。懸架的任務(wù) 包括約束車 架和車橋之間 的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 關(guān)系，傳遞作 用在車架和車 輪之間的力和 力矩，緩和 因路面不平而 傳遞到車架 的沖擊，衰減 起承載作用部 件上的振動(dòng)， 進(jìn)而確保汽 車的整車安全 行駛。懸架 性能的優(yōu)劣影 響著輪胎的磨 損情況和使用 壽命，同時(shí) 也對(duì)整車的舒 適性、制動(dòng) 性和操縱性等 重要的汽車性 能指標(biāo)有著非 常大的影響 ，正因?yàn)槿绱?，懸架一直 都是汽車設(shè)計(jì) 人員重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。 汽車 的平順性是 指以一定的 速度行駛時(shí)， 保證乘員不 會(huì)因振動(dòng)而 感覺不舒服勞 ，以及保持所 裝載的貨物 能完整無損的 性能。作為 汽車的主要性 能之一，平順 性不單單與乘 員的舒適感 有這關(guān)系，它 還影響著汽 車的其它性能 ，例如操縱穩(wěn) 定性、動(dòng)力學(xué) 以及駕駛的 可靠性等性能 。對(duì)于乘員 來說，良好的 平順舒適性可以給人帶來一個(gè)輕松愉悅的環(huán)境，有效的減輕長(zhǎng)時(shí)間旅行所帶來的疲憊感。對(duì)于 駕駛?cè)藛T而言 ，平順性的 優(yōu)劣直接關(guān)系 著個(gè)人的身 心及工作狀態(tài) ，甚至是人身 安全問題。當(dāng) 進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間 的駕駛操作時(shí) ，若平順性 欠佳，駕駛員 的疲憊問題會(huì)比較突出，進(jìn)而導(dǎo)致不能保持注意力的集中，引發(fā)交通事故的可能性變大，乘員 和所裝載貨物 的安全都不 能得到有效的 保證；相反 ，若平順性優(yōu) 越則可以使的 駕駛變得輕松 舒適，降低 發(fā)生事故的概 率。從這些 方面來看，平 順性研究的意 義至關(guān)重大， 我們應(yīng)該不 斷的其進(jìn)行更 加廣泛和深 入的研究，以 滿足汽車發(fā)展的要求。 汽車 在設(shè)計(jì)過程 中，由于其結(jié) 構(gòu)的復(fù)雜性 ，除了懸架 部件和平順 性能要重點(diǎn)考 慮外，還有很 多需要注意 的方面，新產(chǎn) 品的樣車往 往需要經(jīng)過多 次的重復(fù)制作 和試驗(yàn)才能定 下最終方案 ，對(duì)于技術(shù)含 量較高的高 檔汽車來說， 這個(gè)過程更加 復(fù)雜。在汽車 開發(fā)設(shè)計(jì)階 段采用虛擬樣 機(jī)技術(shù)進(jìn)行 建模和仿真， 可以完成對(duì)汽車的輔助設(shè)計(jì)，有效提高設(shè)計(jì)效率。自 20 世紀(jì) 90 年代中期以來，該技術(shù)和數(shù) 字化設(shè)計(jì)已經(jīng) 在世界范圍 內(nèi)得到廣泛的 發(fā)展，日益 成為汽車開發(fā) 設(shè)計(jì)的潮流選 擇。運(yùn)用虛擬 樣機(jī)技術(shù)進(jìn) 行虛擬設(shè)計(jì)和 試驗(yàn)，可以 很大程度上簡(jiǎn) 化懸架等系統(tǒng) 的開發(fā)流程， 降低研發(fā)成 本，縮短研發(fā) 時(shí)間，同時(shí) 也可以對(duì)系統(tǒng) 性能進(jìn)行1 研究以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù) 虛擬 樣機(jī)技術(shù)是 指利用計(jì)算機(jī) 建立可以用 來替代實(shí)際 物理產(chǎn)品的 模型，以此對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)等階段的狀態(tài)進(jìn)行模擬、測(cè)試和分析。 運(yùn)用 虛擬樣機(jī)技 術(shù)，通過建立 完整的汽車 仿真模型并 對(duì)其進(jìn)行試 驗(yàn)分析，可以 得到整車性能 與相關(guān)的結(jié) 構(gòu)參數(shù)之間的 規(guī)律，從而 進(jìn)行性能預(yù)測(cè) 和可行性研究 ；在實(shí)際樣機(jī) 制造出來之 前還根據(jù)仿真 結(jié)果進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)。通過 對(duì)模型的虛擬 試驗(yàn)，可以減 少試驗(yàn)試制 的次數(shù)，縮短 設(shè)計(jì)周期， 降低成本；同 時(shí)還能進(jìn)行事故模擬的研究和危險(xiǎn)性工況下的替代試驗(yàn)。 國(guó)外 很早就已經(jīng) 開始進(jìn)行運(yùn)用 虛擬技術(shù)建 立數(shù)字模型 來替換真實(shí) 模型，以此來對(duì)汽車進(jìn)行試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的研究，并取得了驕人的成果。1972 年，通用公司首先開發(fā)了通用預(yù)測(cè)程序 GPSIM，它能夠模擬汽車在絕大多數(shù)工況下的累計(jì)和瞬時(shí) 油耗，預(yù)測(cè)空 氣阻力系數(shù) 、質(zhì)量和傳動(dòng) 比等汽車設(shè) 計(jì)參數(shù)，并能 得到這些參數(shù) 變化對(duì)汽車的 動(dòng)力性和燃 油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生 的影響。在 操縱穩(wěn)定性方 面，美國(guó)北卡 大學(xué)開展了對(duì) 駕駛員虛擬 環(huán)境的模擬研 究，其成果 具有相當(dāng)?shù)膽?yīng) 用價(jià)值。另外，美國(guó) MDI 公司開發(fā)了整車虛擬設(shè)計(jì)軟件包用于快速構(gòu)建高精度的包括懸架、 動(dòng)力系和車身 等系統(tǒng)的汽 車模型，該軟 件包可以通 過仿真得到各 個(gè)試驗(yàn)工況下 的動(dòng)力學(xué)響應(yīng) ，輸出可以 對(duì)平順性、操 縱穩(wěn)定性等 性能進(jìn)行評(píng)價(jià) 的特征參數(shù)。 在國(guó) 內(nèi)關(guān)于整車 性能虛擬仿真 的研究相對(duì) 比較遲緩一 些，但是也 有了一定的發(fā) 展。吉林大學(xué) 動(dòng)態(tài)模擬實(shí) 驗(yàn)室以人一車 一環(huán)境系統(tǒng) 為出發(fā)點(diǎn)，對(duì) 汽車的主動(dòng)安 全性進(jìn)行了全 工況的仿真 研究，主要包 括運(yùn)動(dòng)模擬 系統(tǒng)、視景模 擬系統(tǒng)、聲效 模擬系統(tǒng)和主 控臺(tái)等方面 的內(nèi)容，該系 統(tǒng)能比較精 確的模擬駕駛 員行為，具有實(shí)際汽車試驗(yàn)場(chǎng)所不具有的優(yōu)勢(shì)。 