基于虚拟技术的悬架系统试验仿真分析毕业设计.docx
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基于虚拟技术的悬架系统试验仿真分析毕业设计
1绪论
1.1引言
随着社会的不断发展进步和人们生活水平的不断提高，自20世纪80年代以来，汽车作为不可缺少的交通工具，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。
国内、国际汽车市场的竞争空前激烈。
用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性的要求越来越高。
然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用复杂多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分祈、求解始终是一个难题。
基于传统的解决方法，需经过反复的样车试制、道路模拟试验和整车性能试验。
如此，不仅需花费大量的人力、物力、财力和漫长的时间。
而且有些试验由于存在危险性而难以进行。
ADAMS软件采用虚拟样机模拟技术，为上述问题提供了一种较好的解决方案。
虚拟样机模拟技术可以用于指导和修正设计，按照并行工程的概念组织产品设计和生产，从而在真正意义上实现整车系统优化设计。
数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。
随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到了广泛的应用。
系统运动学／动力学仿真是数字化虚拟样机的核心和关键技术。
为了降低产品开发风险，在样车制造出来之前利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真分析和参数优化显得十分必要。
1.2虚拟样机技术简介
虚拟样机技术（Virtualprototypingtechnology）是一种在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术）揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的新技术。
它从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，较好地解决了传统设计与制造过程的弊端。
在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机：
使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况：
可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真并试验不同的设计方案：
对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再制做物理样机。
虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品的整体运动及受力，快速分析多种设计方案，实现对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。
虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程中，它可以用在概念设计和方案论证中。
设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里。
让想象力和创造力充分发挥。
当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以大幅度缩短开发周期，降低开发成本和风险，而且能明显提高产品设计质量和效率。
复杂系统的力学模型是多个物体通过运动耐连接的系统，称为多体系统。
虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。
20世纪60年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支——多体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了。
其主要任务是：
①建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输人描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理；②开发和实现有效处理数学模型的计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；③实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理结果。
日前多体系统动力学已形成了比较系统的研究方法。
其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。
由于多体系统的复杂性，在建立系统动力学方程时，采用系统独立的拉格朗日坐标将非常困难，而采用不独立的笛卡儿广义坐标比较方便；对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉氏方程处理是十分规格化的方法。
导出的以笛卡儿广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。
Chace等人用吉尔（Gear）的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）程序。
Hang等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了ADADS（DynamicAnalysisandDesignSystem）程序。
