基于ADAMSCAR前懸架仿真

1、摘 要操縱穩(wěn)定性是汽車的重要使用性能之一,它不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度,而且也是決定高速汽車行駛安全的一個(gè)重要性能,被稱為“高速車輛的生命線”。因此操縱穩(wěn)定性日益受到人們的重視。但是傳統(tǒng)的研究分析方法已無法滿足現(xiàn)代汽車的研究要求,現(xiàn)在虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)新的產(chǎn)業(yè)技術(shù),己經(jīng)開始應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。本文正是利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS研究探討懸架系統(tǒng)對操縱穩(wěn)定性的影響。 本文以汽車的前懸架系統(tǒng)為研究對象,應(yīng)用ADAMS軟件對汽車做仿真優(yōu)化分析。第二章和第三章詳細(xì)的介紹了汽車操縱穩(wěn)定性在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及研究成果及ADAMS軟件。然后利用ADAMS/Car模塊建立汽車的前懸架系統(tǒng)并對該系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿

2、真分析 。 關(guān)鍵字 ADAMS/CAR 汽車操縱穩(wěn)定 前懸架 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真窗體頂端 AbstractHandling and stability is one of the important performance of the car, it not only affects the ease of manipulation of motorists, but also determine the performance of an important high-speed cars with security, known as "high-speed vehicles life

3、line." Therefore, increasing handling stability people's attention. But the traditional analysis methods have been unable to meet the research requirements of modern car, and now virtual prototype technology as a new industrial technology, had begun applied to various fields. This article i

4、s the use of dynamic simulation software ADAMS study investigated the effect of steering stability of the suspension system.In this paper, the car's front suspension system for the study, application software ADAMS simulation and optimization analysis of automobile do. The second and third chapt

5、ers detailed description of the vehicle handling and stability at home and abroad and the research and development of ADAMS software. Then use ADAMS / Car module builds the front suspension system of the vehicle and the system simulation analysis.Keywords ADAMS / CAR car front suspension kinematics

6、simulation steering stability 目 錄摘要.Abstract.1 緒論. 1.1 課題研究背景. 1.2 課題的研究意義與內(nèi)容.2 汽車操縱穩(wěn)定性的介紹.2.1 汽車操縱穩(wěn)定的基本概念.2.1 汽車操縱穩(wěn)定的研究歷史與現(xiàn)狀.3 ADAMS 軟件介紹. 3.1 軟件簡介.3.2 ADAMS 模塊簡介. 4 基于ADAMS/Car 汽車前懸架系統(tǒng)模型的建立. 4.1 ADAMS/Car 建模原理.4.2 懸架系統(tǒng)介紹. 4.2.1 雙臂獨(dú)立式懸架. 4.2.2 麥佛遜式獨(dú)立懸架.4.3 前懸架系統(tǒng)模型的建立.4.4 本章小結(jié).5 前懸架系統(tǒng)的仿真.5.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真目的

7、.5.2 前懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真. 5.2.1 5.3 本章小結(jié). 6 總結(jié)與展望.參考文獻(xiàn). 致謝.1 緒 論1.1 課題研究背景 當(dāng)今世界汽車工業(yè)迅猛發(fā)展,汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要交通運(yùn)輸工具。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車的普及,人們對汽車的要求也越來越高,在獲得良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),還要求汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。操縱穩(wěn)定性是影響汽車安全性的主要因素之一,因此如何評價(jià)和設(shè)計(jì)汽車的操縱穩(wěn)定性、獲得良好的安全性,一直是汽車領(lǐng)域的重要課題。 在這一領(lǐng)域中,基礎(chǔ)車輛動(dòng)力學(xué)模型理論的研究和利用所得模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究都顯得十分重要。尤其在計(jì)算機(jī)工業(yè)高度發(fā)