1.3 平順性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 作為 平順性研究 的一項(xiàng)重要內(nèi) 容，人們對(duì) 平順性評(píng)價(jià) 方法作了大 量工作，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在 1978 年制定了 ISO 2631 人體承受全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南 ，該標(biāo)準(zhǔn)的推出把以往簡(jiǎn)單地通過2 零件 振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià) 平順性的方 法發(fā)展到“人 車路” 系統(tǒng)的水平上 ，并先后對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)做了多次的改進(jìn)和完善工作，使得能夠更好的符合實(shí)際情況。 國(guó)內(nèi)在 70 年代后期開始進(jìn)行平順性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定，并參照 IS02631 制定了 GB4970 和 GB5902 ，分別對(duì)應(yīng)于隨機(jī)輸入路面和脈沖輸入路面工況下的平順性試 驗(yàn)方法。另外 ，在主觀評(píng) 價(jià)的領(lǐng)域，一 些科學(xué)家提 出將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 和模糊數(shù)學(xué)等理論引入平順性評(píng)價(jià)的研究中，以利于得到相應(yīng)的定量指標(biāo)。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代之后，隨著汽車試驗(yàn)研究工作以及基礎(chǔ)理論的飛速發(fā)展，通過多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件 ADAMS 對(duì)汽車平順性的研究也越來越多。2003 年華中科技大學(xué)楊波等人運(yùn)用模態(tài)分析法和彈性梁彎曲振動(dòng)理論建立了多軸汽 車柔性模型， 通過對(duì)不同 車速下的道路 和仿真試驗(yàn) 的結(jié)果進(jìn)行比 較，驗(yàn)證了所提出的平順性分析方法的可行性。2006 年周云波等人建立國(guó)標(biāo)路面譜下的典型路面 AR 模型，并利用周期圖法對(duì)其進(jìn)行了譜分析，由得到的隨機(jī)路面譜在ADAMS 中建立了路面模型。2010 年江蘇大學(xué)薛念文等人進(jìn)行了在 ADAMS 和MATLAB 環(huán)境下的聯(lián)合仿真，將在 ADAMS 里建立的虛擬模型導(dǎo)入至 MATALB中，并創(chuàng)建了模糊控制器模型，為車輛平順性的研究提供了一種新的方法。 可以 看出，近年 來國(guó)內(nèi)外在汽 車平順性上 的研究都有 了不錯(cuò)的發(fā) 展，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)來研究汽車平順性已成為一種趨勢(shì)。 1.4 研究?jī)?nèi)容 本文以動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS 為平臺(tái)，利用多體動(dòng)力學(xué)理論和虛擬樣機(jī)技術(shù) ，對(duì)某轎車的 懸架相關(guān)性 能和整車平順 性進(jìn)行了研 究，內(nèi)容主要 包括以下幾點(diǎn)：1）對(duì)麥弗遜式獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以此為基礎(chǔ)在 ADAMS/CAR 中建立 了前懸架模型 ，并通過運(yùn) 動(dòng)學(xué)仿真得到 了車輪定位 參數(shù)對(duì)車輪跳 動(dòng)量的影響規(guī)律，分析各懸架定位參數(shù)的設(shè)計(jì)合理與否，找出需改善的參數(shù)； 2）利用 ADAMS/Insight 的 DOE 設(shè)計(jì)試驗(yàn)功能找出與不合理的定位參數(shù)影響最 大的懸架模型 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo) ，并通過優(yōu)化 設(shè)計(jì)得出最 佳的關(guān)鍵點(diǎn)坐 標(biāo)值，對(duì)坐標(biāo) 值改進(jìn)前后的 仿真進(jìn)行比 較，結(jié)果表明 不合理的定 位參數(shù)變化情 況得到改善； 3）建立包括懸架、傳動(dòng)系和車身等系統(tǒng)等在內(nèi)的整車仿真模型，根據(jù)國(guó)標(biāo)的試 驗(yàn)規(guī)范要求對(duì) 懸架參數(shù)改 進(jìn)前后的整車 虛擬樣機(jī)進(jìn) 行隨機(jī)路面、 脈沖輸入3 路面的平順性仿真，并對(duì)平順性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比分析。4 第 2 章 多體動(dòng)力學(xué)理論及 ADAMS 軟件介紹 2.1 多體動(dòng)力學(xué)介紹 通過 各種各樣的 運(yùn)動(dòng)副連接起 來的多個(gè)物 體組成的復(fù) 雜機(jī)械系統(tǒng) 稱為多體系統(tǒng) ，多體系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)是在傳 統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)的 基礎(chǔ)上產(chǎn)生 及發(fā)展起來的 一種新的學(xué)科 研究分支，其 研究對(duì)象是 復(fù)雜的機(jī)械系 統(tǒng)，目的是 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技 術(shù)對(duì)其進(jìn)行動(dòng) 力學(xué)分析和仿 真。隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)的不 斷發(fā)展和應(yīng) 用，多體動(dòng)力 學(xué)經(jīng)歷了多剛 體和計(jì)算多體 這兩個(gè)不同 但卻又密切相 關(guān)的發(fā)展階 段，目前多體 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展已趨于成熟。 由于 多剛體系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)的研究 對(duì)象是由多 個(gè)剛體組成 ，它們之間 通過約束進(jìn)行 連接，約束的 種類有很多 種，包括非定 常和定常約 束，非完整和 理想完整約束 等等。同時(shí)為 了動(dòng)力學(xué)研 究的合理性和 準(zhǔn)確性，需 要建立一系列 的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、能量表達(dá)式等公式來反映系統(tǒng)真實(shí)的狀態(tài)。 