尽管虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，但没有成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟样机技术也不会成熟。
虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计（CAD）技术的成熟及大规模推广应用分不开。
首先，CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。
这样，设计师就有充足的精力去关注设计的正确和优化问题。
其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述变得简单。
第三，由于CAD强大的三维编辑修改技术，使机械系统设计的快速修改交为可能。
如此，在计算机上的设计、试验、优化的反复过程才有时问上的意义。
综上所述，虚拟样机技术是许多技术的综合。
它的核心部分是多体系统运动学和动力学建模理论及其技术实现。
数值算法作为应用数学的一个分支及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。
计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。
CAD／FEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。
目前，虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术，它改交了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。
1.3本文主要研究内容及意义
1.3.1本文主要研究内容
本文采用多体系统动力学方法和虚拟样机技术，以美国MDI公司的ADAMS软件为平台，根据某汽车制造厂家提供的建模参数，建立了某轿车的麦弗逊式前独立悬架虚拟样机仿真分析模型，对该前悬架进行了运动学仿真，分析了悬架定位参数随车轮跳动行程的运动特性，并利用ADAMS／Insight对其进行了结构优化，得出悬架部件最佳的关键点坐标值，从而使悬架定位参数的变化规律更加符合设计要求。
在此基础上进一步建立了其它子系统总成的虚拟样机模型并组装成整车虚拟样机模型，根据我国现行整车操纵稳定性试验标准GB／T6323.1-94～GB／6323.6-94的要求，编写了用于整车操纵稳定性仿真分析的驱动控制文件和驱动控制数据文件，对所建整车虚拟样机模型进行了转向盘转角阶跃输入试验、转向回正试验、稳态回转试验、蛇行试验和转向轻便性试验仿真分析，并参照GB/T13047-9l《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》对该轿车的操纵稳定性进行了评价计分。
1.3.2本文研究的意义
国内、国际汽车市场的激烈竞争使得汽车特别是轿车的安全性、行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性越来越受到人们的关注。
汽车悬架系统对整车操纵稳定性和行驶平顺性有举足轻重的影响，是汽车设计、运动校核的重要内容之一。
由于汽车悬架系统是比较复杂的空间机构，这就给运动学分析带来了困难。
过去用简化的图解法和分析计算法对汽车悬架的运动学分析进行分析计算，所得结果误差较大，且费时费力。
基于ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架系统视为多个彼此连接、相对运动的多体系统，其运动学仿真能更加真实准确地反映悬架运动特性，比图解法更为直接和方便。
本文利用ADAMS建立悬架虚拟样机模型，对悬架运动学特性进行了仿真分析和结构优化设计。
在此基础上建立了整车虚拟样机动力学仿真分析模型，进行了整车操纵稳定性试验仿真分析和评分，为汽车悬架系统及整车系统开发设计提供了一种有效的现代化手段和方法。
2ADAMS软件介绍
2.1ADAMS仿真软件概述
ADAMS，即机械系统动力学自动分析（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），是美国MSC公司开发的世界上最优秀、最具权威性的机械动力学仿真分析软件。
目前，ADAMS软件已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。
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、角速度、加速度、角加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件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样机系统进行静力学、动力学和运动学分析。
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。
在产品设计、试验和制造过程中，通过使用ADAMS软件，能给企业带来很多好处：
1）缩短产品开发上市周期；
2）降低工程制造和测试费用；
3）提高产品设计和制造质量；
4）避免进行物理样机测试的危险性。
5）在产品制造出来之前对其进行仿真分析并优化，从而降低产品开发风险。
2.1.1ADAMS软件模块简介
ADAMS软件进过几十年的发展，功能日益完善。
它由基本模块、扩展模块、专业领域模块、接口模块和工具箱5类模块组成。
用户不仅可以采用通用模块（用户界面模块）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。
1．基本模块
中文模块名
英文模块名
用户界面模块
ADAMS／View
求解器模块
ADAMS／Solver
后处理模块
ADAMS／Postprocessor
2．扩展模块
中文模块名
英文模块名
振动分析模块
ADAMS／Vibration
液压系统模块
ADAMS／Hydraulics
试验设计与分析模块
ADAMS／Insight
耐久性分析模块
ADAMS／Durability
线性化分析模块
ADAMS／Linear
高速动画模块