8、達(dá)的今天,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真分析是一種既現(xiàn)實(shí)又經(jīng)濟(jì)的方法。而我們所建立的汽車模型也經(jīng)歷了一個(gè)從簡單到復(fù)雜、從粗糙到精確的過程。這是因?yàn)槠囀且粋€(gè)包含慣性、彈性、阻尼等動(dòng)力學(xué)特性的一個(gè)多自由度非線性連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)。而且由于組成汽車的各機(jī)械子系統(tǒng)如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、輪胎等之間的相互禍合作用,使汽車的動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜。要想真實(shí)地描述汽車的動(dòng)態(tài)特性,必須考慮盡可能多零件的運(yùn)動(dòng),得到精確的數(shù)學(xué)模型。然而,太復(fù)雜的模型方程又給求解帶來巨大困難,甚至得不到結(jié)果。因此,各國學(xué)者在這一領(lǐng)域中研究的傳統(tǒng)方法是通過試驗(yàn)或人為地把汽車各子系統(tǒng)加以簡化,抽取出能夠代表系統(tǒng)或總成特性的本質(zhì)因素,建立起較簡單的數(shù)學(xué)、力學(xué)

9、模型進(jìn)行求解,并把求得的結(jié)果試驗(yàn)加以驗(yàn)證川。 理論研究的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,使得虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)編寫的大型通用軟件為工程技術(shù)人員提供了方便的建模手段。應(yīng)用大型通用軟件能自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程,并利用軟件內(nèi)部的數(shù)學(xué)求解器準(zhǔn)確的求解,不需要人工建立、求解方程,編寫程序,因而能夠節(jié)省大量的時(shí)間和人力物力,提高工作效率。這對于行業(yè)競爭逐漸加劇的汽車工業(yè)行業(yè)來說無疑是一大福音。在產(chǎn)品開發(fā)中采用虛擬樣機(jī)分析的開發(fā)策略,成為各大汽車公司縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量,從而提高競爭能力的主要做法。 隨著CAD/CAE/CAM在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中的廣

10、泛采用,人們逐漸意識到提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及降低產(chǎn)品開發(fā)最有效的途徑應(yīng)用數(shù)字化功能樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)水平的設(shè)計(jì)。它可以有效地將三維實(shí)體模型及應(yīng)用有限元FEA(Finite Element Analysis)軟件描述的零部件模態(tài)有機(jī)地結(jié)合起來,準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)在虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬場地上進(jìn)行的各種模擬試驗(yàn)的性能。在這一領(lǐng)域美國MSC公司的ADAMS軟件是目前無可基于的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)初步研究爭議的領(lǐng)導(dǎo)者,是世界上市場占有率最高的機(jī)械系統(tǒng)仿真MSS(Mechanical System Simulation)軟件。汽車的操縱穩(wěn)定性是影響其主動(dòng)安全性的主要性能之一,而且計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日益成熟,

11、在這種背景下軟件將越來越廣泛的應(yīng)用于汽車操縱穩(wěn)定性研究中。1.2 課題的研究意義與內(nèi)容 SUV（運(yùn)動(dòng)型多功能車） 通常采用非承載式車身結(jié)構(gòu)，底盤有堅(jiān)固的車架，使得 SUV在碰撞或者翻車時(shí)對乘員有良好的保護(hù)作用；同時(shí)SUV離地間隙大使得汽車有良好的通過性能和良好的視野。這些特點(diǎn)使得SUV具有很好的道路適應(yīng)性和更多的駕駛樂趣，于是越來越受到大家的歡迎。但是 SUV重心高非簧載質(zhì)量大等缺點(diǎn)使得汽車的操縱穩(wěn)定性受到很大的影響，使得SUV的側(cè)傾穩(wěn)定性比較差在避讓或轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)翻的事故率很高，這已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家和交通安全部門一個(gè)十分頭疼的問題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在美國，2004年SUV翻車造成的悲劇在SUV的各類車

12、禍中占到61，是一般轎車翻車事故死亡率的三倍，所以SUV的安全問題越來越受到人們的關(guān)注。 如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來解決這一問題，也是國內(nèi)目前普遍采用的方法，就是先分析 SUV 產(chǎn)生側(cè)翻的原因主要為汽車重心高度、懸架側(cè)傾角剛度、側(cè)傾中心高度等，然后計(jì)算在某一狀態(tài)下汽車的側(cè)傾剛度、側(cè)傾中心的一系列的參數(shù)，由于汽車的懸架系統(tǒng)是個(gè)很復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的計(jì)算過于繁瑣，這些參數(shù)都只能在很小的范圍內(nèi)保證其準(zhǔn)確性，并且還沒法考慮其系統(tǒng)中的橡膠襯套等元件的變形，往往通過多次試驗(yàn)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題也很難找到產(chǎn)生問題的原因。于是人們想到了如果利用計(jì)算機(jī)來解決這一問題會大大縮短開發(fā)周期

