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大學 屆畢業(yè)設計說明書I畢業(yè)設計說明書礦用鉸接式自卸車車架動態(tài)仿真與研究摘 要隨著計算機技術的發(fā)展，以 CAD/CAE 為支撐的設計技術逐步得到發(fā)展并在具體型號的研制中得到應用，尤其是以 ADAMS 為代表的虛擬樣機技術軟件的出現(xiàn)，使得過去繁雜的動力學分析和求解過程變得簡單起來。本文采用多剛體系統(tǒng)動力學的理論方法，在 solidworks 中完成模型的初步建立，應用 ADAMS_View 建立了某種礦用鉸接式自卸車整車多自由度模型，在不同路譜條件下（搓板路，平路，矩形坑路面，V 型坑路面，三角凸臺路面，左右顛簸路面，上坡路面，下坡路面）進行動態(tài)模擬仿真，通過對車輛進行多體動力學的研究，對車輛的受力進行了分析， 探索運用 ADAMS 軟件評價整車受力的方法。大學 屆畢業(yè)設計說明書II關鍵詞：多剛體系統(tǒng)動力學，ADAMS 軟件，路譜，動態(tài)模擬仿真大學 屆畢業(yè)設計說明書IIIDynamic simulation and Research of articulated Mining dump truck frameAbstractWith the development of computer technology to CAD / CAE technology to support the progressive development of the design and development of specific models has been applied, especially in ADAMS, represented by the emergence of virtual prototyping software, making the complex dynamics of the past and easy up the solution process. In this paper, the theory of multi-body dynamics method to complete the model in solidworks initially established, the application ADAMS_View established some sort of mining multiple degrees of freedom model articulated dump truck vehicle in different road conditions(Washboard road, flat road, rectangular pit road, V-type pit road, Delta Boss road, Bump around road, uphill side, downhill side), the dynamic spectrum of simulation, Through the multi-body vehicle dynamics studies, the force of the vehicle are analyzed to explore the use of the vehicle by the force of ADAMS software evaluation methods.Keywords：Multi-body dynamics, ADAMS, road spectrum, dynamic simulation大學 屆畢業(yè)設計說明書IV目 錄1 緒 論 .12 車輛運動學/動力學仿真理論及軟件 52.1 多體動力學簡介 52.2 多剛體力學軟件概述 72.3 ADAMS 軟件簡介 82.3.1 ADAMS 基本功能 .82.3.2 ADAMS 模塊 .82.3.3 ADAMS 中的坐標系 .102.3.4 ADAMS 的求解 .122.3.5 ADAMS 對模型中的剛體進行柔性化 122.3.6 ADAMS 對模型的約束、載荷及驅動施加 133 模型的建立與分析 .153.1 車體模型 .153.2 輪胎的選擇與參數(shù) 183.3 道路模型 214 車架的動態(tài)仿真 .244.1 仿真平臺的總體設計 .244.2 約束載荷驅動的添加 .254.3 各種路譜的 ADAMS 分析 .284.3.1 搓板路 ADAMS 仿真 .284.3.2 平路面 ADAMS 仿真 .334.3.3 矩形坑路面 ADAMS 仿真 .374.3.4 V 型坑路面 ADAMS 仿真 .434.3.5 三角凸臺路面 ADAMS 仿真 474.3.6 左右顛簸路面 ADAMS 仿真 .524.3.7 上坡路面 ADAMS 仿真 .60大學 屆畢業(yè)設計說明書V4.3.8 下坡路面 ADAMS 仿真 .645 總結 .69附錄 車輛輪胎的添加 .70參考文獻 .78致 謝 .80大學 屆畢業(yè)設計說明書11 緒 論隨著世界經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈。產(chǎn)品消費結構不斷向多元化、個性化方向發(fā)展。面對無法預測、持續(xù)發(fā)展的市場需求，為了提高產(chǎn)品競爭力，就要求各類制造企業(yè)以最短的產(chǎn)品開發(fā)時間(Time)、最優(yōu)的產(chǎn)品質量(Quality)、最低的生產(chǎn)成本(Cost)和最佳的服務(Service)來贏得用戶和市場。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計首先是概念設計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設計。在設計完成后，為了驗證設計，通常要制造樣機進行試驗，有時這些試驗甚至是破壞性的，當通過試驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，又要回頭修改設計并再用樣機驗證。