多剛 體組成的復(fù) 雜機(jī)械系統(tǒng)理 論上采用以 拉格朗日方 法為代表的 分析力學(xué)和以 牛頓歐拉方 程為代表的 矢量力學(xué)這兩 種經(jīng)典力學(xué) 方法來研究是 可行的，但是 剛體數(shù)目的增 多會(huì)使得建 立的求解方程 越來越復(fù)雜 ，到達(dá)某一程 度后往往無法 解析出這些方 程組。這時(shí) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展為求解 復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng) 問題提供了一 種可行的方法 ，即通過計(jì) 算機(jī)數(shù)值計(jì)算 方法編制計(jì) 算程序求解實(shí) 際復(fù)雜情況下 的數(shù)學(xué)方程組 ，針對(duì)機(jī)械 系統(tǒng)中出現(xiàn)的 各個(gè)具體問 題，編制對(duì)應(yīng) 的程序來解析 。相對(duì)于傳統(tǒng) 的計(jì)算方法 ，這種方法的 效率得到顯 著提高，結(jié)果 的合理性也能 得到有效保證 ，但是對(duì)于 比較復(fù)雜的系 統(tǒng)，這種簡(jiǎn) 單解析思路所 帶來的長(zhǎng)期重復(fù)性計(jì)算過程越來越不能滿足工程師們的要求。20 世紀(jì) 60 年代，在汽車和航天 領(lǐng)域，通過計(jì) 算機(jī)進(jìn)行程 序化建模和求 解來解決多 體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 問題的方法開 始發(fā)展起來， 隨著這種方 法的日益成熟 ，效率相較 之前的解析方 法已不可同日 而語，在此發(fā) 展過程中， 形成了以變分 法、凱恩法 、旋量法和羅 伯森一維滕法這幾種方法為代表的不同研究方向。 隨著 多剛體求解 方法的和計(jì)算 機(jī)數(shù)值計(jì)算 技術(shù)在控制 系統(tǒng)分析和 機(jī)械系統(tǒng)靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析中的不斷應(yīng)用和發(fā)展，在 20 世紀(jì) 80 年代終于形成了 比較成熟的計(jì) 算多體系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)。相應(yīng) 的動(dòng)力學(xué)分 析軟件也應(yīng)運(yùn) 而生，其5 中以 DADS 和 ADAMS 軟件為代表，它們屬于計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。 2.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹 傳統(tǒng) 的新產(chǎn)品開 發(fā)模式要經(jīng)過 設(shè)計(jì)、樣機(jī) 試驗(yàn)試制、 改進(jìn)和批量 生產(chǎn)這幾大步 。然而用戶需 求的個(gè)性多 樣化、產(chǎn)品標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)范的發(fā) 展使得市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)日益激烈，這就要求產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)也要隨之提高，這時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)(virtual prototyping)就應(yīng)運(yùn)而生。 虛擬 樣機(jī)技術(shù)是 指利用計(jì)算機(jī) 建立可以用 來替代實(shí)際 物理產(chǎn)品的 模型，以此對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)等階段的狀態(tài)進(jìn)行模擬、測(cè)試和分析。 一般來說，虛擬樣機(jī)技術(shù)至少應(yīng)包含以下 3 部分內(nèi)容：三維 CAD 模型，人與產(chǎn)品交互模型和可支持多種仿真測(cè)試試驗(yàn)和分析的可視化用戶接口模塊。如圖 2-1 為虛擬樣機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從中可以看到，以用戶接口為核心，建立了一系列的模型和相關(guān)分析模塊，從而組成一個(gè)可視化的仿真分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以通過用戶接口得到所 圖 21 虛擬樣機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需的系統(tǒng)信息，同時(shí)也能對(duì)模型進(jìn)行有效的控制。 通過 上面的分析 ，相對(duì)于傳統(tǒng) 的設(shè)計(jì)方法 ，虛擬樣機(jī) 技術(shù)至少具 有下面的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)： （1）可針對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行輔助的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和仿真測(cè)試； （2）可以縮短產(chǎn)品研發(fā)階段的周期； （3）可有效降低研發(fā)成本； （4）可以更加有效的在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)、比較和驗(yàn)證，以此確定更加合理的方案。 以 上這 些 都是 傳統(tǒng) 的 只根 據(jù)物 理 樣機(jī) 來進(jìn) 行 設(shè)計(jì) 的方 法 所無 法比 擬 的優(yōu)勢(shì)。 然而，虛擬樣 機(jī)技術(shù)畢竟 屬于一種新興 的技術(shù)，還 有很多方面有 待完善和發(fā)展，其缺陷主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）產(chǎn)品的形狀往往比較復(fù)雜，所以要想建立一個(gè)非常完整和準(zhǔn)確的理想化模型是非常困難的。例如，在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究是很復(fù)雜的，這時(shí) 如果與物理樣 機(jī)結(jié)合起來 研究，就可以 更好地掌握 樣機(jī)模型，同 時(shí)還能增6 加虛擬模型的可信度。 （2）技術(shù)原理上的欠準(zhǔn)確。由于沒有能完美的取代實(shí)際情況的技術(shù)，所以在建 模和仿真分析 的過程中經(jīng) 常會(huì)有一些近 似的替代操 作。例如在用 有限元分析的 方法研究產(chǎn)品 性能時(shí)，會(huì) 將連續(xù)三維實(shí) 體模型用小 平面模型去代 替，這種近似往往會(huì)造成結(jié)果在原理上的誤差； （3）數(shù)據(jù)交換方法的不夠完善。虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)常要在不同的設(shè)計(jì)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，這個(gè)過程中信息的丟失情況比較常見。 另外 ，虛擬樣機(jī) 技術(shù)在維護(hù)性 、制造性以 及相互之間 的關(guān)系方面 的研究不夠深入，導(dǎo)致所對(duì)應(yīng)的模型可信度不高，這也是該技術(shù)在應(yīng)用階段的瓶頸所在。然而 盡管如此，虛 擬樣機(jī)技術(shù) 在工業(yè)產(chǎn)品的 設(shè)計(jì)過程中 已經(jīng)起到很大 的作用，發(fā)展勢(shì)頭也不錯(cuò)，其應(yīng)用前景是非常令人看好的。 運(yùn)用 虛擬樣機(jī)技 術(shù)，通過建立 完整的汽車 仿真模型并 對(duì)其進(jìn)行試 驗(yàn)分析，可以 得到整車性能 與相關(guān)的結(jié) 構(gòu)參數(shù)之間的 規(guī)律，從而 進(jìn)行性能預(yù)測(cè) 和可行性研究 ；在實(shí)際樣機(jī) 制造出來之 前還根據(jù)仿真 結(jié)果進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)。通過 對(duì)模型的虛擬 試驗(yàn)，可以減 少試驗(yàn)試制 的次數(shù)，縮短 設(shè)計(jì)周期， 降低成本；同 時(shí)還能進(jìn)行事故模擬的研究和危險(xiǎn)性工況下的替代試驗(yàn)。 國(guó)外 很早就已經(jīng) 開始進(jìn)行運(yùn)用 虛擬技術(shù)建 立數(shù)字模型 來替換真實(shí) 模型，以此來對(duì)汽車進(jìn)行試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的研究，并取得了驕人的成果。1972 年，通用公司首先開發(fā)了通用預(yù)測(cè)程序 GPSIM，它能夠模擬汽車在絕大多數(shù)工況下的累計(jì)和瞬時(shí) 油耗，預(yù)測(cè)空 氣阻力系數(shù) 、質(zhì)量和傳動(dòng) 比等汽車設(shè) 計(jì)參數(shù)，并能 得到這些參數(shù) 變化對(duì)汽車的 動(dòng)力性和燃 油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生 的影響。在 操縱穩(wěn)定性方 面，美國(guó)北卡 大學(xué)開展了對(duì) 駕駛員虛擬 環(huán)境的模擬研 究，其成果 具有相當(dāng)?shù)膽?yīng) 用價(jià)值。另外，美國(guó) MDI 公司開發(fā)了整車虛擬設(shè)計(jì)軟件包用于快速構(gòu)建高精度的包括懸架、 傳動(dòng)系、動(dòng)力 系統(tǒng)和車身 等系統(tǒng)的汽車 模型，該軟 件包可以通過 仿真得到各個(gè) 試驗(yàn)工況下的 動(dòng)力學(xué)響應(yīng) ，輸出可以對(duì) 平順性、操 縱穩(wěn)定性、制 動(dòng)性等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的特征參數(shù)。 在國(guó) 內(nèi)關(guān)于整車 性能虛擬仿真 的研究相對(duì) 比較遲緩一 些，但是也 有了一定的發(fā) 展。吉林大學(xué) 動(dòng)態(tài)模擬實(shí) 驗(yàn)室以人一車 一環(huán)境系統(tǒng) 為出發(fā)點(diǎn)，對(duì) 汽車的主動(dòng)安 全性進(jìn)行了全 工況的仿真 研究，主要包 括運(yùn)動(dòng)模擬 系統(tǒng)、視景模 擬系統(tǒng)、聲效 模擬系統(tǒng)和主 控臺(tái)等方面 的內(nèi)容，該系 統(tǒng)能比較精 確的模擬駕駛 員行為，具有實(shí)際汽車試驗(yàn)場(chǎng)所不具有的優(yōu)勢(shì)。 7 2.3 ADAMS 軟件介紹 ADAMS 是一款由美國(guó) MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng) 力 學(xué)自 動(dòng) 分 析軟 件 ， 其全 稱 是 Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems。ADAMS 軟件目前已受到來自于全球范圍內(nèi)各行各業(yè)的親睞，在汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域都具有相當(dāng)?shù)臋?quán)威性。 一方面，ADAMS 軟件可應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析，通過交互式圖形環(huán)境和 各類子庫(kù)的使 用創(chuàng)建機(jī)械 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的 幾何模型， 再由仿真對(duì)機(jī) 械系統(tǒng)的綜合性能、運(yùn)動(dòng)空間、碰撞情況、載荷范圍等進(jìn)行評(píng)估。另一方面，ADAMS 軟件還 可用于機(jī)械系 統(tǒng)仿真分析 的二次開發(fā)工 具，其多接 口和開放性程 序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得目 前市場(chǎng)上主流的 CAD 軟件(UG、PROE) 和 CAE 軟件(ANSYS 、ABQUES)等可以和 ADAMS 進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交換，滿足特殊行業(yè)用戶的需求。在產(chǎn)品生產(chǎn)制造之前的開發(fā)階段，通過 ADAMS 軟件仿真來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分 析，可以大量 的縮短產(chǎn)品 開發(fā)時(shí)間和降 低研發(fā)經(jīng)費(fèi) ，同時(shí)也為產(chǎn) 品機(jī)械系統(tǒng)性能優(yōu)化提供了一種高效的設(shè)計(jì)方法。 ADAMS 軟件包括工具模塊、基本模塊、接口模塊及專業(yè)領(lǐng)域模塊，用戶可以根 據(jù)自己的需要 選用不同模 塊的組合，從 而快速有效 的建立產(chǎn)品的 模型和進(jìn)行機(jī) 械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 仿真分析。 本文的模型建 立和仿真分 析過程中，主 要用到的是專業(yè)領(lǐng)域模塊中的 ADAMS/Car 模塊，基本模塊中的 ADAMS/Postprocessor 模塊和 ADAMS/Insight 模塊，另外平順性分析的主要工具是 ADAMS/Car 模塊中的 ADAMS/Car ride 插件模塊。 