13、，并能提高分析的準(zhǔn)確性。 內(nèi)容還沒有完2 汽車操縱穩(wěn)定性的介紹 2.1 汽車操縱穩(wěn)定的基本概念 汽車操縱穩(wěn)定性，是指在駕駛員不感覺過分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛員通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向（直線或轉(zhuǎn)彎）行駛；且當(dāng)受到外界干擾（路不平、側(cè)風(fēng)、貨物或乘客偏載）時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的性能。 操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度,而且也是決定高速汽車安全行駛的一個(gè)主要性能,所以被稱為“高速車輛的生命線”。隨著道路條件的不斷改善,汽車在公路上的行駛速度也不斷提高。因此汽車的高速操縱穩(wěn)定性日益受到人們的重視,如何研究和評價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性,以獲得良好的汽車主動(dòng)安全性也成為一個(gè)

14、重要的課題。 2.2 汽車操縱穩(wěn)定的研究歷史與現(xiàn)狀 汽車操縱穩(wěn)定性的研究,是與汽車車速的不斷提高分不開的。早期的低速汽車,還談不上操縱穩(wěn)定性問題,最早提出操縱穩(wěn)定性的問題是在具有較高車速的賽車上。后來,隨著車速的不斷提高,在轎車、大客車和載重汽車上也都不同程度地出現(xiàn)了類似的問題。操縱穩(wěn)定性不好的汽車通常會有“飄”、“反應(yīng)遲鈍”、“晃”、“喪失路感”和“失去控制”等現(xiàn)象。 在國外,二十世紀(jì)三十年代才開始對汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。并取得了不少有價(jià)值的研究成果。1925年法國工程師喬治·布勞海特發(fā)現(xiàn)了輪胎側(cè)偏現(xiàn)象。同時(shí),這一年也建立起了驅(qū)動(dòng)力學(xué)的普遍原理。但由于缺乏對輪胎產(chǎn)生的橫向

15、力的理解,此項(xiàng)理論一直沒有得到全面的應(yīng)用。1935年Evans給出了有關(guān)輪胎力學(xué)特性較為深入的結(jié)果,包括輪胎側(cè)偏剛度隨著側(cè)偏角變化的規(guī)律。隨后的幾年里,汽車操縱穩(wěn)定性理論的一些重要的基本概念,如不足轉(zhuǎn)向、過度轉(zhuǎn)向、臨界車速等已被汽車工程師們所熟悉。英國的Lanchester法國的Broulhet開始了車輛獨(dú)立懸架的研究,并對轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)和懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)對車輛性能的影響進(jìn)行了分析。并月人們開始認(rèn)識到了輪胎側(cè)向力學(xué)的重要性。1934年 Olley首先提出車速是一個(gè)關(guān)鍵因素。固特異輪胎公司根據(jù)他們的研究成果,進(jìn)行了轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn),研究了輪胎特性。1935年,Evans發(fā)表了關(guān)于輪胎橫向特性的文章,并給出了轉(zhuǎn)向力

16、和回正力矩”。1956年,Cornell Aeronautical實(shí)驗(yàn)室的William F.Milliken,David W.Whitcomb和Leonard Segel發(fā)表了一套較為完整的關(guān)于車輛操縱穩(wěn)定性的理論和定量分析的文章。其中很多的理論到現(xiàn)在仍被引用。在Whitcomb的文章中,他利用兩自由度模型得出了一系列汽車穩(wěn)定性和操縱性方面的結(jié)論。由于不考慮側(cè)傾自由度,Whitcomb把汽車簡化成了相當(dāng)于自行車的兩自由度模型,研究了兩自由度模型的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。在研究汽車橫擺響應(yīng)時(shí),引入了穩(wěn)定性因數(shù)K的概念。 在二十世紀(jì)60年代以前,對操縱穩(wěn)定性的研究主要以開環(huán)研究為主,所謂開環(huán)研究就是

17、把汽車作為一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),求出汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性,對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析,用橫擺角速度頻率響應(yīng)特性、方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)、不足轉(zhuǎn)向特性和過度轉(zhuǎn)向特性等來表征汽車的特性。按照這種方法研究汽車操縱穩(wěn)定性,需要建立精確的汽車動(dòng)力學(xué)模型。之前的開環(huán)研究取得了許多的研究成果,詳細(xì)討論了汽車的不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向特性分析了保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性條件是臨界車速必須大于汽車最高車速等。其應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論,依據(jù)汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析,使用不足一過度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階躍響應(yīng)特性,來對汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。Martin Goland和Fr

