基于ADAMSCar的汽车悬架系统动力学建模与仿真分析毕业设计.docx

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基于ADAMSCar的汽车悬架系统动力学建模与仿真分析毕业设计

毕业设计（论文）

题目：

基于ADAMS/Car的汽车悬架系统动力学建模与仿真分析

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

********大学毕业设计（论文）任务书

姓名：

院（系）：

专业：

班号：

任务起至日期：

毕业设计（论文）题目：

基于ADAMS/Car汽车悬架系统动力学建模与仿真分析

立题的目的和意义：

汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。

悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。

ADAMS／CAR是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机。

学生通过学习研究，可以在以下几个方面得到锻炼：

1）对所学相关专业课程知识进行复习总结；

2）能了解悬架建模方法，掌握ADAMS/Car软件使用；

3）通过系统的毕业设计训练，可以使学生将本科期间所学知识进行系统化；

4）对计算机应用技术有所提高。

技术要求与主要内容：

技术要求：

1）查询与本毕业设计相关的资料；

2）对查询到的资料进行整理，分析；

3）严格按照《哈尔滨工业大学本科生毕业论文撰写规范》撰写毕业论文。

主要内容：

1）研究悬架系统动力学分析与仿真的目的和意义；

2）针对某种悬架进行动力学建模与仿真；

3）对建立的模型进行优化分析。

进度安排：

第四周送交老师审阅开题报告，并进行修改完善。

第五周收集查阅资料，设计研究的具体步骤；

第六周初步列出提纲，并送交老师审阅，听取老师的指导；

第七—十周整理资料，开始论文的研究内容；

第十一周初步写出论文初稿，并按要求规范修改完善论文；

第十二周送交指导老师初审，并按要求修改；

第十三周以后听从老师学校的安排。

同组设计者及分工：

自己独立完成

指导教师签字___________________

年月日

教研室主任意见：

教研室主任签字___________________

年月日

摘要

20世纪80年代以来，国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求越来越高。

汽车悬架系统是影响车辆动态特性最为关键的子系统之一。

对汽车悬架系统的设计及悬架系统对整车性能的影响的研究具有重要意义。

本文利用ADAMS建立汽车悬架虚拟样机模型，对悬架运动学特性进行了仿真分析，并研究了悬架系统参数对悬架的影响。

为汽车悬架系统及整车系统开发设计提供了一种现代化手段和方法。

研究内容主要包括；运用多体动力学理论和软件，对悬架系统进行了刚性条件和弹性条件下的虚拟样机仿真，分析研究悬架系统各个参数的影响。

主要分析了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角对车辆行驶过程中对操纵稳定性、轮胎的磨损等的作用以及车轮各定位角。

并逐步分析和评价了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角的参数变化范围。

最后输出两次仿真的叠加图进行比较与评价，得出不同约束对悬架系统的影响。

基于整车行驶平顺性，从理论上分析悬架系统车轮定位参数对整个悬架系统的影响。

关键词：

ADAMS；动力学；仿真；悬架系统

Abstract

Since1980s,thecompetitionofnationalandinternationalautomobilemarketshasbecomedrasticunprecedented,anduser’sdemandforsafety，handlingstabilityandridecomfortisbecomingstrongerandstronger.Automobilesuspensionsystemisoneofthemostpivotalsubsystemthataffectingvehicle’sdynamicperformances.Theresearchhasgreatsignificancetothedesignofautomobilesuspensionsystemandthestudyofsuspensionsystemontheperformanceofvehicle.