2.4 ADAMS 軟件算法原理 在 ADAMS 軟件中建立的動(dòng)力學(xué)方程以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法理論中的拉格朗 日方程法為基 礎(chǔ)，采用笛 卡爾廣義坐標(biāo) 系，它是由 確定系統(tǒng)中各 個(gè)剛體方位 的三 個(gè)歐 拉 角和 剛體 質(zhì)心 在慣 性坐 標(biāo) 參考 系中的三個(gè)直角坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系。 針對(duì)具有多余 坐標(biāo)的非完 整或完整約束 系統(tǒng)，用帶 乘子的拉格朗 日方程導(dǎo)出笛卡爾坐標(biāo)系下坐標(biāo)變量的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 2.4.1 廣義坐標(biāo)選擇 廣義坐標(biāo)是動(dòng)力學(xué)方程求解速 度的重要影響因素。ADAMS 軟件中采用的8 廣義坐標(biāo)基于反映剛體 i 方位的廣義歐拉角和剛體 i 質(zhì)心的笛卡爾坐標(biāo)，即: i i 1 n 由于 這種廣義坐 標(biāo)的非獨(dú)立性 ，所建立的 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 方程屬于變 量較多的高度稀疏耦合微分方程，其適于用稀疏矩陣來進(jìn)行高效求解。 2.4.2 自由度的計(jì)算 機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件可能的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度（DOF） ，軟件中常用運(yùn)動(dòng)副及約束數(shù)目見如 2-1 所示，單個(gè)系統(tǒng)的自由度可用下面的式子表示： j i kj1 i 1其中：n系統(tǒng)中構(gòu)件總數(shù)； q，x第 j 副運(yùn)動(dòng)副的約束條件數(shù)及運(yùn)動(dòng)副總數(shù)；p，m第 i 副原動(dòng)機(jī)的約束條件數(shù)及原動(dòng)機(jī)總數(shù)；T其他約束條件數(shù)。表 21 ADAMS 常用運(yùn)動(dòng)副及自由度約束數(shù)目 當(dāng) DOF0 時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是由非保守力和保守力共同作用引起的，系統(tǒng)的構(gòu)件 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要 同時(shí)滿足給 定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 和約束的要 求，對(duì)機(jī)構(gòu)的 分析屬于動(dòng)力 學(xué)范圍的分析 ，所建立的 方程組是由約 束方程和拉 格朗日微分方 程構(gòu)成，動(dòng)力學(xué)分析包括準(zhǔn)靜力學(xué)分析、靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。 2.4.3 初始條件 在進(jìn) 行各種動(dòng)力 學(xué)分析之前， 首先要進(jìn)行 初始條件分 析，通過解 析相應(yīng)的加速 度、速度、位 置參數(shù)目標(biāo) 函數(shù)的最小值 得到，目的 是協(xié)調(diào)初始系 統(tǒng)模型中各部 件的運(yùn)動(dòng)學(xué)約 束和坐標(biāo)之 間的關(guān)系，確 保所有的約 束條件都能在 系統(tǒng)中得到滿足。 (1)初始位置分析滿足的約束最小化原則如下： 2Subject to : (q) 0 （2-4） 式中：q笛卡爾坐標(biāo)系下構(gòu)件的廣義坐標(biāo)； W權(quán)重矩陣； q0用戶輸入值。 如果 q0 是準(zhǔn)確值，則對(duì)應(yīng)的權(quán)重比例較大，在迭代中變化范圍較??；如果 q0是近似值，則對(duì)應(yīng)的權(quán)重比例較??；如果 q0 是程序所設(shè)定，定義 W 為零矩陣。利用拉格朗日乘子可將上式表達(dá)的約束最小化問題轉(zhuǎn)變?yōu)槿缦滤緲O值問題: 2q 由于約束函數(shù)中廣義坐標(biāo)的存在使得方程為非線性方程，故需要用 NewtonRaphson 方法迭代求解，方程如下: 10 1Minimize: c (q q ) W (q q )0 01L(q q ) W (q q ) (q) L L若L 取最小值，由 0， 0 得 T W( q q ) 00q (q)0W T T q q q （2-7） q 0 (q) (2)初始速度分析滿足的約束最小化原則如下: 1 T Minimize : c 2 0 0（2-8） q0Subject to :q q t 0 （2-9） 其 中:q0值；W 為 相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)矩陣。 同樣 利用拉格朗 日乘子可將上 式表達(dá)的約 束最小化問 題轉(zhuǎn)變?yōu)槿?下所示極值問題： 當(dāng) L 取最小值時(shí)得: 表達(dá)為矩陣形式:矩陣只與位置相關(guān)，所以對(duì)該方程組可以直接進(jìn)行求解以得到 ， 的值。 (3)對(duì) 于初始的拉 格朗日乘子 加速度進(jìn)行 分析時(shí)，可 以直接由機(jī) 械系統(tǒng)約束方程和動(dòng)力學(xué)方程的兩階導(dǎo)數(shù)求解得到。 11 W(q q ) q0 (qq ) W (qq )為使用 者自定 的初始速 度準(zhǔn)確 值或近似 值，或 者表示程 序默認(rèn) 的速度 T1 L(q q ) W ( qq ) q（2-10） qtT W(qq ) 00 q （2-11） q tTq q （2-12） 0 tqq此線性方程組是關(guān)于 ， 的方程，其中非零項(xiàng)已經(jīng)分解開來，方程的系數(shù) q2.4.4 ADAMS 動(dòng)力學(xué)分析 ADAMS 軟件中機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 方程的建立通過拉格朗日乘子法來實(shí)現(xiàn)： 非完整約束方程： (q, q, t) 0 （2-14） 完整約束方程： (q,t) 0 （2-15） 式中：Q廣義力列陣； q系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣； T系統(tǒng)功能； u對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣 對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；。 以上三個(gè)式子的一般形式可表達(dá)為： 式中： F 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的微分方程； G 用戶定自定義的微分方程； 描述約束關(guān)系的代數(shù)方程列陣； ，t 作用力及約束反力列陣； q，u 廣義速度列陣。 