18、ederick Jindra在1961年發(fā)表的文章中用兩個(gè)自由度的模型研究了四輪汽車的操縱性和穩(wěn)定性。他將側(cè)傾自由度用作用于輪胎上的垂直載荷來近似模擬,考慮了輪荷轉(zhuǎn)移效應(yīng),并分析輪胎的力學(xué)特性隨著車輪載荷的變化而改變。結(jié)果表明操縱穩(wěn)定性隨著質(zhì)心的變化而變化,并且輪胎壓力和輪胎寬度都在改變。1967年,通用公司的R.Thomas Bundorf在文章中討論了汽車參數(shù)設(shè)計(jì)和不足轉(zhuǎn)向以及特征車速的關(guān)系,并提出如何預(yù)測和實(shí)際測量車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。他指出特征車速是線性模型的產(chǎn)物;在正常行駛條件下(橫向加速度小于1/3g),車輛可由線性模型模擬,并且需要建立大直徑側(cè)滑試驗(yàn)場來測量特征車速。Bundorf

19、還推導(dǎo)出了在給定設(shè)計(jì)參數(shù)下預(yù)測特征車速的表達(dá)式。 在日本,自從近藤提出了關(guān)于駕駛員對車輛操縱動(dòng)作的基本觀點(diǎn)以來,藤井、井口、三川等人的研究中采用了各種傳遞函數(shù)來描述駕駛員的操縱和汽車的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橛芯_的數(shù)學(xué)模型,能夠得出精確的數(shù)字解,這些研究工作對車輛的設(shè)計(jì)、分析和評價(jià)車輛性能是很有價(jià)值的。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和對輪胎側(cè)偏特性的深入研究,使得已經(jīng)有可能對汽車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)做出相當(dāng)全面而逼真的仿真,人們提出了自由度越來越多的數(shù)學(xué)力學(xué)模型,同時(shí)也提出了各種評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性。 七十年代初期,EVS研究計(jì)劃開始實(shí)施,促使人們?nèi)パ芯繉?shí)用的操縱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法。鑒于當(dāng)時(shí)的駕駛員模型仍處于提高閉環(huán)跟蹤響

20、應(yīng)的仿真精度的水平,各國研究人員主要采用系統(tǒng)工程學(xué)的方法去探索操縱穩(wěn)定性的評價(jià)方法。依據(jù)大量的試驗(yàn)與理論分析,首先指出了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性、瞬態(tài)響應(yīng)特性、回正特性和側(cè)向滑移特性的安全容許范圍或極限,對操縱性進(jìn)行了客觀評價(jià)。從七十年代開始,計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展,操縱穩(wěn)定性的研究和計(jì)算機(jī)緊密地結(jié)合起來,車輛仿真模型變得更加復(fù)雜和真實(shí),對操縱穩(wěn)定性的研究也更加逼真。先期的仿真工作都在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,它能解決實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)問題,但其致命缺點(diǎn)是不能解決非線性問題。70年代早期,工程師設(shè)計(jì)了在數(shù)字和模擬聯(lián)合計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的代碼,使車輛動(dòng)力學(xué)模型既可實(shí)時(shí)仿真又可包含非線性因素。具有代表性的工程師有Murpphy Tif

21、fany Hickner 。 七十年代中期以后,開始利用駕駛員對汽車直線行駛性能、轉(zhuǎn)彎性能和轉(zhuǎn)向輕便性等特性的感覺,進(jìn)行主觀評價(jià)。主觀評價(jià)方法雖然沒有經(jīng)過理論推導(dǎo),但是由于考慮了駕駛員因素和道路環(huán)境的特點(diǎn),所以在一定程度上體現(xiàn)了閉環(huán)設(shè)計(jì)的思想。但由于對汽車的瞬態(tài)響應(yīng)等特性的主、客觀評價(jià)不一致,難以有效地設(shè)計(jì)汽車的操縱穩(wěn)定性。 八十年代初,人們從理論和試驗(yàn)兩方面入手,重新開始深入研究人一車閉環(huán)系統(tǒng)。在理論方面,充分地考慮到人的學(xué)習(xí)性和適應(yīng)性,建立了許多確定性駕駛員方向控制模型,有效地仿真了人一車閉環(huán)系統(tǒng)對給定路徑的跟隨過程。在試驗(yàn)方面,考慮到駕駛員模型的進(jìn)展程度不能滿足主動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)的要求以