只有通過周而復始的設計一試驗一設計過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結構復雜的系統(tǒng)，設計周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應了。樣機的單機手工制造增加了成本，嚴重地制約了產(chǎn)品質量提高、成本降低和對市場的占有。無法從根本上解決和從總體上把握產(chǎn)品設計的時間、質量、成本等問題。要對快速多變的市場需求做出敏捷響應，就必須尋求先進的設計方法和手段，通過在計算機上進行運動模擬仿真，再進行有限元分析就可以大大降低成本，縮短設計周期。近年來，并行工程的概念在工程應用中日益受到廣泛重視，按照并行工程概念組織產(chǎn)品的設計到生產(chǎn)，可以實現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)設計，而不是優(yōu)化的零部件設計 【1】 。80 年代以來，零部件的 CAD 技術以及有限元分析技術(FEA)在國內已有長足的發(fā)展，隨著產(chǎn)品開發(fā)周期的不斷縮短，單獨零部件的分析技術無法滿足開發(fā)的要求，對整體系統(tǒng)的設計、分析與優(yōu)化逐漸放在首位。機械系統(tǒng)仿真分析(MSS 即 Mechani Cal System Simulation)技術將分散的零部件設計和分析技術，如單一系統(tǒng)零部件的 CAD 和 FEA 技術揉合在一起，以提供一個更全面的了解產(chǎn)品工作性能的方法，從而真正地實現(xiàn)并行工程設計要求 【1】 。90 年代，隨著計算機技術、圖形學技術及計算方法的不斷提高，MSS 技術在汽車工業(yè)的應用得到廣泛發(fā)展。在研究汽車諸多的行駛性能時，汽車動力學研究對象的建模、分析與求解始終是一個關鍵性問題。汽車本身是一個復雜的多體系統(tǒng)，外界載荷的作用更加復雜，加上人—車—環(huán)境的相互作用，給汽車動力學研究帶來了很大困難。由于理論方法和計算大學 屆畢業(yè)設計說明書2手段的限制，該學科曾一度發(fā)展較為緩慢。主要障礙之一在于無法有效的處理復雜受力下多自由度分析模型的建立和求解問題 【2】 。許多情況下，不得不把模型簡化，以便使用古典力學的方法人工求解，從而導致汽車的許多重要的特性無法得到較精確的定量分析。計算機技術的迅猛發(fā)展，使我們在處理上述復雜問題方面產(chǎn)生了質的飛躍。有限元分析技術、模態(tài)分析技術以及隨后出現(xiàn)的多體系統(tǒng)動力學正是在這種情況下發(fā)展起來的。這些理論方法出現(xiàn)以后很快在汽車技術領域中得到了應用 【3】 。國外汽車動力學中的研究經(jīng)歷了由試驗研究到理論研究，由開環(huán)研究到閉環(huán)研究的發(fā)展過程。力學模型逐漸由線性模型發(fā)展到非線性多體系統(tǒng)模型；模型的自由度由二個自由度發(fā)展到數(shù)十個自由度，文獻[4]概述了這一發(fā)展過程。模擬計算也由穩(wěn)態(tài)響應特性的模擬發(fā)展到瞬態(tài)響應特性和轉彎制動特性的模擬研究。文獻[5]介紹了多體動力學程序在汽車中的模擬應用情況，但幾乎都是采用多剛體系統(tǒng)模型，文獻[6]考慮了彈性車架的汽車模型，但也僅僅建立了只含兩個物體的汽車模型。到了 80 年代初，不僅有許多通用的軟件可以對汽車系統(tǒng)進行分析計算，而且還有各種針對汽車某一類問題的專用多體軟件。研究的范圍從局部結構到整車系統(tǒng)，涉及汽車系統(tǒng)動力學的方方面面。80 年代中期是多體系統(tǒng)動力學在汽車工程上應用發(fā)展最快的時期。國外各主要汽車廠家和研究機構在其 CAD 系統(tǒng)中安裝了多體系統(tǒng)動力學分析軟件，并與有限元、模態(tài)分析、優(yōu)化設計等軟件一起構成一個有機的整體，在汽車設計開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。商品化的多體軟件的銷售量呈上升趨勢。目前市場上占有率最高的是美國 MDI 公司開發(fā)的 ADAMS，其中汽車行業(yè)的使用率為 43%，該軟件在為客戶提供通用平臺同時，還專門提供了用于車輛分析的專門模塊(ADAMS_Car)，使用起來非常方便。國內在汽車動力學的研究中，采用多剛體系統(tǒng)動力學進行分析和計算的工作起步較晚。七十年代初，長春汽車研究所和清華大學同時發(fā)展了汽車動力學的研究 [7][8]。研究工作集中在平順性、操縱穩(wěn)定性性能指標的評價方法、試驗方法及操縱穩(wěn)定性力學模型的建立、模型的計算方法、性能預測方法和優(yōu)化設計方法等。力學模型從七十年代研究汽車側偏和橫擺運動的二自由度線性模型，發(fā)展到包括側傾和轉向系在內的三至五自由度乃至十三個自由度的非線性模型，其功能也從對汽車穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)響應大學 屆畢業(yè)設計說明書3和瞬態(tài)響應的分析 [8]，發(fā)展到汽車轉彎制動性能的分析 [2]。此外，文獻[16]首次分析了汽車懸置以上結構彈性體的一階扭轉振動對擺振性能的影響。1986 年，吉林工業(yè)大學的溫吾凡等人利用多剛體系統(tǒng)動力學方法，對二維剛體系統(tǒng)進行運動學分析，并編制了一個人機對話型的分析程序。1989 年，吉林工業(yè)大學的林逸利用 R 一 W 方法，建立了對汽車獨立懸架中的單橫臂及擺柱式懸架進行空間運動分析的通用計算程序 [9]。1991 年，第二汽車制造廠的上宮文斌等人，采用自然坐標的概念，利用虛功原理建立汽車轉向系統(tǒng)和懸架運動學分析方法。北京農(nóng)業(yè)工程大學的周一鳴教授等研制了廣義機構計算機輔助設計軟件 GMCADS，用于分析平面和空間機構的運動學及動力學性能。1992 年，清華大學的張海岑采用多剛體力學中的牛頓—歐拉方法，建立了汽車列車七十四個自由度的非線性數(shù)學模型，其中包括多種輪胎模型、懸架系統(tǒng)模型、轉向系統(tǒng)模型及帶有比例閥、防抱死裝置及考慮制動熱衰退的制動系統(tǒng)模型，深入研究了汽車列車操縱穩(wěn)定性和制動性。