在進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，ADAMS 軟件通過兩種算法來實(shí)現(xiàn)。第一種適用于模擬高頻系統(tǒng)和特征值發(fā)生突變的系統(tǒng)，這種方法是通過提供 ARAM 積分算子來求解程序，程序中的獨(dú)立坐標(biāo)微分方程由坐標(biāo)分離算法求解得到；第二種只適用于模擬系統(tǒng)特征值變化范圍較大的剛性系統(tǒng)，這種方法提供了三種功能強(qiáng)大的變步長(zhǎng)、變階積分來求解稀疏耦合的非線性微分方程組：BDF 積分器，DSTIFF積分器和 GSTIFF 積分器。 12 T TTQ （2-13） qFq, u, u, , t 0G u, q u q 0 （2-16） 2.4.5 ADAMS 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 運(yùn)動(dòng) 學(xué)分析用來 研究零自由度 系統(tǒng)的約束 反力、位置 、速度和加 速度的情況，所以可以通過以下系統(tǒng)約束方程來求解： n由拉格朗日乘子方程確定任一 tn 時(shí)刻系統(tǒng)的約束反力： 采用牛頓拉普拉斯迭代方法對(duì)約束方程進(jìn)行迭代，進(jìn)而確 定在 tn 時(shí)刻時(shí)的系統(tǒng)位置： j式中： j 代表第 j 次迭代， qj qj 1 qj 。 對(duì)約束方程的一階、二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求解得到 tn 時(shí)刻的速度、加速度： q tk l 2.5 轎車模塊 ADAMS/car 介紹 ADAMS/car 是專業(yè)領(lǐng)域模塊里的一款專用于車輛建模的整車設(shè)計(jì)模塊。最初這個(gè)模塊是由各大知名汽車企業(yè)包括寶馬 BMW 、沃爾沃 Volvo、奔馳 BenZ和雷諾 Renault 等公司和美國(guó) MDI 公司合作共同研發(fā)的整車開發(fā)軟件包，集成了這 些企業(yè)所屬技 術(shù)工程師在 汽車研發(fā)中的 豐富設(shè)計(jì)經(jīng) 驗(yàn)。同時(shí)為了 達(dá)到能夠快 速 高 效 建 立 整 車 虛 擬 樣 機(jī) 的 目 的 ， MDI 公司在 ADAMS/Car 中 融 合 了ADAMS/Postprocessor 后處理模塊、ADAMS/Solver 解算器模塊和 ADAMS/Tire輪胎 模塊，以便于 直觀的得到 平順性、操縱 穩(wěn)定性和舒 適性相關(guān)的特 征參數(shù)。在 ADAMS/Car 中設(shè)置不同的變量模擬汽車不同試驗(yàn)條件下的工況，通過動(dòng)畫就13 (q，t ) 0TT T q dt q q (q ,t ) （2-19） qq（2-20） 2 n n 2 q q q qq （2-21） k l q t qq t q q t能直觀地得出不同工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。 ADAMs/Car 軟件基于模板進(jìn)行模型建立和仿真分析的特點(diǎn)，有利于簡(jiǎn)化建模步 驟和快速建模 。模板建立 之后，用戶只 需在其中根 據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)輸 入相應(yīng)的數(shù)值 ，就可以得到 由懸架、動(dòng) 力機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)和輪胎 等部件裝配起 來的整車虛擬樣機(jī)。在軟件建模過程中，包括以下幾種類型的文件： （1）Property files，即屬性文件，提供 ADAMs/Car 中組成模板的所有部件的基 本屬性參數(shù)， 如輪胎模型 類型、剛度、 阻力系數(shù)等 屬性，減振器 和彈簧的剛度和阻尼屬性及其它部件的基本屬性參數(shù)。 （2） Template ，即模 板文件，用來定義 零部件之間的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)關(guān)系，基于模板的建模是 ADAMs/Car 最主要的特點(diǎn)，可看成是具有最簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的模型。另外正 確的建立各個(gè) 模板之間的 通訊器也顯得 非常重要， 它代表了裝配 模型各個(gè)子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。 （3） Subsystems，即 子系統(tǒng)文件，可看 成是在模板的基礎(chǔ)上 建立起來的特殊模 板，用戶只能 對(duì)模板的部 分特性參數(shù)進(jìn) 行修改，如 減振器和輪胎 的阻尼屬性，硬點(diǎn)坐標(biāo)位置等信息。 （4）Assemblies，即總成文件，是將 Testrig 試驗(yàn)臺(tái)加在 Subsystem 子系統(tǒng)上而構(gòu)成，Testrig 起到給模型施加激勵(lì)的作用，是虛擬樣機(jī)建模最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為了驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，需要對(duì)總成文件進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。 ADAMS/Car 的模型按自下而上的順序建立而成，以模板為基礎(chǔ)建立子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)裝配起來構(gòu)成總成分析模塊，各類文件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖 2-2： ADAMS/Car圖 22 各類文件之間結(jié)構(gòu)關(guān)系圖 模 塊以 得 到模 板 的方 式 不 同可 劃 分為 standard 標(biāo)準(zhǔn)模式和template builder 模板建模器模式兩 種，不同模式下功能有所 不同。標(biāo)準(zhǔn)模式下ADAMS/Car 給用戶提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)模板以供使用，包括麥弗遜懸掛、剛性底盤和 齒輪齒條轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)等常用 整車子模塊， 根據(jù)實(shí)際情 況對(duì)其參數(shù)進(jìn) 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 戶就可以按需 定義自己的模 板，這樣建立 的模板模型 可以更加精細(xì) 和符合實(shí)際 情況。還有一 種直接將在其它軟件里建好的三維模型直接導(dǎo)入的方法，通過 ADAMS/Car 的專用接口實(shí)現(xiàn)。 