基于ADAMSCAR前悬架仿真讲解.docx
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基于ADAMSCAR前悬架仿真讲解
摘要
操纵稳定性是汽车的重要使用性能之一,它不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度,而且也是决定高速汽车行驶安全的一个重要性能,被称为“高速车辆的生命线”。
因此操纵稳定性日益受到人们的重视。
但是传统的研究分析方法已无法满足现代汽车的研究要求,现在虚拟样机技术作为一项新的产业技术,己经开始应用到各个领域。
本文正是利用动力学仿真软件ADAMS研究探讨悬架系统对操纵稳定性的影响。
本文以汽车的前悬架系统为研究对象,应用ADAMS软件对汽车做仿真优化分析。
第二章和第三章详细的介绍了汽车操纵稳定性在国内外发展状况及研究成果及ADAMS软件。
然后利用ADAMS/Car模块建立汽车的前悬架系统并对该系统进行模拟仿真分析。
关键字ADAMS/CAR汽车操纵稳定前悬架运动学仿真
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Abstract
Handlingandstabilityisoneoftheimportantperformanceofthecar,itnotonlyaffectstheeaseofmanipulationofmotorists,butalsodeterminetheperformanceofanimportanthigh-speedcarswithsecurity,knownas"high-speedvehicleslifeline."Therefore,increasinghandlingstabilitypeople'sattention.Butthetraditionalanalysismethodshavebeenunabletomeettheresearchrequirementsofmoderncar,andnowvirtualprototypetechnologyasanewindustrialtechnology,hadbegunappliedtovariousfields.ThisarticleistheuseofdynamicsimulationsoftwareADAMSstudyinvestigatedtheeffectofsteeringstabilityofthesuspensionsystem.
Inthispaper,thecar'sfrontsuspensionsystemforthestudy,applicationsoftwareADAMSsimulationandoptimizationanalysisofautomobiledo.ThesecondandthirdchaptersdetaileddescriptionofthevehiclehandlingandstabilityathomeandabroadandtheresearchanddevelopmentofADAMSsoftware.ThenuseADAMS/Carmodulebuildsthefrontsuspensionsystemofthevehicleandthesystemsimulationanalysis.
KeywordsADAMS/CARcarfrontsuspensionkinematicssimulationsteeringstability
目录
摘要...............................................................
Abstract...........................................................
1绪论............................................................
1.1课题研究背景...............................................
1.2课题的研究意义与内容.......................................
2汽车操纵稳定性的介绍............................................
2.1汽车操纵稳定的基本概念...................................
2.1汽车操纵稳定的研究历史与现状.............................
3ADAMS软件介绍.................................................
3.1软件简介...................................................
3.2ADAMS模块简介.............................................
4基于ADAMS/Car汽车前悬架系统模型的建立.........................
4.1ADAMS/Car建模原理..........................................
4.2悬架系统介绍...............................................
4.2.1双臂独立式悬架.......................................
4.2.2麦佛逊式独立悬架.....................................
4.3前悬架系统模型的建立.......................................
4.4本章小结...................................................
5前悬架系统的仿真................................................
5.1运动学仿真目的.............................................
5.2前悬架系统的运动学仿真.....................................
5.2.1
5.3本章小结...................................................
6总结与展望......................................................
参考文献............................................................
致谢................................................................