1994 年，清華大學的劉紅軍在管迪華教授指導下用虛擬剛體結構法和彈性子結構法把彈性問題納入整車多體系統(tǒng)動力學的分析中，對汽車擺振系統(tǒng)進行了建模和計算。吉林工業(yè)大學的陳欣在博士論文中，著重研究了汽車懸架中的柔性體對懸架性能的影響。1997 年，清華大學的張今越采用多體系統(tǒng)動力學的理論方法，應用機械系統(tǒng)分析軟件 ADAMS，進行了汽車前后懸架系統(tǒng)和整車動力學性能仿真及優(yōu)化研究，分析了汽車中柔性元素(橡膠減振元件)對動力學性能的影響 [3]。90 年代初人們開始把多柔體系統(tǒng)動力學理論和方法用于汽車技術領域，這標志著汽車多體系統(tǒng)動力學向新的層次發(fā)展，許多有益的工作值得借鑒。在文獻[10]中，把車身處理為柔性體，為了減少自由度采用了集中質量法的離散化過程，并考慮了轉動慣量的影響。在文獻[11]中采用了子結構的分析技術，汽車懸架處理為子結構，采用模態(tài)綜合方法用模態(tài)坐標描述車身的變形，通過約束條件把整個系統(tǒng)組裝起來聯(lián)合求解。文獻[12]中討論了離散化過程中各階模態(tài)的選擇對計算精度的影響。在文獻[12]和[13]中討論了懸架系統(tǒng)中廣泛采用的彈性約束(橡膠鉸鏈)對汽車性能的影響及處理大學 屆畢業(yè)設計說明書4方法。在不少文獻中還研究了汽車碰撞過程中坐椅安全帶的變形對人體運動的影響?？傊?，人們試圖用各種有效的方法將柔性體的力學效應并入多體動力學方程中進行分析和求解。這些方法即有探索直接建立和求解剛柔混合的多體動力學方程的方法，也有采用現(xiàn)有的多剛體系統(tǒng)動力學軟件來近似對多柔性體系統(tǒng)進行分析的方法。從整個汽車以 CAE(計算機輔助工程)的角度來說，汽車多體系統(tǒng)分析軟件可完成三項任務:(1)對直接設計的系統(tǒng)進行性能預測。(2)對己有的系統(tǒng)進行性能測試評估。(3)對原有的設計進行改進。分析的范圍包括:運動分析、靜態(tài)分析、準靜態(tài)分析、動態(tài)分析、靈敏度分析等。此外，還對前后處理提出較高的要求，如建模功能；曲線(頻域和時域)、表格、圖形(包括動畫)的輸出等等，以便高效率地完成上述三項任務。多柔性體系統(tǒng)動力學是一種普遍的方法，但在各行各業(yè)的應用中分析對象的結構和性能要求有很大差異，所以在分析內容上也有側重。汽車系統(tǒng)同航天器、機器人以及其它機械系統(tǒng)有明顯的不同，在汽車多體動力學的研究中要充分考慮其特殊性，進行有針對的分析，才能得到理想的效果。近年來，隨著計算機技術、圖形學技術及計算方法的不斷提高，在機械系統(tǒng)仿真(MSS)領域，國外研制了很多基于多體系統(tǒng)動力學理論開發(fā)的仿真分析軟件，如IMP、ADAMS、DAMN 等。所謂 MSS 技術，即把分散的零部件設計與分析技術結合在一起，以提供一個全面了解產(chǎn)品性能的方法，并通過仿真分析中的反饋信息指導設計 【1】 。其中由美國機械動力公司(Mechanical Dynamics·Inc)開發(fā)的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)最有代表性，它采用模擬樣機技術，將強大的大位移、非線性分析求解功能與使用方便的用戶界面相結合，并提供與其他 CAE 軟件如控制分析軟件 Matrixs、有限元分析軟件 ANSYS 等的集成模塊擴展設計手段。ADAMS 是當前求解機械系統(tǒng)空間位移運動力學的主要軟件，在汽車、航空等領域有廣泛的應用 【17】 。最近兩年，國內主要的汽車廠家:匯眾、北汽福田、天津汽車技術中心等單位已經(jīng)在其開發(fā)新產(chǎn)品、改型等工作中使用 ADAMS。2000 年，北汽福田的許先鋒等工程師利用ADAMS 對某輕卡貨車進行了汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析 【22】 ，上海匯眾的周俊龍等利用ADAMS_Car 對某轎車的懸架進行了仿真分析 [23]。大學 屆畢業(yè)設計說明書52 車輛運動學/ 動力學仿真理論及軟件2.1 多體動力學簡介多體系統(tǒng)動力學包括多剛體系統(tǒng)動力學和多柔性體系統(tǒng)動力學，是研究多體系統(tǒng)(一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成)運動規(guī)律的科學 【16】 。多體動力學是在經(jīng)典力學基礎上發(fā)展起來的與運動和生物力學、航天器控制、機器人動力學、車輛設計、機械動力學等領域密切相關且起著重要作用的新的分支。六十年代至七十年代初，美國的 R.E.羅伯森、T.R.凱恩，聯(lián)邦德國 J.維登伯格，蘇聯(lián)的 E.H.波波夫等人先后提出了各自的方法來解決復雜系統(tǒng)的動力學問題，于是，將古典的剛體力學、分析力學與現(xiàn)代的電子計算機技術相結合的力學新分枝—多剛體系統(tǒng)動力學便誕生了。近二十年來，由于各種復雜機械系統(tǒng)的高性能、高精度的設計要求，加之高速度、大容量、多功能現(xiàn)代計算機的發(fā)展及計算方法的成熟，多體力學由早期的多剛體系統(tǒng)動力學發(fā)展為多柔體系統(tǒng)動力學。這門邊緣學科以當代航天事業(yè)的發(fā)展為標志，研究的領域包括了宏觀世界機械運動的主要問題 【17】 。多剛體系統(tǒng)動力學中有以下幾種研究方法:(l)牛頓—歐拉方程法：對作為隔離體的單個剛體列寫牛頓一歐拉方程時，鉸約束力的出現(xiàn)使未知變量的數(shù)目明顯增多，故即使直接采用牛頓一歐拉方法，也必須加以發(fā)展，制定出便于計算機識別的剛體聯(lián)系情況和鉸約束形式的程式化方法，并致力于自動消除鉸約束能力。德國學者 Schiehlen 在這方面做了大量工作。