ADAMS／Animation
数字化装配回放模块
ADAMS／DMUReplay
3．专业领域模块
中文模块名
英文模块名
轿车模块
ADAMS／Car
概念化悬架模块
CSM
悬架设计软件包
SuspensionDesign
动力传动系模块
ADAMS／Driveline
驾驶员模块
ADAMS／Driver
轮胎模块
ADAMS／Tire
柔性轮胎模块
Fire／Module
柔性体生成器模块
ADAMS／FBG
发动机设计模块
ADAMS／Engine
经验动力学模型
EDM
底盘模块
ADAMS／Chasis
铁路车辆模块
ADAMS／Rail
附件驱动模块
AccessoryDriveModule
配气机构模块
ADAMS／EngineValvetrain
正时链模块
ADAMS／EngineChain
4．接口模块
中文模块名
英文模块名
控制模块
ADAMS／Controls
柔性分析模块
ADAMS／Flex
图形接口模块
ADAMS／Exchange
Pro／E接口模块
Mechanical／Pro
CATIA专业接口模块
CAT／ADAMS
5．工具箱
中文模块名
英文模块名
虚拟试验工具箱
ViralTestLab
虚拟试验模态分析工具箱
VirtualExperimentModalAnalysis
齿轮传动工具箱
ADAMS／GearTool
软件开发工具包
ADAMS／SDK
飞机起落架工具箱
ADAMS／LandingGear
钢板弹簧工具箱
LeafspringToolkit
履带／轮胎式车辆工具箱
Tracked／WheeledVehicle
2.2ADAMS软件的基本算法
2.2.1参考标架
在计算系统中，构件的速度和加速度，需要指定参考标架，作为该构件速度和加速度的参考坐标系。
在机械系统的运动分析过程中，有两种类型的参考标架:
地面参考标架和构件参考标架。
地面参考标架是一个固定在“绝对静止”空间中的惯性参考系。
通过地面参考标架建立机械系统的“绝对静止”参考系，属于地面标架上的任何一点的速度和加速度都为零。
对于每一个刚性体都有一个与之固定的参考标架，称为构件参考标架，刚性体上的各点相对于该构件参考标架是静止的。
2.2.2坐标系的选择
ADAMS中定义了三种坐标系统：
（1）地面坐标系（GroundCoordinateSystem）；地面坐标系又称为静坐标系，是固定在地面标架上的坐标系。
ADAMS中所有刚体（部件）都相对于地面坐标确定其位置和方向。
（2）局部参考坐标系（LocalPartReferenceFrame，LPRF）：
这个坐标系固定在构件上并随构件运动。
每个构件都有一个局部构件参考坐标系，可以通过确定局部构件参考坐标系在地面坐标系的位置和方向，来确定一个构件的位置和方向。
（3）标架坐标系（MarkerSystem）：
标架坐标系又称为标架，是为了简化建模和分析在构件上设立的辅助坐标系。
标架坐标系有固定标架和浮动标架两种。
固定标架固定在构件上，并随构件运动。
可以通过固定标架在局部构件参考坐标系中的位置和方向，来确定固定标架坐标系的位置和方向。
固定标架可以用来定义构件的形状、质心位置、作用力和反作用力的作用点、构件之间的连接位置等。
浮动标架相对于构件运动，在机械系统的运动分析过程中。
有些力和约束需要使用浮动标架来定位。
动力学方程的求解速度在很大程度上取决于广义坐标的选择。
ADAMS软件用刚体的质心笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标系。
由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程虽然是最大数量，但却是高度稀琉耦合的微分代数方程，适用于稀疏矩阵的方法高效求解。
2.3ADAMS／CAR建模基本步骤和方法
ADAMS／CAR里主参考系是OXYZ，采用ISO坐标系。
原点位于两前轮轮心连线的中点，X轴正方向与汽车行驶方向相反，Y轴正方向指向汽车右侧，Z轴正方向垂直向上，遵守右手法则。
应用ADAMS／CAR建模的原理相对比较简单，模型原理与实际的汽车系统相一致。
考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块已预先对建模过程进行了处理，设计人员只需建立左边或右边的1/2模型，系统将会根据对称性自动生成另一半，当然也可建立非对称模型。
在建立分析总成模型的过程中，ADAMS／CAR的建模顺序自下而上。
首先建立模板（template）文件，然后由模板文件生成子系统文件，最后将子系统与测试台（test-rig）装配在一起形成总成（assembly）分析系统模型，以进行各种仿真分析。
模板是用来定义各部件之间的拓扑连接关系的，它的建立是整个建模过程中最重要的环节，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的。
模板建立好以后，接下来是生成子系统。
在子系统里，用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改，如调整硬点的坐标位置、弹簧和阻尼器的属性文件等。
最后是总成模型的组建。
属性文件是建立仿真分析模型的最基本的文件，它设置和记录了系统模型的基本参数和相关属性，如弹簧和阻尼的属性、轮胎的属性及其它模型参数等。
属性文件、模板、子系统、总成系统和测试台之间的关系如图
图2—1属性文件、模板、子系统、总成系统和测试台之问的关系
悬架模板的建模步骤如下：
（1）建立硬点（hardpoint）和方向点（constructionframe）；
（2）利用已建好的硬点和方向点建立部件（generalpart）并添加几何实体（geometry）；（3）添加约束、弹簧、阻尼和力元（如力和力矩）等；（4）设置悬架特性参数（suspensionparameters），即定义主销轴线和输入前束角及外倾角。
ADAMS／CAR中有两种计算主销轴线的方法，分别是几何方法和瞬时轴线法，当转向主销的上下端点可以确定时，选用几何方法比较简单：
（5）建立悬架模板与其它模板或测试台之间进行数据交换的输入、输出通讯器（communicator），以便各个子系统之间进行正确的连接。