22、及安全試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法只能在樣車試制后采用并受自然條件限制等缺陷,研制了開發(fā)型駕駛模擬器。這種駕駛模擬器采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真、數(shù)字成像、液壓控制等技術(shù),將真實(shí)的人和模型化的汽車相結(jié)合,通過室內(nèi)計(jì)算機(jī)仿真代替場地試驗(yàn),緩和了理論研究的發(fā)展程度與汽車主動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)要求之間的矛盾。 九十年代以來,利用開發(fā)型駕駛模擬器進(jìn)行人一車閉環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性研究,改進(jìn)汽車運(yùn)動(dòng)性能是國際上近期主要的發(fā)展方向之一。1991年日本馬自達(dá)汽車公司興建了運(yùn)動(dòng)車型開發(fā)型駕駛員模擬器。1993年初,美國福特汽車公司也研制出開發(fā)型駕駛員模擬器。我國吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成功的開發(fā)型駕駛模擬器也投入使用,現(xiàn)屬世界一流

23、水平。在我國,汽車操縱穩(wěn)定性研究始于七十年代。清華大學(xué)和長春汽車研究所都同時(shí)系統(tǒng)地開展了這方面研究工作。我國開展汽車操縱穩(wěn)定性研究的歷史雖不太長,但吸取了國外的研究成果和經(jīng)驗(yàn),進(jìn)展較快。其中,成就最突出的是吉林大學(xué)的郭孔輝院士。郭孔輝教授在駕駛員模型、人一車閉環(huán)系統(tǒng)特性及人一車閉環(huán)系統(tǒng)的定量評價(jià)方面做了大量研究工作。他在研究駕駛員一汽車一道路閉環(huán)操縱系統(tǒng)模型且考慮了影響汽車操縱性的諸多因素的基礎(chǔ)上,提出了物理意義明確的各個(gè)單項(xiàng)總方差評價(jià)指標(biāo),并應(yīng)用頻率統(tǒng)計(jì)分析方法提出了閉環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性的綜合評價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。3 ADAMS 軟件介紹 3.1 軟件簡介 ADAMS

24、，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國機(jī)械動(dòng)力公司(Mechanical Dynamics Inc.)(現(xiàn)已并入美國MSC 公司)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元、占據(jù)了51%的份額，現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司。 ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，

25、建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。 ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。 3.2 ADAMS 模塊簡介 ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)

26、械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。Adams是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用Adams在計(jì)算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。MD Adams（MD代表多學(xué)科）是在企業(yè)級 MSC SimEnterprise仿真環(huán)境中與MD Nastran相互補(bǔ)充，提供了對于復(fù)雜的高級工程分析的完整的仿真環(huán)境， SimEnterprise是當(dāng)今最為完整的集成仿真和分析技術(shù)。MD Adams的發(fā)布完全支持運(yùn)動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合仿真，與MD Nastran的雙向集成可以釋放便利地將Adams的模型輸出到Nas

27、tran進(jìn)行更為詳細(xì)的NVH分析或應(yīng)力恢復(fù)，繼而進(jìn)行壽命/損傷計(jì)算。MD Adams/Car應(yīng)用MD Adams/Car，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以快速建立和測試整車和子系統(tǒng)的功能化虛擬樣車。這可以幫助在車輛研發(fā)過程中節(jié)省時(shí)間、降低費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，提升新車設(shè)計(jì)的品質(zhì)。通過MD Adams/Car的仿真環(huán)境，汽車工程師們可以在虛擬環(huán)境中對于不同的路面、不同的實(shí)際條件反復(fù)測試他們的設(shè)計(jì)，從而得到滿意的結(jié)果。MD Adams/Car包含許多的功能模塊用于多學(xué)科仿真。Multidiscipline Value多學(xué)科價(jià)值多學(xué)科的價(jià)值在于大大地拓廣了數(shù)字分析的能力，MSC的MD技術(shù)是優(yōu)化的涵蓋跨學(xué)科/多學(xué)科的集成，可以充分