其特點是在列寫出系統(tǒng)的牛頓—歐拉方程后，將不獨立的笛卡爾廣義坐標變換成獨立變量，對完整約束系統(tǒng)用 Alembert 原理消除約束反力，對非完整約束系統(tǒng)用 Jourdain 原理消除約束反力，最后得到與系統(tǒng)自由度數(shù)目相同的動力學方程，希林等人編制了符號推導的計算機程序 NEWEUL。大學 屆畢業(yè)設計說明書6（2）拉格朗日方程法：由于多剛體系統(tǒng)的復雜性，在建立系統(tǒng)的動力學方程時，采用系統(tǒng)獨立的拉格朗日坐標將十分困難，而采用不獨立的笛卡爾廣義坐標比較方便，對于具有多余坐標的完整或非完整約束系統(tǒng)，用帶乘子的拉氏方程處理是十分規(guī)范化的方法。導出的以笛卡爾廣義坐標為變量的動力學方程是與廣義坐標數(shù)目相同的帶乘子的微分方程，還需要補充廣義坐標的代數(shù)約束方程才能封閉。Chance 等人應用吉爾(Gear)的剛性積分算法并采用稀疏矩陣技術提高計算效率，編制了 ADAMS 程序；Haug等人研究了廣義坐標分類、奇異值分解等算法，編制了 DADS 程序。（3）圖論(R—W)方法:R.E.Roberson 和 J.wittenburg 創(chuàng)造性的將圖論引人多剛體系統(tǒng)動力學，利用其中的一些基本概念和數(shù)學工具成功地描述了系統(tǒng)內各剛體之間的聯(lián)系狀況，即系統(tǒng)的結構。RW 方法以十分優(yōu)美的風格處理了樹結構的多剛體系統(tǒng)。對于非樹系統(tǒng)，則必須利用鉸切割或剛體分割方法轉變成樹系統(tǒng)處理。RW 方法以相鄰剛體之間的相對位移作廣義坐標，對復雜的樹結構動力學關系給出了統(tǒng)一的數(shù)學模式，并據(jù)此推導了系統(tǒng)的運動微分方程，相應的程序有 MESAVERDE。（4）凱恩方法:R 一 W 方法提出了解決多剛體系統(tǒng)動力學統(tǒng)一公式；而凱恩方法提供了分析復雜機械系統(tǒng)動力學性能的統(tǒng)一方法，并沒有給出一個適合于任意多剛體系統(tǒng)的普遍形式的動力學方程，廣義速度的選擇也需要一定的經(jīng)驗和技巧，這是它的缺點，但這種方法不用動力學函數(shù)，無需求導計算，只需進行矢量點積、叉積等計算，節(jié)省時間。（5）變分方法:在經(jīng)典力學中，變分原理只是對力學規(guī)律的概括，而在計算技術飛速發(fā)展的現(xiàn)代，變分方法已成為可以不必建立動力學方程而借助于數(shù)值計算直接尋求運動規(guī)律的有效方法。變分方法主要用于工業(yè)機器人動力學，有利于結合控制系統(tǒng)的優(yōu)化進行綜合分析，對于變步態(tài)系統(tǒng)，可以避免其它方法每次需重建微分方程的缺點。多剛體系統(tǒng)動力學理論有很多優(yōu)點:1.適用對象廣泛。由于多剛體系統(tǒng)動力學由計算機按程式化方法自動建模和分析，并且只要輸入少量信息就可對多種結構及多種連接方式的系統(tǒng)進行計算，因此其通用性非常強，同一程式可對各類復雜系統(tǒng)進行分析。大學 屆畢業(yè)設計說明書72.可計算大位移運動。多剛體系統(tǒng)動力學的公式推導是建立在有限位移基礎上的，因此既可做力學系統(tǒng)微幅振動的分析，又可做系統(tǒng)大位移運動分析，這更符合系統(tǒng)實際運動狀況，并且給研究非線性問題帶來了很大方便，能夠使計算結果更符合實際。3.模型精度高。研究汽車動力學的困難之一就是建立準確的動力學方程，模型越復雜，困難越大，有時甚至是無法實現(xiàn)的。而多剛體系統(tǒng)動力學的數(shù)學模型可由計算機自動生成，不必考慮推導公式的難易程度，所以不但適用于較簡單的平面模型，而且更適用于復雜的三維空間模型。對懸架動力學而言，可將垂直方向、前后水平方向及橫向的動力學分析統(tǒng)一在同一個模型中，把懸架對汽車平順性、制動性、操縱穩(wěn)定性的影響綜合起來研究。柔性體系統(tǒng)不同于多剛體系統(tǒng)，它包含有柔性部分，其變形不可忽略，其逆運動學是不確定的；它與結構力學不同，部件在自身變形運動同時，空間中經(jīng)歷著較大的剛性移動和轉動，剛性運動和變形運動相互影響、強烈耦合；與一般系統(tǒng)不同，它是一個時變、高度禍合、高度非線性的復雜系統(tǒng)。歸納起來，柔性多體系統(tǒng)動力學方程的建立主要有三類方法:(1)牛頓—歐拉法；(2)虛位移法；(3)上述二種方法的各種變形方法。如較有影響的 Kane 方法等。2.2 多剛體力學軟件概述1960 年，美國通用汽車公司研制了一個動力學分析軟件一一 DYANA(Dynamic ANAlyzer)，該軟件主要是解決多自由度、無約束的機械系統(tǒng)動力學問題。1964 年，IBM 公司為汽車工業(yè)研制了運動學分析軟件 KAM(Kinematic Analysis Method)，該軟件采用了 M.A.Chance 矢量代數(shù)方法，對單運動鏈單自由度機械進行位置、速度、加速度分析。隨著多剛體系統(tǒng)動力學的誕生和發(fā)展，1972 年，美國的 Wistonsim 大學的J.J.Uicker 等人研究出了 ADAMS(Automatic Analysis Dynamic of Mechanical System)機械系統(tǒng)的自動動力學分析軟件，它能分析軟件，它能分析二維、三維、開環(huán)或閉環(huán)機構的運動學、動力學問題，側重于解決復雜系統(tǒng)的動力學問題。1977 年，美國 lowa 大學的 CAD 中心在 E.J.Hauy 教授的引導下，研制了 DADS(Dynamic Analysis and Design System 動力學分析和設計系統(tǒng))……目前，世界上已經(jīng)約有十七種基于不同方法的多體運動分析軟件問世。大學 屆畢業(yè)設計說明書8總體來說，多體系統(tǒng)動力學的方法是一種高效率、高精度的分析方法。然而在解決實際問題時，如果處理不當，不僅使工作量增加，而且也得不到滿意的結果，應用中要根據(jù)具體情況和所研究的問題性質選擇最有效的分析方法，這一點對于較復雜的汽車系統(tǒng)來說尤為重要，應用多剛體系統(tǒng)動力學理論解決實際問題時，一般要經(jīng)過以下幾個步驟:(1)實際系統(tǒng)的多體模型簡化；(2)自動生成動力學方程；(3)準確地求解動力學方程，最終得到準確的結果。