ThispaperestablishedvehiclevirtualprototypingsuspensionbyADAMS，processedsimulationanalysesandframeworkoptimalanalyses，basedonwhichthepaperconstructedsuspensionvirtualprototypingdynamicmodel.Automotivesuspensionsystemsandvehiclesystemdevelopmentanddesignprovideamodernmeansandmethods.Thestudyincludes;theuseofmulti-bodydynamicstheoryandsoftware,onthesuspensionsystemofrigidandflexibleunderconditionsofvirtualprototypesimulation,analysisofvariousparametersofsuspensionsystem.Mainlyanalyzesthewheelcamberandtoeangle,kingpinangle,casterangleofthevehiclesduringthecourseofhandlingandstability,tirewear,andtheroleoforientationangleofeachwheel.Thengraduallyanalysisandevaluationofthewheelcamberandtoeangle,kingpinangle,casteranglerangeofparameters.Superpositionofthefinaloutputofthetwosimulationcomparisonandevaluationplan,tohavedifferentconstraintsonthesuspensionsystem.

Basedonthevehicleridecomfortperformances，analyzestherelationshipbetweensuspensionsystemandthewheelalignmentparametersofthesuspensionsystem.

Keywords:

ADAMS,dynamics,simulation,suspensionsystem

第1章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。

悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。

ADAMS/Car是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机[1]。

利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。

既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。

然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激振。

最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。

过去需要几星期、甚至几个月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的[2]。

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1国外研究现状

国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的发展过程。

早在80年代初，就有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。

研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。

80年代中期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。

国外各主要汽车厂家和研究机构在其ＣＡＤ系统中安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。

目前市场上占有率最高的是美国MDI公司开发的ADAMS，其在汽车行业中的使用率为43%，该软件在为客户提供通用平台时，还专门提供了用于车辆分析的专门模块（ADAMS/Car），使用起来非常方便[3]。

1.2.2国内研究现状

国内汽车动力学的研究分析和计算的工作起步较晚。

七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究。

研究工作集中在平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。

首次分析了汽车悬置以上结构弹性体的一阶扭转振动对摆振性能的影响。

1989年，吉林工业大学的林逸利用R-W方法，建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序[4]。

1991年，第二汽车制造厂的上宫文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。

1992年，清华大学的张海岑采用多刚体动力学中的牛顿．欧拉方法，建立了汽车列车七十四个自由度的非线形数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性[5]。

1997年，清华大学的张今越采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统分析软件ADAMS，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素（橡胶减振元件）对动力学性能的影响。

武汉理工大学的鲍卫宁利用ADAMS/View软件，建立了麦弗逊式悬架的某轿车前悬架的多体动力学模型，并对车轮跳动和转向时，悬架的各种参数的变化进行分析[6]。

合肥工业大学的王其东博士，进行了不同形式的动力学方程所描述的多体系统响应的灵敏度分析，推导了相应的公式，建立了汽车主要总成的多体动力学模型，并整合整车的多体模型，建立了道路输入模型，进行整车的动力学仿真。

提出了基于动力学仿真的汽车悬架CAD的思路，针对具体车型，进行了钢板弹簧的结构改进设计，将改进后的钢板弹簧装车进行了平顺性和操纵稳定性试验。

并将遗传算法的神经网络自适应模糊控制策略应用到汽车半主动悬架的控制中。

上海交通大学的赵亦希、黄宏成、刘奋以S型轿车前悬架系统为实例，利用ADAMS/Car模块，进行双轮反向激振动力学仿真，仿真结果是各种侧倾特性参数，对照轿车标准系数，对S型轿车侧倾的情况有一个全面了解，为设计和优化悬架系统提供了实用高效的方法[7]。

江苏大学的汤靖、高翔、陆丹以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS/Car专业模块建立某皮卡车麦弗逊式前悬架多体系统模型，并采用ADAMS/Insight模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题。

合肥工业大学的乔明侠针对江淮汽车股份有限公司的瑞风商务车，利用多体动力学分析软件ADAMS建立了包括车身、前后悬架、转向系统、轮胎、人与椅等系统在内的整车多体模型。