1绪论
1.1课题研究背景
当今世界汽车工业迅猛发展,汽车已经成为人们日常生活和工农业生产中不可缺少的重要交通运输工具。
随着汽车工业的发展和汽车的普及,人们对汽车的要求也越来越高,在获得良好的动力性和经济性的同时,还要求汽车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。
操纵稳定性是影响汽车安全性的主要因素之一,因此如何评价和设计汽车的操纵稳定性、获得良好的安全性,一直是汽车领域的重要课题。
在这一领域中,基础车辆动力学模型理论的研究和利用所得模型进行计算机仿真研究都显得十分重要。
尤其在计算机工业高度发达的今天,在计算机上进行仿真分析是一种既现实又经济的方法。
而我们所建立的汽车模型也经历了一个从简单到复杂、从粗糙到精确的过程。
这是因为汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特性的一个多自由度非线性连续体振动系统。
而且由于组成汽车的各机械子系统如转向系统、悬架系统、轮胎等之间的相互祸合作用,使汽车的动态特性非常复杂。
要想真实地描述汽车的动态特性,必须考虑尽可能多零件的运动,得到精确的数学模型。
然而,太复杂的模型方程又给求解带来巨大困难,甚至得不到结果。
因此,各国学者在这一领域中研究的传统方法是通过试验或人为地把汽车各子系统加以简化,抽取出能够代表系统或总成特性的本质因素,建立起较简单的数学、力学模型进行求解,并把求得的结果试验加以验证川。
理论研究的发展和计算机技术的进步,使得虚拟样机技术应运而生。
以多体系统动力学理论为基础编写的大型通用软件为工程技术人员提供了方便的建模手段。
应用大型通用软件能自动生成运动学和动力学方程,并利用软件内部的数学求解器准确的求解,不需要人工建立、求解方程,编写程序,因而能够节省大量的时间和人力物力,提高工作效率。
这对于行业竞争逐渐加剧的汽车工业行业来说无疑是一大福音。
在产品开发中采用虚拟样机分析的开发策略,成为各大汽车公司缩短产品开发周期、减少产品开发费用、提高产品开发质量,从而提高竞争能力的主要做法。
随着CAD/CAE/CAM在汽车产品设计开发中的广泛采用,人们逐渐意识到提高产品质量、缩短产品开发周期及降低产品开发最有效的途径应用数字化功能样机进行系统水平的设计。
它可以有效地将三维实体模型及应用有限元FEA（FiniteElementAnalysis）软件描述的零部件模态有机地结合起来,准确地预测机械系统在虚拟实验室、虚拟场地上进行的各种模拟试验的性能。
在这一领域美国MSC公司的ADAMS软件是目前无可基于的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究争议的领导者,是世界上市场占有率最高的机械系统仿真MSS（MechanicalSystemSimulation）软件。
汽车的操纵稳定性是影响其主动安全性的主要性能之一,而且计算机仿真技术日益成熟,在这种背景下软件将越来越广泛的应用于汽车操纵稳定性研究中。
1.2课题的研究意义与内容
SUV（运动型多功能车）通常采用非承载式车身结构，底盘有坚固的车架，使得SUV
在碰撞或者翻车时对乘员有良好的保护作用；同时SUV离地间隙大使得汽车有良好的通
过性能和良好的视野。
这些特点使得SUV具有很好的道路适应性和更多的驾驶乐趣，于
是越来越受到大家的欢迎。
但是SUV重心高非簧载质量大等缺点使得汽车的操纵稳定性
受到很大的影响，使得SUV的侧倾稳定性比较差在避让或转弯时侧翻的事故率很高，这
已经成为生产厂家和交通安全部门一个十分头疼的问题。
据资料统计，在美国，2004
年SUV翻车造成的悲剧在SUV的各类车祸中占到61％，是一般轿车翻车事故死亡率的三
倍，所以SUV的安全问题越来越受到人们的关注。
如果采用传统的设计方法来解决这一问题，也是国内目前普遍采用的方法，就是先分析SUV产生侧翻的原因主要为汽车重心高度、悬架侧倾角刚度、侧倾中心高度等，然后计算在某一状态下汽车的侧倾刚度、侧倾中心的一系列的参数，由于汽车的悬架系统是个很复杂的运动系统，整个运动过程的计算过于繁琐，这些参数都只能在很小的范围内保证其准确性，并且还没法考虑其系统中的橡胶衬套等元件的变形，往往通过多次试验才能达到设计要求，并且通过试验发现的问题也很难找到产生问题的原因。
于是人们想到了如果利用计算机来解决这一问题会大大缩短开发周期，并能提高分析的准确性。
内容还没有完
2汽车操纵稳定性的介绍
2.1汽车操纵稳定的基本概念
汽车操纵稳定性，是指在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向（直线或转弯）行驶；且当受到外界干扰（路不平、侧风、货物或乘客偏载）时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。
操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度,而且也是决定高速汽车安全行驶
的一个主要性能,所以被称为“高速车辆的生命线”。
随着道路条件的不断改善,汽车在公路上的行驶速度也不断提高。
因此汽车的高速操纵稳定性日益受到人们的重视,如何研究和评价汽车的操纵稳定性,以获得良好的汽车主动安全性也成为一个重要的课题。
2.2汽车操纵稳定的研究历史与现状
汽车操纵稳定性的研究,是与汽车车速的不断提高分不开的。
早期的低速汽车,还谈不上操纵稳定性问题,最早提出操纵稳定性的问题是在具有较高车速的赛车上。
后来,随着车速的不断提高,在轿车、大客车和载重汽车上也都不同程度地出现了类似的问题。
操纵稳定性不好的汽车通常会有“飘”、“反应迟钝”、“晃”、“丧失路感”和“失去控制”等现象。
在国外,二十世纪三十年代才开始对汽车的操纵稳定性进行系统的研究。