2.3 ADAMS 軟件簡介2.3.1 ADAMS 基本功能ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)是較權威的機械系統(tǒng)仿真設計軟件，工程中利用 ADAMS 交互式圖形環(huán)境和零件約束、力庫等，進行仿真分析和比較，研究“虛擬樣機”可供選擇的多種設計方案。ADAMS 自動輸出位移、速度、加速度和作用力，其仿真結果可顯示為逼真的動畫或 X 一 Y 曲線圖形，ADAMS 仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷，支持 ADAMS 同大多數(shù) CAD、FEA 及控制設計軟件包之間的雙向通訊。ADAMS 軟件的功能如下:l)可有效地分析三維機構的運動與力。例如可以利用 ADAMS 來模擬作用在輪胎上的垂直、轉向、牽引、制動、力與力矩；可以分析前懸架、轉向系統(tǒng)在跳動、轉向時各前輪定位角的變化、有沒有運動干涉；還可以應用 ADAMS 進行整個車輛或懸架系統(tǒng)道路操縱性的研究。2)利用 ADAMS 可模擬有較大位移動作的系統(tǒng)。ADAMS 很容易處理這種模型的非線性方程。3)可分析運動學靜定(對于非完整約束或速度約束一般情況的零自由度)系統(tǒng)。對于一個或多個自由度機構，ADAMS 可完成某一時間上的靜力學分析或某一時間間隔內的靜力學分析 【18】 。大學 屆畢業(yè)設計說明書92.3.2 ADAMS 模塊ADAMS 軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，功能已日益完善，現(xiàn)由基本模塊、擴展模塊、專業(yè)領域模塊、接口模塊和工具箱 5 類模塊組成。用戶不僅可以通過用戶界面模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且，針對特定工業(yè)應用領域的問題還可以采用專用模塊進行快速有效的建模與仿真 【20】 。另外，ADAMS 軟件所包含的模塊如下所示:1.基本模塊中文模塊名 英文模塊名用戶界面模塊 ADAMS/Viewer求解器模塊 ADAMS/Solver后處理模塊 ADAMS/Postprocessor2.擴展模塊中文模塊名 英文模塊名振動分析模塊 ADAMS/Vibration液壓系統(tǒng)模塊 ADAMS/Hydraulics試驗設計與分析模塊 ADAMS/Insight耐久性分析模塊 ADAMS/Durability線性化分析模塊 ADAMS/Linear高速動畫模塊 ADAMS/Animation數(shù)字化裝配回放模塊 ADAMS/DMU Replay3.專業(yè)領域模塊中文模塊名 英文模塊名轎車模塊 ADAMS/Car概念化懸架模塊 CSM懸架設計軟件包 Suspension Design動力傳動系模塊 ADAMS/Driveline駕駛員模塊 ADAMS/Drive大學 屆畢業(yè)設計說明書10輪胎模塊 ADAMS/Tire柔性輪胎模塊 F Tire Module柔性體生成器模塊 ADAMS/FBG發(fā)動機設計模塊 ADAMS/Engine經(jīng)驗動力學模型 EDM底盤模塊 ADAMS/Chassis鐵路車輛模塊 ADAMS/Rail附件驅動模塊 Accessory Drive Module配氣機構模塊 ADAMS/Engine Valve train正時鏈模塊 ADAMS/Engine Chain4.接口模塊中文模塊名 英文模塊名控制模塊 ADAMS/Controls柔性分析模塊 ADAMS/Flex圖形接口模塊 ADAMS/ExchangePro/E 接口模塊 Mechanical/PreCATIA 專業(yè)接口模塊 CATIA/ADAMS5.工具箱中文模塊名 英文模塊名虛擬試驗工具箱 Virtual Test Lab虛擬試驗模態(tài)分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis齒輪傳動工具箱 ADAMS/Gear Tool軟件開發(fā)工具包 ADAMS/SDK飛機起落架工具箱 ADAMS/landing Gear鋼板彈簧工具箱 Leaf spring Toolkit履帶/輪胎式車輛工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle大學 屆畢業(yè)設計說明書112.3.3 ADAMS 中的坐標系ADAMS 了兩種直角坐標系:總體坐標系和局部坐標系，它們之間通過關聯(lián)矩陣相互轉換?？傮w坐標系是固定坐標系，它不隨任何機構的運動而運動。它是用來確定構件的位移、速度、加速度等的參考系。局部坐標系因定在構件上，隨構件一起運動。構件在空間內運動時，共運動的線物理量(如線位移、線速度、線加速度等)和角物理量(如角速度、角位移、角加速度)都可由局部坐標系相對于總體坐標系移動、轉動時的相應物理量確定。而約束方程表達式均由相連接的兩構件的局部坐標系的坐標描述。機構的自由度(DOF)是機構所具有的可能的獨立運動狀態(tài)的數(shù)目。在 ADAMS 軟件中，機構的自由度決定了該機構的分析類型:運動學分析或動力學分析。當 DOF=O 時，對機構進行運動學分析，即僅考慮系統(tǒng)的運動規(guī)律，而不考慮產(chǎn)生運動的外力。在運動學分析中，當某些構件的運動狀態(tài)確定后，其余構件的位移、速度和加速度隨時間變化的規(guī)律，不是根據(jù)牛頓定律來確定的，而是完全由機構內構件間的約束關系來確定，是通過位移的非線性代數(shù)方程與速度、加速度的線性代數(shù)方程迭代運算解出；當 DOFO時，對機構進行動力學分析，即分析其運動是由于保守力和非保守力的作用而引起·的寧并要求構件運動不僅滿足約束要求，而且要滿足給定的規(guī)律。它又包括靜力學分析、準靜力學分析和瞬態(tài)靜力學分析。