28、利用現(xiàn)有的高性能計(jì)算技術(shù)解決大量大規(guī)模的問題。多學(xué)科技術(shù)聚焦于提升仿真效率、保證設(shè)計(jì)初期設(shè)計(jì)的有效性、提升品質(zhì)、加速產(chǎn)品投放市場。4 基于ADAMS/Car 汽車前懸架系統(tǒng)模型的建立4.1 ADAMS/Car 建模原理 DAMS/Car模塊通常的建模程序是：設(shè)計(jì)人員首先在“Template Budider”（模板）下創(chuàng)建所需的模板，或?qū)σ延械哪０暹M(jìn)行修改以適應(yīng)建模要求；然后根據(jù)建立的模板在“Standard Interface”（標(biāo)準(zhǔn)界面）下建立子系統(tǒng)模型，并將子系統(tǒng)模型組裝成系統(tǒng)總成或整車模型；最后根據(jù)研究目標(biāo)對組裝好的懸架或整車模型給出不同的分析命令，即可進(jìn)行不同工況下的仿真分析或優(yōu)化設(shè)計(jì)

29、8。由于ADAMS/Car模板采用的是自下而上的建模順序(即懸架整車總成模型都是建立于子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)之上，而不同的子系統(tǒng)則需要建立不同的模板)，因此，在“Template Builder”中建立模板是ADAMS/Car仿真分析首要的關(guān)鍵步驟。（1）物理模型的簡化  根據(jù)物理模型中各零件之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，定義出各零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把沒有相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件進(jìn)行整合，定義為“General Part”。（2）確定“Hard Point”(硬點(diǎn))   硬點(diǎn)即為各零件間連接處的幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在模板坐標(biāo)系內(nèi)給出零件之間連接點(diǎn)的幾何位置。（3）創(chuàng)建零件  根

30、據(jù)硬點(diǎn)位置或零件質(zhì)心的絕對坐標(biāo)創(chuàng)建零件，并將實(shí)際零件的參數(shù)（如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等）輸入到相應(yīng)的對話框中。注意，零件的三個(gè)坐標(biāo)軸方向必須與絕對坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)軸平行。（4）定義“Mount”（組裝）  系統(tǒng)總成或整車模型都是由多個(gè)子系統(tǒng)裝配而成，因而要在各子系統(tǒng)中定義“Mount”（組裝），以方便各子系統(tǒng)模型之間的裝配連接。（5）創(chuàng)建零件的“Geometry”(幾何形體)   在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立零件的幾何形體。由于零件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)已經(jīng)確定，因此幾何形體對動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果實(shí)際上沒有影響4。但在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，零件的外形輪廓直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉?？紤]到模型的直觀

31、性，零件的幾何形狀應(yīng)盡可能地貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)。（6）定義“Attachment”(連接)   按照各個(gè)零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定約束類型，通過“Joint”（約束）或“Bushing”(襯套)等將各零件連接起來，從而構(gòu)成子系統(tǒng)模板的結(jié)構(gòu)模型。定義連接是正確建模的重要步驟，它直接關(guān)系著系統(tǒng)自由度的合理性。（7）定義“Parameter Variable”(參數(shù)變量)   對不同的子系統(tǒng)模板，通常還需定義相應(yīng)的參數(shù)變量，例如懸架模型中通常需對前輪定位參數(shù)進(jìn)行定義。（8）定義、測試通訊器（Communicator）。   創(chuàng)建、核

32、對與外部連接的通訊器的類型、名稱、對稱性。4.2 越野車前懸架模型的建立 4.2.1 簡化模型 設(shè)懸架模型的絕對坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線之中點(diǎn)，車輛行駛方向?yàn)閤軸負(fù)向，y軸由坐標(biāo)原點(diǎn)指向駕駛員右側(cè)，z軸符合右手螺旋法則垂直向上。假設(shè)前懸架關(guān)于整車縱向中心對稱面對稱，這樣在建模過程中將type選為left，只需建立半個(gè)前懸架模型，另一半模型（包括零件、硬點(diǎn)、約束）可由ADAMS/Car自動(dòng)生成。忽略導(dǎo)向桿件的柔性和變形，假設(shè)前懸架是一個(gè)多缸體系統(tǒng)，除了在減振器與車身及控制臂與副車架等連接處定義了“Bushing”(襯套)的彈性特性之外，系統(tǒng)各零件及車身均假定為缸體。假設(shè)所研究