并取得了不少有价值的研究成果。
1925年法国工程师乔治·布劳海特发现了轮胎侧偏现象。
同时,这一年也建立起了驱动力学的普遍原理。
但由于缺乏对轮胎产生的横向力的理解,此项理论一直没有得到全面的应用。
1935年Evans给出了有关轮胎力学特性较为深入的结果,包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。
随后的几年里,汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念,如不足转向、过度转向、临界车速等已被汽车工程师们所熟悉。
英国的Lanchester法国的Broulhet开始了车辆独立悬架的研究,并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。
并月人们开始认识到了轮胎侧向力学的重要性。
1934年Olley首先提出车速是一个关键因素。
固特异轮胎公司根据他们的研究成
果,进行了转鼓实验,研究了轮胎特性。
1935年,Evans发表了关于轮胎横向特性的文
章,并给出了转向力和回正力矩”。
1956年,CornellAeronautical实验室的WilliamF.Milliken,DavidW.Whitcomb和LeonardSegel发表了一套较为完整的关于车辆操纵稳定性的理论和定量分析的文章。
其中很多的理论到现在仍被引用。
在Whitcomb的文章中,他利用两自由度模型得出了一系列汽车稳定性和操纵性方面的结论。
由于不考虑侧倾自由度,Whitcomb把汽车简化成了相当于自行车的两自由度模型,研究了两自由度模型的稳态响应和瞬态响应。
在研究汽车横摆响应时,引入了稳定性因数K的概念。
在二十世纪60年代以前,对操纵稳定性的研究主要以开环研究为主,所谓开环研究就是把汽车作为一个开环控制系统,求出汽车曲线行驶的时域响应和频率响应特性,对系统进行稳态和瞬态分析,用横摆角速度频率响应特性、方向盘转角阶跃输入下的稳态响应、方向盘转角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过度转向特性等来表征汽车的特性。
按照这种方法研究汽车操纵稳定性,需要建立精确的汽车动力学模型。
之前的开环研究取得了许多的研究成果,详细讨论了汽车的不足转向和过度转向特性分析了保持汽车行驶方向的稳定性条件是临界车速必须大于汽车最高车速等。
其应用的基础是经典控制理论,依据汽车的稳态和瞬态分析,使用不足一过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性,来对汽车的操纵稳定性进行评价。
MartinGoland和FrederickJindra在1961年发表的文章中用两个自由度的模型研究了四轮汽车的操纵性和稳定性。
他将侧倾自由度用作用于轮胎上的垂直载荷来近似模拟,考虑了轮荷转移效应,并分析轮胎的力学特性随着车轮载荷的变化而改变。
结果表明操纵稳定性随着质心的变化而变化,并且轮胎压力和轮胎宽度都在改变。
1967年,通用公司的R.ThomasBundorf在文章中讨论了汽车参数设计和不足转向以及特征车速的关系,并提出如何预测和实际测量车辆的不足转向特性。
他指出特征车速是线性模型的产物;在正常行驶条件下（横向加速度小于1/3g）,车辆可由线性模型模拟,并且需要建立大直径侧滑试验场来测量特征车速。
Bundorf还推导出了在给定设计参数下预测特征车速的表达式。
在日本,自从近藤提出了关于驾驶员对车辆操纵动作的基本观点以来,藤井、井口、三川等人的研究中采用了各种传递函数来描述驾驶员的操纵和汽车的运动。
因为有精确的数学模型,能够得出精确的数字解,这些研究工作对车辆的设计、分析和评价车辆性能是很有价值的。
电子计算机的发展和对轮胎侧偏特性的深入研究,使得已经有可能对汽车的动态响应做出相当全面而逼真的仿真,人们提出了自由度越来越多的数学力学模型,同时也提出了各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性。
七十年代初期,EVS研究计划开始实施,促使人们去研究实用的操纵稳定性设计方法。
鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度的水平,各国研究人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵稳定性的评价方法。
依据大量的试验与理论分析,首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许范围或极限,对操纵性进行了客观评价。
从七十年代开始,计算机技术迅猛发展,操纵稳定性的研究和计算机紧密地结合起来,车辆仿真模型变得更加复杂和真实,对操纵稳定性的研究也更加逼真。
先期的仿真工作都在模拟计算机上进行,它能解决实时动力学问题,但其致命缺点是不能解决非线性问题。
70年代早期,工程师设计了在数字和模拟联合计算机上运行的代码,使车辆动力学模型既可实时仿真又可包含非线性因素。
具有代表性的工程师有MurpphyTiffanyHickner。
七十年代中期以后,开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯性能和转向轻便性等特性的感觉,进行主观评价。
主观评价方法虽然没有经过理论推导,但是由于考虑了驾驶员因素和道路环境的特点,所以在一定程度上体现了闭环设计的思想。
但由于对汽车的瞬态响应等特性的主、客观评价不一致,难以有效地设计汽车的操纵稳定性。
八十年代初,人们从理论和试验两方面入手,重新开始深入研究人一车闭环系统。
在理论方面,充分地考虑到人的学习性和适应性,建立了许多确定性驾驶员方向控制模型,有效地仿真了人一车闭环系统对给定路径的跟随过程。