動力學的運動方程就是機構中運動的拉格朗乘子微分方程和約束方程組成的方程組:當 DOF0在計算機械系統(tǒng)自由度時應注意以下一些特殊問題:大學 屆畢業(yè)設計說明書12(l)復合鉸鏈兩個以上的構件同在一處以轉動副相聯(lián)接，構成了所謂復合鉸鏈，當有 m 個構件(包括固定構件)以復合鉸鏈相連接時，其轉動副的數(shù)目應為(m 一 l)個。(2)局部自由度與機械系統(tǒng)中需要分析的構件運動無關的自由度稱為局部自由度，在計算機械系統(tǒng)自由度時，局部自由度可以除去不計。(3)起重復限制作用的約束稱為虛約束，因此，虛約束又稱為多余約束，虛約束的存在雖然對機械系統(tǒng)的運動沒有影響，但引入虛約束后不僅可以改善機構的受力情況，還可以增加系統(tǒng)的剛性，因此在機械系統(tǒng)的結構中得到較多的使用。但計算機在求解運動方程組時，不應有虛約束的存在，因此，計算機進行機械系統(tǒng)運動分析時，程序將自動地查找虛約束，如果機械模型中有虛約束存在，計算機會隨機地將多余的虛約束刪除，這種處理方法使得計算結果同實際情況有所不同，而且可能出現(xiàn)多組解。2.3.4 ADAMS 的求解ADAMS 的整個計算過程(指從數(shù)據(jù)的輸入到結果的輸出，不包括前、后處理功能模塊)可以分成幾個部分:數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)的檢查、機構的裝配及虛約束的消除、運動方程的自動形成、積分迭代運算過程、運算過程中的錯誤檢查和信息輸出、結果的輸出。模型的組成及定義如下:(l)構件(part):它是機構內可以相互運動的剛體或剛體固定件。當定義構件時，需要給出構件局部坐標系的原點及方向，構件質心的位置，質量某參考坐標系的轉動慣量、慣性積等。在機構中，還要定義一個固定件(ground)作為參考系。(2)標識點(marker):它是構件內具有方向失量點。用標識點可以表明兩構件約束的連接點是相對運動方向、作用力的作用及方向等，在定義標識點時，除了定義它所在的構件外，還要定義該標識點的方向。（3）約束(constraint):它是機構內兩構件間的連接關系。（4）運動激勵(或驅動):它是機構內一個構件相對于另一構件按約束允許的運動方式，以給定的規(guī)律一進行的運動，該運動不受機構運動的影響。(5)力:它包括機構內部產(chǎn)生的作用力和外界對機構所加的作用力。大學 屆畢業(yè)設計說明書13(6)屬性文件:屬性文件是指減振器的速度與力的關系、輪胎的屬性或者是各種試驗數(shù)據(jù)等的文件。2.3.5 ADAMS 對模型中的剛體進行柔性化最直接的方法可在 ADAMS 環(huán)境中創(chuàng)建柔性梁，還可以采用間接的方法，把剛性模型導入到有限元分析軟件(如 ANSYS)中進行細化，然后再將細化后的模型導進 ADAMS 中，而這里為了方便建模采取第三種方法，就是直接運用 ADAMS/view 提供的功能模型把模型中需要軟化的剛性進行柔性化，只需輸入細化后的小個體大小值、模態(tài)階數(shù)等。注意的是，細化程度越大(也就細化成的小個體數(shù)量越小越多)，給計算機帶來的工作量將逐倍增大。2.3.6 ADAMS 對模型的約束、載荷及驅動施加本課題所涉及到的 ADAMS 功能操作只是 ADAMS 軟件中的一小部份。(1)施加約束.ADAMS/View 中約束定義了構件(剛體、柔性體和點質量)間的連接方式和相對運動方式，為用戶提供了一個非常豐富的約束庫，主要包括:理想約束，有轉動副·移動副和圓柱副等，虛約束，用來限制構件某個運動方向；運動產(chǎn)生器，驅動構件以某種方式運動；接觸限制，定義兩構件在運動中發(fā)生接觸時的相互約束關系。.旋轉副與移動副的創(chuàng)建都有三種方式，這里只介紹一種:兩個構件一個位置(2Bod一 1Loc)，即選擇需連接的兩個構件和一個連接位置，此時約束固定在第一個構件上，第一個構件相對于第二個構件運動。(2)施加載荷載荷并不完全阻止或描述運動，因此并不會使系統(tǒng)自由度增加或減少，一些載荷阻止運動的進行，一些載荷促進運動的進行，ADAMs/View 為用戶提供了四種類型的載荷:作用力；柔性連接，阻礙運動的進行，用戶只需提供產(chǎn)生通用性連接力的常系數(shù)，因此柔性連接比作用力更簡單易用；特殊力，如輪胎力和重力；接觸，接觸定義了運動模型中相互接觸構件間的相互作用關系。大學 屆畢業(yè)設計說明書14拉壓彈簧阻尼器在具有一定距離的兩構件間，施加一對帶有阻力的彈簧力，力的大小線性地取決于彈簧阻尼器兩端點間的相對位移和相對速度，施加彈簧阻尼器要求用戶在兩構件上指定彈簧阻尼器兩端點的位置，作用力作用在先選擇的位置上，ADAMS/Solver 自動在后選擇的位置施加和一個作用力大小相等方向相反的反作用力。接觸力是一種作用在構件上的特殊力，當兩個構件相互接觸發(fā)生變形時，產(chǎn)生接觸力，接觸力的大小與變形的大小和變形速度有關，如果兩個構件相互分開不接觸，則接觸力為零。(3)施加驅動只有施加驅動才能讓整個模型進行動態(tài)仿真，也就是給模型創(chuàng)建運動。運動副運動(Joint Motion)定義了移動副、轉動副或圓柱副中移動或轉動運動，相應的運動副運動去除相應的自由度，本課題中的運動只需運用運動副中的轉動副，轉動副消除了兩個構件間的 3 個移動自由度和 2 個轉動自由度。對于旋轉運動，約束構件 1 按右手定則繞構件 2 的 Z 軸旋轉，要求構件 1 的 Z 軸必須始終同構件 2 的 Z 軸保持平行，當夾角為零時，構件 1 的 X 軸同構件 2 的 X 軸平行。這里要注意的是:如果定義的運動導致非零的初始加速度，ADAMS/Solver 在運動學仿真的最初 2—3 步積分分析中，可能會產(chǎn)生不可靠的加速度，ADAMS/Solver 在輸出時，會自動糾正這些錯誤。創(chuàng)建運動副運動時，需要在設置欄輸入速度值，也可以用函數(shù)表達式或自編子程序定義運動值，這時產(chǎn)生的運動將更加復雜。大學 屆畢業(yè)設計說明書153 模型的建立與分析3.1 車體模型為了對礦用鉸接式自卸車進行動態(tài)模擬仿真，首先要在 solidworks 中建立一個簡單模型的裝配圖（圖 2.1） ，主要包括主機架（圖 2.2） 、后機架（圖 2.3） 、車軸（圖2.4） 、輪轂（圖 2.5） 、鋼板彈簧（圖 2.6）與輪胎，基本上包含了礦用鉸接式自卸車的主要部件，可以較精確的完成車架的模擬仿真，并作出相應的分析。