开发了随机路面生成软件和平顺性评价程序。

实现了悬架偏频的仿真测量和不同等级路面、不同车速下随机路面输入的平顺性仿真。

吉林大学的乐升彬以某车的前双横臂独立悬架为研究对象，采用该车的实际结构参数，运用ADAMS/Car软件建立了该车的前悬架子系统、转向系子系统组成的悬架系统模型，应用该模型对该车前独立悬架模型进行了运动学、动力学仿真分析，得出了其车轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角等前轮定位参数、悬架刚度、侧倾刚度、侧倾中心等参数在前轮左右轮心上下跳动时的变化规律。

并且利用前人的经验对这些特性曲线进行分析，发现原悬架存在不合理的地方，并针对存在的问题提出相应的解决方案[8]。

1.2.3国内外研究现状分析

ADAMS软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。

基于ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互联结、彼此能够相对运动的多体运动系统，其运动学及动力学仿真比以往通常用几个自由度的质量——阻尼刚体（振动）数学模型计算描述更加真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学影响，也比图解法更为直接。

在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，周期长。

运用虚拟样机技术，可以大大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优和创新的设计产品。

1.3主要研究内容

本课题的主要任务是基于ADAMS/Car模块悬架的建模，然后进行悬架的优化和运动学仿真分析，最后输出仿真分析的结果。

（1）关于汽车悬架动力学仿真的基本概述；

（2）基于ADAMS/Car模块进行悬架的建模；

（3）具体的动力学分析和仿真；

（4）输出优化后的仿真结果。

第2章悬架系统动力学仿真理论

2.1悬架系统仿真概述

汽车悬架的设计是一个十分复杂的系统工程，它涉及到运动学、动力学、振动等许多方面的知识，需要综合考虑车辆的操纵稳定性、舒适性等多方面的要求，同时还要满足车辆空间布置的要求。

这就对悬架设计人员提出了很高的要求。

而在一个车型的设计过程中，人们往往只关注看得到的部分，例如汽车的车身和内饰等，而对看不见的悬架投入的精力就比较少。

这又要求悬架设计人员在尽可能短的时间内，以尽可能少的花费设计出好的悬架。

另外为了使系统开发出来的悬架系统解决方案能够在实现快速开发的前提下具有较高的水准，有必要借鉴现有的成功车型的经验。

在借鉴成功经验的基础上，针对具体车型初步给出系统解决方案，然后对之加以分析、改进和优化，检验其是否能够达到设计所追求的指标，最后经过反复修改得到最佳方案，从而达到根据设计要求向用户提出设计参考和建议的目的[9]。

2.2悬架仿真软件概述

国际各大汽车公司都着力开发了具有自身特色的悬架快速开发系统。

目前国内外工程仿真软件层出不穷，但各仿真软件都有其各自应用的范围，应用的仿真软件主要有：

（1）PAMCRASCH软件PAMCRASCH软件是法国ESI公司的碰撞模拟有限元仿真分析软件的程序包。

它提供了强大的有限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前以被各大汽车制造商广泛采用作为碰撞模型有限元仿真的专用平台。

（2）DADS软件比利时LMS的DADS支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。

在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。

在分析方面，提供了装配分析、运动学分析、正向动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6种分析功能。

（3）MATLAB软件MATLAB由美国MATHWORKS开发，MATLAB是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。

它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度集成的计算机语言。

它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。

（4）EASYS软件EASYS是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟和设计具有微分和代数方程特征的动态系统。

波音公司在七十年代初期首先发展了这种软件，但只作为一个内部软件。

八十年代商品化以来，EASYS首先渗透到航空市场，现在己应用于汽车和其它多个工业领域。

（5）ADAMS软件ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件，是由美国机械动力公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。

在当今动力学分析软件市场上ADAMS独占鳌头，拥有70%的市场份额，ADAMS拥有Windows版和Unix两个版本，目前最高版本为ADAMS2007。

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、运动学和动力学仿真，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[10]。

ADAMS软件用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。

既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。

然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激励。

最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。

通过上述对比分析可知，ADAMS软件在建模与仿真分析等很多其他方面都强大的优势。

2.3多体系统动力学理论基础

多体系