33、的越野車前后部符合不耦合力學(xué)條件，即前后懸架彈簧上質(zhì)量的垂向運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無軸荷縱向轉(zhuǎn)移?；缮腺|(zhì)量根據(jù)質(zhì)心位置安比例分配與前、后車架上。 表4-1 前懸架簡化模板的約束情況類型約束自由度個(gè)數(shù)萬向副42圓柱副42球形副32移動(dòng)副51轉(zhuǎn)動(dòng)副52固定副61點(diǎn)線約束21 由表4-1可知， 汽車前懸架的約束方程數(shù)目為：=´+´+´+´+´+´+´=m=4*2+4*2+5*1+5*2+6*1+2*1=45 （4.1） 汽車前懸架的自由度為： DOF=6*8-m=48-45=3 （4.2）汽車懸架共有 3 個(gè)自由度，分別為車輪繞車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)

34、、車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)和車輪的上下跳動(dòng)。 4.2.2 確實(shí)硬點(diǎn)坐標(biāo) 表 4-2 前懸架定位參數(shù)序號硬點(diǎn)Hard  Pointx/mmy/mmz/mm1驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)支點(diǎn)drive_shaft_inr0-2002802下控制臂前支點(diǎn)lca_front-169-3272333下控制臂外支點(diǎn)lca_outer0-6902204下控制臂后支點(diǎn)lca_rear230-3422335上控制臂前支點(diǎn)uca_front15-3456366上控制臂外支點(diǎn)uca_outer23-6046617上控制臂后支點(diǎn)uca_rear139-3756228減振器下安裝點(diǎn)lwr_strut_mount0-5172269減振器上

35、安裝點(diǎn)top_mount0-51763610轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點(diǎn)tierod_inner200-42033611轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點(diǎn)tierod_outer150-72033612車輪中心wheel_center0-75033613副車架前支點(diǎn)subframe_front-400-38023314副車架后支點(diǎn)subframe_rear400-380233 將硬點(diǎn)坐標(biāo)輸入到 Hardpoint Table 中 如圖所示 圖4-1 硬點(diǎn)（hardpoint）坐標(biāo)4.2.3 生成懸架系統(tǒng)模型 在ADAMS/Car 中建立的部件主要包括一般部件和安裝部件。一般部件是指確定了初始位置、方向、質(zhì)量、慣量和質(zhì)心的剛

36、性體，所建模型中主要包含：下控制臂（lower_control_arm）、轉(zhuǎn)向節(jié)（upright）、加強(qiáng)臂（yoke）、減振器（strut）、轉(zhuǎn)向橫拉桿（tierod）等；安裝部件用于模型內(nèi)部部件與其他子系統(tǒng)、試驗(yàn)臺或地面連接，所建模型中主要包含：減振器與車身子系統(tǒng)連接件（strut_to_body）、轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)連接（tierod_to_steering）、下擺臂與車身子系統(tǒng)連接件（lca_to_body）等。在ADAMS/Car 中建立的前懸架系統(tǒng)仿真模型如圖所示。圖 4-2 前懸架仿真模型4.4 本章小結(jié) 5 前懸架系統(tǒng)的仿真 5.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的 懸架系統(tǒng)可以用來傳遞車輪

37、與車架之間的力與力矩，它的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性影響著汽車的使用性能，特別是汽車的操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性和輪胎的磨損。所以對前懸架系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是考察隨著車輪的跳動(dòng)，車輪定位參數(shù)前輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、輪距變化等相關(guān)參數(shù)的變化是否合理。 5.2 前懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 5.2.1 懸架雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn) 對于懸架來說，可以進(jìn)行很多種仿真，如：雙輪同向跳動(dòng)(Parallel Wheel Travel)；雙輪反向跳動(dòng)(Oppssite Wheel Travel)；單輪跳動(dòng)(Single Wheel Travel)；轉(zhuǎn)向(Steering)；靜載(Static Load)；側(cè)傾和垂向力(Roll & Vertical Force)等。在這里我進(jìn)行的是雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn)，這是懸架最常做的試驗(yàn)之一。仿真過程參數(shù)的設(shè)置如圖圖 5-1 仿真過程參數(shù) 5.2.2 仿真結(jié)果分析仿真前定義的測量函數(shù)前輪的定位參數(shù),在ADAMS/PostProcessor模塊中以曲線圖形或表格數(shù)據(jù)的形式輸出,可以清楚的看出車輪上下輪跳動(dòng)時(shí)各種參數(shù)的