圖 2.1 裝配圖圖 2.2 主機架大學 屆畢業(yè)設計說明書16圖 2.3 后機架圖 2.4 車軸大學 屆畢業(yè)設計說明書17圖 2.5 輪轂圖 2.6 鋼板彈簧大學 屆畢業(yè)設計說明書18礦用鉸接式自卸車的主體是由主機架和后機架組成的，然后由車軸進行支撐與傳動，在車架與車軸中間有起到減震作用的鋼板彈簧，再加上輪胎就可以組成簡化的模型，其中輪胎是在 ADAMS 軟件中添加的，下面重點介紹下輪胎的添加與道路模型。3.2 輪胎的選擇與參數(shù)ADAMS 軟件提供了四種用于動力學仿真計算的輪胎模型。即默認的 Fiala 模型、UA(University of Arizona)模型、Smithers 模型、DELET 模型，此外還可由用戶自定義模型。其中 Fiala 模型是 Fiala 在 1954 年由簡化的輪胎理論模型推導出的無量綱解析式，該模型計算縱向力、側向力、垂直力、回正力矩、滾動阻力矩隨側偏角、滑移率及垂直方向變形的變化規(guī)律，外傾推力沒有計入模型。該模型比較簡單，對于不包括聯(lián)合滑動(縱向滑動、側向滑動)的情況下，側向力的計算精度尚可，回正力矩誤差較大；UA 模型是 1988 年由 Arizona 大學的 Nikravesh 和 Gim 等人研制開發(fā)的，其特點是各方向的力和力矩由耦合的側偏角、滑移率、外傾角及垂直方向變形等參數(shù)顯式表達，該模型考慮了縱向和側向聯(lián)合滑動的情況，因而準確、全面，比 Fiala 模型提供較準確的回正力矩值，但回正力矩計算仍存在一定誤差，以上兩種輪胎模型屬于解析模型；Smithers 模型使用來自 Smithers Seientific Services 的數(shù)據(jù)計算側向力和回正力矩，使用 Fiala 模型計算其余的力和力矩。該模型計算精度較高，但只有在獲取了他們提供的輪胎試驗數(shù)據(jù)的前提下才能使用；DELET 模型又稱 Magic Formula 模型，是世界上著名的輪胎模型，其函數(shù)表達式和數(shù)據(jù)格式與其他的輪胎模型不同，該模型所有的函數(shù)、公式只用正弦、余弦這兩個三角函數(shù)來表達。ADAMS 軟件中的 DELET 模型中的數(shù)據(jù)文件由十一塊組成，每一塊都有獨立的數(shù)據(jù)單元，分別模擬輪胎的不同工況。用戶自定義模型需要編寫子程序，各方向力、力矩的計算根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行插值計算得到，其模型精度取決于試驗精度和建模的合理性。以上兩種輪胎模型屬于試驗模型【20】 【21】 。建立 ADAMS 輪胎模型時，需提供相應的輪胎特性文件。其中包含的輪胎特性參數(shù)有:車輪自由半徑、輪胎徑向剛度、縱向滑移剛度、側偏剛度、外傾剛度、徑向相對阻尼系數(shù)、滾動阻力系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)，任一時刻，輪胎相對于路面的運動產(chǎn)生的輪胎變形和側偏角等運動信息。對于不同的輪胎模型，ADAMS_Tire 根據(jù)運動大學 屆畢業(yè)設計說明書19信息和輪胎特性參數(shù)，采用相應的計算公式計算各時刻輪胎接地點處的六個作用力。這個過程，如此循環(huán)，直到達到要求的仿真時間。根據(jù)上面的分析，本文進行的動力學仿真分析采用了 UA 模型，UA 輪胎模型屬性文件如下：$----------------------------------------------------------------MDI_HEADER[MDI_HEADER]FILE_TYPE = ‘tir’FILE_VERSION = 2.0FILE_FORMAT = ‘ASCII’(COMMENTS){comment_string}‘Tire - XXXXXX’‘Pressure - XXXXXX’‘Test Date – XXXXXX’‘Test tire’‘New File Format v2.1’$---------------------------------------------------------------------units[UNITS]LENGTH = ‘meter’FORCE = ‘newton’ANGLE = ‘rad’MASS = ‘kg’TIME = ‘sec’$---------------------------------------------------------------------model[MODEL]! use mode 1 2 3 ! ------------------------------------------! relaxation lengths X 大學 屆畢業(yè)設計說明書20! smoothing X !PROPERTY_FILE_FORMAT = ‘UATIRE’USE_MODE = 2$-----------------------------------------------------------------dimension[DIMENSION]UNLOADED_RADIUS = 0.5WIDTH = 0.19ASPECT_RATIO = 0.55$-----------------------------------------------------------------parameter[PARAMETER]VERTICAL_STIFFNESS = 50000000VERTICAL_DAMPING = 50ROLLING_RESISTANCE = 0.003CSLIP = 80000CALPHA = 60000CGAMMA = 3000UMIN = 0.8UMAX = 1.1REL_LEN_LON = 0.6REL_LEN_LAT = 0.5$---------------------------------------------------------------------shape[SHAPE]{radial width}1.0 0.01.0 0.21.0 0.4大學 屆畢業(yè)設計說明書211.0 0.61.0 0.80.9 1.03.3 道路模型在 MSC.ADAMS 中，道路時域、道路模型是通過屬性文件表達的，屬性文件的創(chuàng)建時使用獨立插件 Road Builder 路面建模器完成的，老版本的 ADAMS 路面建模器需要單獨的許可證，可以生成后綴名為.rdf 的 TeimOrbit 格式路面文件。