14 在 ADAMS/Car 的建模思想中，模板是一切分析的基礎(chǔ)，其質(zhì)量對(duì)分析的準(zhǔn)確性和效率起著決定性的作用，在 template builder 模板建模器模式下，用戶可根據(jù) 要求建立自定 義的模板， 用于更加精確 和高效的對(duì) 產(chǎn)品進(jìn)行仿真 ，這個(gè)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，其大致的建模過程如下： （1）簡(jiǎn)化物理模型。確定實(shí)際情況下部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，定義其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以對(duì)部件進(jìn)行整合，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可定義為一般部件。 （2）輸入硬點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。硬點(diǎn)是表達(dá)各部件之間裝配關(guān)系的重要幾何點(diǎn)。 （3）創(chuàng)建幾何體模型。幾何體是建立在硬點(diǎn)基礎(chǔ)上的模型，雖然其形狀對(duì)動(dòng)力 學(xué)仿真分析沒 有影響，但 部件的輪廓直 接影響著機(jī) 構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)校 核，所以幾何體外形還是要盡量接近實(shí)際情況。 （4）約束的定義。約束類型由部件之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定，部件之間通過約束連接起來從而構(gòu)成模板模型。 （5）參數(shù)變量的定義。定義包括幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)、位置等常見的參數(shù)，便于在標(biāo)準(zhǔn)界面的子系統(tǒng)中對(duì)它們進(jìn)行修改。 （6）通訊器的定義。建立通訊器用于與外部子系統(tǒng)進(jìn)行連接，并對(duì)通訊器的類型、對(duì)稱性等進(jìn)行校核。 在建 立模板時(shí)， 約束和通訊器 的定義是關(guān) 鍵所在，因 為在模板構(gòu) 成的子系統(tǒng)里 是不能對(duì)其進(jìn) 行修改，但 是力、質(zhì)量特 性則可以在 子系統(tǒng)中修改 。用戶在模板 的基礎(chǔ)上創(chuàng)建 出如輪胎、 前后懸架、動(dòng) 力轉(zhuǎn)向等汽 車子系統(tǒng)，在 標(biāo)準(zhǔn)界面模式 中將這些相應(yīng) 的子系統(tǒng)組 裝起來，就能 得到需要的 總成系統(tǒng)模型 ，至此完成整 個(gè)軟件模塊自 下而上的建 模過程。模型 完成之后， 用戶就可以對(duì) 總成模型在不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真分析，得到需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。 當(dāng)仿 真分析結(jié)果 與設(shè)計(jì)初衷及 實(shí)際情況差 別較大時(shí)， 還可以在轎 車模塊的軟件 界面中對(duì)零部 件的屬性和 參數(shù)變量如懸 架子系統(tǒng)的 硬點(diǎn)坐標(biāo)位置 、彈簧阻尼甚 至懸架類型等 進(jìn)行快速修 改，然后不斷 的重復(fù)仿真 分析的過程， 直至得到滿意 的數(shù)據(jù)和結(jié)果 。這個(gè)過程 完成以后，可 以將相關(guān)的 響應(yīng)曲線和特 性曲線輸出來與他人共享。ADAMS/Car 軟件的使用可以快速提高產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)階段的工作效 率，讓工程師 可以集中精 力去研究影響 汽車性能的 因素，并在此 基礎(chǔ)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)以尋求汽車的最佳性能。 15 2.6 ADAMS/Car ride 模塊介紹 Ride 模塊是在 ADAMS/Car 中自 ADAMS2003 版本以來才有的即插即用模塊。 其目的是為了 將汽車數(shù)字 化仿真分析從 單進(jìn)行操作 穩(wěn)定性試驗(yàn)擴(kuò) 展到從操縱穩(wěn)定性和平順性多方面來進(jìn)行試驗(yàn)研究，該平順性虛擬環(huán)境是 MSC 公司和全球主要汽車制造商共同合作開發(fā)出來。 作為 ADAMS/Car 模塊的插件，Ride 不能脫離 ADAMS/Car 界面單獨(dú)運(yùn)行；Ride 的使用必須以一個(gè)符合 ADAMS/Car 規(guī)范的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)或者模型為基礎(chǔ)；Ride 包含汽車平順性分析的建模、試 驗(yàn)以及后處理所需單元、事件和模型的定義， 只要系統(tǒng)中的 零部件參數(shù) 被指定，就可 以基于組建 起來的試驗(yàn)臺(tái) 對(duì)系統(tǒng)平順性進(jìn)行研究。 用戶 已建立起來 的能夠裝配成 整車模型的 各個(gè)子系統(tǒng) 或者一個(gè)完 整的整車模型是使用 Ride 模塊進(jìn)行平順性分析的前提，在整車模型的基礎(chǔ)上加上四柱試驗(yàn)臺(tái) 就可以對(duì)汽車 的平順性和 操縱穩(wěn)定性進(jìn) 行仿真研究 。針對(duì)某一具 體汽車原型， 用戶使用單個(gè) 數(shù)據(jù)庫(kù)，只 需建立一次整 車模型就可 以用以完成一 系列自己所需 要的平順性和 操縱穩(wěn)定性 方面的研究。 另外，需要 指出的是用于 仿真分析的裝 配模型中已經(jīng) 包含了相應(yīng) 的試驗(yàn)臺(tái)，如 果沒有這些 試驗(yàn)臺(tái)，在軟 件中就無法進(jìn) 行仿真，所以 說軟件中數(shù) 據(jù)庫(kù)信息的共 享是在子系 統(tǒng)層級(jí)上的信 息共享。在進(jìn)行某一具體整車仿真分析時(shí)，整車裝配組合必須至少包含車身、前后輪胎、前后懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這 6 個(gè)子系統(tǒng)。 ADAMS/Car Ride 雖然可以和 ADAMS/Vibration 一樣對(duì)汽車進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，但是 Ride 中用以完成振動(dòng)動(dòng)作的四柱試驗(yàn)臺(tái)有著一定的特殊性，它只提供垂直方向的振動(dòng)，Ride 用戶在軟件 設(shè)置界面上對(duì)車速參數(shù)進(jìn)行定義之后就可以借 助于此四柱試 驗(yàn)臺(tái)對(duì)汽車 在不同路面上 行駛時(shí)的情 況進(jìn)行仿真分 析，這種方法使得對(duì)路面功率譜密度 PSD(power spectral density)響應(yīng)進(jìn)行研究變得比較容易，即使在 ADAMS/Vibration 中也存在 PSD 響應(yīng)輸入的交叉相關(guān)方法，但是相較于 Ride，在 Vibration 中從隨機(jī)不平路面中獲得左右車輪的相關(guān)參數(shù)就顯得比較艱難。 