在试验方面,考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用并受自然条件限制等缺陷,研制了开发型驾驶模拟器。
这种驾驶模拟器采用先进的实时仿真、数字成像、液压控制等技术,将真实的人和模型化的汽车相结合,通过室内计算机仿真代替场地试验,缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。
九十年代以来,利用开发型驾驶模拟器进行人一车闭环系统主动安全性研究,改进汽车运动性能是国际上近期主要的发展方向之一。
1991年日本马自达汽车公司兴建了运动车型开发型驾驶员模拟器。
1993年初,美国福特汽车公司也研制出开发型驾驶员模拟器。
我国吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建设成功的开发型驾驶模拟器也投入使用,现属世界一流水平。
在我国,汽车操纵稳定性研究始于七十年代。
清华大学和长春汽车研究所都同时系统地开展了这方面研究工作。
我国开展汽车操纵稳定性研究的历史虽不太长,但吸取了国外的研究成果和经验,进展较快。
其中,成就最突出的是吉林大学的郭孔辉院士。
郭孔辉教授在驾驶员模型、人一车闭环系统特性及人一车闭环系统的定量评价方面做了大量研究工作。
他在研究驾驶员一汽车一道路闭环操纵系统模型且考虑了影响汽车操纵性的诸多因素的基础上,提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标,并应用频率统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法,在工程实际中得到了广泛应用。
3ADAMS软件介绍
3.1软件简介
ADAMS，即机械系统动力学自动分析（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），该软件是美国机械动力公司（MechanicalDynamicsInc.）（现已并入美国MSC公司）开发的虚拟样机分析软件。
ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。
根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额，现已经并入美国MSC公司。
ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。
另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
3.2ADAMS模块简介
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。
用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。
Adams是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用Adams在计算机上建立和测试虚拟样机，实现实时在线仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。
MDAdams（MD代表多学科）是在企业级MSCSimEnterprise仿真环境中与MDNastran相互补充，提供了对于复杂的高级工程分析的完整的仿真环境，SimEnterprise是当今最为完整的集成仿真和分析技术。
MDAdams的发布完全支持运动-结构耦合仿真，与MDNastran的双向集成可以释放便利地将Adams的模型输出到Nastran进行更为详细的NVH分析或应力恢复，继而进行寿命/损伤计算。
MDAdams/Car
应用MDAdams/Car，技术团队可以快速建立和测试整车和子系统的功能化虚拟样车。
这可以帮助在车辆研发过程中节省时间、降低费用和风险，提升新车设计的品质。
通过
MDAdams/Car的仿真环境，汽车工程师们可以在虚拟环境中对于不同的路面、不同的
实际条件反复测试他们的设计，从而得到满意的结果。
MDAdams/Car包含许多的功能模块用于多学科仿真。
MultidisciplineValue多学科价值
多学科的价值在于大大地拓广了数字分析的能力，MSC的MD技术是优化的涵盖跨学科/多学科的集成，可以充分利用现有的高性能计算技术解决大量大规模的问题。
多学科技术聚焦于提升仿真效率、保证设计初期设计的有效性、提升品质、加速产品投放市场。
4基于ADAMS/Car汽车前悬架系统模型的建立
4.1ADAMS/Car建模原理
DAMS/Car模块通常的建模程序是：
设计人员首先在“TemplateBudider”（模板）下创建所需的模板，或对已有的模板进行修改以适应建模要求；然后根据建立的模板在“StandardInterface”（标准界面）下建立子系统模型，并将子系统模型组装成系统总成或整车模型；最后根据研究目标对组装好的悬架或整车模型给出不同的分析命令，即可进行不同工况下的仿真分析或优化设计[8]。
由于ADAMS/Car模板采用的是自下而上的建模顺序（即悬架整车总成模型都是建立于子系统模型基础之上，而不同的子系统则需要建立不同的模板），因此，在“TemplateBuilder”中建立模板是ADAMS/Car仿真分析首要的关键步骤。
（1）物理模型的简化
根据物理模型中各零件之间的相对运动关系，定义出各零件的拓扑结构，把没有相对运动关系的零件进行整合，定义为“GeneralPart”。
（2）确定“HardPoint”（硬点）
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