自 2005 版后，路面建模器已經(jīng)作為一個標準插件集成到 ADAMS 中，但只支持 XML 格式的 3D 路面文件。目前的狀態(tài)是 TeimOrbit 和 XML 兩種格式并存，其中 TeimOrbit 格式的路面文件既有 2D 也有 3D 的。但是，無論是哪種格式其路面參數(shù)的關鍵詞以及定義方式是不變的。了解 TeimOrbit 格式的關鍵詞對于使用 XML 格式文件有很大的幫助。所謂 2D 路面是指路面參數(shù)只用 XZ 平面的點定義而形成的一條二維曲線，3D 路面是三維平滑路面的統(tǒng)稱。2D 和 3D 都可以定義路面的基本形狀和各種缺陷（如凹坑、波紋等） ，在共享數(shù)據(jù)庫中的路面文件是以這些基本特征命名的。例如在操縱性仿真中常用的二維平整路面文件如下所示：$----------------------------------------------------------------MDI_HEADER[MDI_HEADER]FILE_TYPE = ‘rdf’FILE_VERSION = 5.00FILE_FORMAT = ‘ASCII’(COMMENTS){comment_string}‘flat 2d contact road for testing purposes’$---------------------------------------------------------------------UNITS[UNITS]LENGTH = ‘mm’FORCE = ‘newton’大學 屆畢業(yè)設計說明書22ANGLE = ‘radians’MASS = ‘kg’TIME = ‘sec’$---------------------------------------------------------------------MODEL[MODEL]METHOD = ‘2D’FUNCTION_NAME = ‘ARC901’ROAD_TYPE = ‘flat’$------------------------------------------------------------------GRAPHICS[GRAPHICS]LENGTH = 160000.0WIDTH = 80000.0NUM_LENGTH_GRIDS = 16NUM_WIDTH_GRIDS = 8LENGTH_SHIFT = 10000.0WIDTH_SHIFT = 0.0$----------------------------------------------------------------PARAMETERS[PARAMETERS]MU = 1.0路面文件的結構分為幾個數(shù)據(jù)塊，其中[MDI_HEADER]數(shù)據(jù)塊、[UNITS]數(shù)據(jù)塊的定義與其他屬性文件一樣，[MODEL]數(shù)據(jù)塊定義路面的類型，[GRAPHICS]數(shù)據(jù)塊定義路面幾何圖形，[PARAMETERS]數(shù)據(jù)塊定義路面的如摩擦系數(shù)、幾何形態(tài)等參數(shù)。道路的類型在 TeimOrbit 格式的道路屬性文件中通過[MODEL]數(shù)據(jù)塊中的METHOD、ROAD_TYPE 語句定義，[MODEL]數(shù)據(jù)塊定義的常用道路類型如下表 3.1 所示。大學 屆畢業(yè)設計說明書23表 3.1 數(shù)據(jù)塊定義 [FUNCTION_NAME]函數(shù)名稱變量指路面與輪胎接觸函數(shù) ID 號。METHOD FUNCTION_NAME ROAD_TYPEDRUM 輪胎轉鼓試驗臺FLAT 平整路面PLANK 矩形凸塊路POLY_LINE 折線路面POT_HOLE 凹坑路面RAMP 斜坡路面ROOF 三角形凸塊路面SINE 正弦波路面SINE_SWEEP 正弦變波紋路面‘2D’二維路面 ‘ARC901’STOCHASTIC_UNEVEN 隨機不平路面‘3D’ ‘ARC904’/none 3D 等效容積道路‘3D_SPLINE’ ‘ARC903’/none 3D 樣條路面‘5.2.1’ ‘ARC913’ FLAT 或 INPUT 521 輪胎模型專用路‘USER’ ‘ARC501’ 自定義大學 屆畢業(yè)設計說明書244 車架的動態(tài)仿真4.1 仿真平臺的總體設計本仿真軟件系統(tǒng)基本操作流程如圖 4.1 所示。圖 4.1 流程圖START配置系統(tǒng)參數(shù)創(chuàng)建關節(jié)\約束ADAMS 基本建模工具三維實體建模軟件 創(chuàng)建模型定義材料屬性施加力和力矩設置環(huán)境參數(shù)設置仿真參數(shù)開始仿真End大學 屆畢業(yè)設計說明書25其中需要注意的問題是軟件環(huán)境的設置，ADAMS 中的默認單位制是 mm Kg s rad，必須注意單位，否則將出現(xiàn)不可預知的錯誤，用戶可以修改單位至任何想要的單位制，各個國際單位可以任意組合。ADAMS 中任何新建對象的材料屬性一律默認為鋼(Steel)，在創(chuàng)建完對象后，用戶可以修改其材料屬性；用戶也可以修改其材料屬性；用戶也可以自己定義一種新材料。4.2 約束載荷驅動的添加把模型導入 ADAMS 中，把所有部件材料都設置為鋼，然后添加運動副，經(jīng)過分析，模型共有固定副 10 個，旋轉副 5 個，滑移副 4 個（需特別注意工作柵格的方向） ，然后添加輪胎（選取 UA 模型） ，添加路面文件，添加完驅動后就可以進行動態(tài)仿真。模型如圖（4.2）圖 4.2 整體模型