2.7 ADAMS/Insight 模塊介紹 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析 ADAMS/Insight 模塊是 ADAMS 軟件里的一個(gè)有著強(qiáng)大的16 設(shè)計(jì) 和實(shí)驗(yàn)功能的 模塊。隨著 科學(xué)技術(shù)的飛 速發(fā)展，現(xiàn) 代產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 也變得日益復(fù) 雜和精密，對(duì) 設(shè)計(jì)過程產(chǎn) 生影響的因素 也越來越多 ，然而這些參 考因素之間本 身也是相互影 響的，每一 個(gè)參數(shù)的改變 可能都會(huì)對(duì) 產(chǎn)品的性能帶 來巨大的改變 。如果將所有 與性能有關(guān) 的因素綜合起 來進(jìn)行考慮 ，將相關(guān)的參 數(shù)都應(yīng)用在運(yùn) 算中，那計(jì)算 過程將相當(dāng) 的復(fù)雜，仿真 計(jì)算的結(jié)果 數(shù)據(jù)也會(huì)非常 的龐大，帶來處理的困難，進(jìn)而也很難區(qū)分出主要參數(shù)和次要參數(shù)。通過采用 ADAMS/Insight 模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，就可以在較短的時(shí)間內(nèi)找出主要參數(shù)和次要參數(shù)之間的區(qū)別，ADAMS/Insight 可以讓工程師熟練地設(shè)計(jì)用于評(píng) 價(jià)產(chǎn)品機(jī)械系 統(tǒng)性能的試 驗(yàn)，從中得出 各個(gè)參數(shù)對(duì) 系統(tǒng)性能造成 影響的方式和 權(quán)重，這樣就 可以更好地 掌握復(fù)雜的產(chǎn) 品機(jī)械性能 。在這個(gè)基礎(chǔ) 上，經(jīng)過不斷 的進(jìn)行試驗(yàn)分 析，你就可 以更好的懂得 如何改進(jìn)你 的產(chǎn)品。這種 研究方法在評(píng) 估多角度、多 層次問題系 統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)相 當(dāng)明顯，可 以用于在不同 部門之間的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。 ADAMS/Insight 的特點(diǎn)可以概括為以下幾點(diǎn) : (1)可以單獨(dú)使用，也可以與其他的 ADAMS 模塊聯(lián)合起來使用； (2)對(duì)影響性能的加工精度、裝配誤差等生產(chǎn)制造因素可以綜合起來進(jìn)行考慮，并通過提前考慮這些因素提高設(shè)計(jì)質(zhì)量； (3) 有利于 更好 地了解 產(chǎn)品 性能相 關(guān)的各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系以及這些參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響效果； (4)可以綜合分析擁有相同輸入變量的不同域之間的實(shí)驗(yàn)； (5)可以得到設(shè)計(jì)變量之間的相互作用關(guān)系，區(qū)別哪些起主要作用，哪些起次要作用； (6)有利于更加有效的管理設(shè)計(jì)項(xiàng)目； (7)仿真分析的結(jié)果輸出方式有多種，而且可以通過網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的共享。 在 Adams 軟件的分析環(huán)境中，各個(gè)模塊之間有許多通道，這樣可以方便將ADAMS/Insight 與其它模塊結(jié)合起來進(jìn)行聯(lián)合仿真，以更加快速有效的完成仿真分析。作 為一個(gè)獨(dú)立的模塊，ADAMS/Insight 既可 以通過點(diǎn)擊 ADAMS/Insight圖標(biāo) 啟動(dòng)，也可以 在其他模塊 的相關(guān)設(shè)定位 置進(jìn)入。這 個(gè)功能對(duì)工程 師而言有著相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值，在產(chǎn)品沒有實(shí)際生產(chǎn)制造之前綜合的考慮各個(gè)影響因素，既可 以高效的通過 仿真試驗(yàn)對(duì) 已有的產(chǎn)品設(shè) 計(jì)方案進(jìn)行 驗(yàn)證，同時(shí)也 可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。 17 2.8 小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)單概述了多體動(dòng)力學(xué)理論，從而引出對(duì) ADAMS 軟件整體發(fā)展及其應(yīng)用情況的介紹，接著詳細(xì)說明了 ADAMS 軟件計(jì)算算法及 ADAMS/Car 、ADAMS/Insight、ADAMS/Car Ride3 個(gè)模塊。 18 第 3 章 麥弗遜式前懸架模型建立 懸架的作用是將承載式車身（或車架）與車輪（或車橋）彈性的連接起來。懸架 的任務(wù)包括約 束車架和車 橋之間的相對(duì) 運(yùn)動(dòng)關(guān)系， 傳遞作用在車 架和車輪之間 的力和力矩， 對(duì)因路面不 平而傳遞到車 架的沖擊進(jìn) 行緩和，以此 衰減起承載作 用部件上的振 動(dòng)，進(jìn)而確 保汽車的整車 安全行駛。 懸架性能的優(yōu) 劣影響著輪胎 的磨損情況和 使用壽命， 同時(shí)也對(duì)整車 的舒適性、 制動(dòng)性和操縱 性等重要的汽 車性能指標(biāo)有 著非常大的 影響，正因?yàn)?如此，懸架 一直都是汽車 設(shè)計(jì)人員重點(diǎn) 關(guān)注的對(duì)象。 麥弗遜式獨(dú) 立懸架是一種 廣泛應(yīng)用于 小型轎車上的 懸架結(jié)構(gòu)型式 ，這種懸架結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、成 本低、性能優(yōu) 越，因此成 為汽車生產(chǎn)制 造廠商在開發(fā)設(shè)計(jì)階段比較常用的懸架類型。 3.1 麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)分析 麥弗 遜式獨(dú)立懸 架一般用在汽 車的前輪之 上，它主要 是由滑柱和 下擺臂組成的 一種懸架結(jié)構(gòu) 形式。本文 是以某