通讯器（communicator）是用来进行数据传递的，例如：
纵臂、螺旋弹簧、减震器有一端是与车身连接的，需要建立mount，然后会自动产生输入communicator。
在车身模板中需建立相应的输出communicator。
输出communicator一般有以下8个:
co[Ir]camber_angle
co[Ir]suspension_mount
co[Ir]_suspension_upright
co[Ir]_toe_angle
co[Ir]_tripot_todifferential
co[Ir]_wheel_center
cos_driveline_active
cos_suspension_parameters_ARRAY
正确建立各个子系统之间的连接关系至关重要，这些连接关系数据在以后的子系统和总成系统阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过程中还可进行调整。
零部件可以做成刚体，也可做成柔性体。
零部件之间可以通过约束副（joint）来连接。
也可以用橡胶衬套（bushing）、弹簧和阻尼来连接。
二者的区别在于约束副是刚性连接，不允许过约束的运动，它是在运动学（Kinematic）分析时采用的；橡胶衬套属于柔性连接，允许部件之间的过约束运动，在弹性运动学（Comoliance）分析时采用。
不考虑弹性橡胶衬套时为运动学分析模型。
考虑弹性橡胶衬套时为弹性运动学分析模型。
模板建立以后，接下来是由模板生成子系统。
在子系统中，用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改，如调整硬点位置、部件质量和转动惯量、弹簧和阻尼及轮胎的属性等。
建立仿真分析模型的最后一步是建立分析总成系统。
在这一阶段，用户可根据实际需要，将不同的子系统组装在一起形成完整的分析总成模型。
如悬架总成可包括悬架子系统、转向子系统、横向或纵向稳定器和测试台。
在进行悬架总成分析之前，还可调整轮胎半径和径向刚度及相关的整车数据，如簧载质量、簧载质量质心高度和轴距等。
3前独立悬架的建模与仿真试验
3.1麦弗逊式独立前悬架的结构分析
以某轿车的麦弗逊式前独立悬架为例进行虚拟样机建模和仿真分析，经简化所得到的运动学模型如图3—2所示。
该麦弗逊式前独立悬架主要由三角臂总成、转向节总成、螺旋弹簧、减振器等组成。
各刚体之间的连接关系如下：
三角臂的一端通过转动铰与车架相连（其中一个转动铰为虚约束，车架相对于地面不动），另一端通过球铰与转向节总成下端相连：
车轮与轮轴之间用固定铰相连：
轮轴与转向节总成之闻用转动铰相连；减振器内外筒之间通过圆柱铰相连；减振器外筒与转向节总成之间通过固定铰相连；减振器内筒与车架之间通过万向节铰链相连；螺旋弹簧套在筒式减振器的外筒上，其上端与车身相连，下端固定在减振器外筒上；转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过万向节铰链与转向器齿条相连；运动分析时，不考虑转向系的影响，转向器齿条与齿条罩之间没有相对运动，相当于齿条通过固定铰与车架相连。
当车轮上下跳动时，转向节总成沿摆动的主销轴线AD转动。
因此，该悬架在变形时，主销的定位角和轮距都有些变化。
然而，如果适当地调整导向机构的布置，可以使车轮定位参数的变化极小。
通过各点的坐标可求出前轮定位参数如下：
前轮前束角：
α=arctan（（Xb一Xc）／（Yb-Yc））
车轮外倾角：
β=arctan（（Zb一Zc）／（Yb-Yc））
主销后倾角：
γ=arctan（（Xd—Xa）／（Zd-Za））
主销内倾角：
Φ=arctan（（Yd一Ya）／（Zd-Za））
式中，A为三角臂与转向节连接的球铰中心点；D为减振器与车架的铰接点；B、c分别是轮轴内外端点。
与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的优点是：
结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂。
给发动机及转向系统的布置带来方便；与烛式悬架相比，它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善。
麦弗逊式悬架多用在前置前驱（FF）轿车（如保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等）和微型汽车上（如吉林1010、长安SC6331）。
虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量最高的悬架，但它仍是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能力。
图3—1麦弗逊前悬架结构示意图
1一三角臂总成；2一转向节总成；3一轮轴；4--车轮；5一减振器；6一螺旋弹簧；7一车架；
8一转向横拉杆；9一转向器齿条
3.2麦弗逊式前独立悬架的虚拟样机建模
表3一l建模硬点坐标
硬点名称
硬点坐标
x（mm）
Y（mm）
Z（mm）
Wheel_center
0
+717．5
300
Lca_outer
-4．378
+663．835
218．505
Strut_1wr_mount
8．19
+589．486
381．772
Spring_1wr_mount
21．065
+568．213
630．064
Top_mount
27．017
+555．852
814．94
Ica_front
-24．256
+330．52
224．5
Lea_rear
244．3
+311．198
224．5
Tiemd_outer
137．597
+641．974
272．4
Tierod_inner
156．504
+237．75
285．5
建模所需的有关空间点坐标数据由生产厂家提供，具体数据如表3—1所示。
满载时静态前轮定位参数为：
前轮前束1～-3mm（0.052°～-0.1570°）；主销后倾角2．5°～3．20°；主销内倾角l0°～11．5°：
车轮外倾角0～1°。
对该前悬架实体模型进行分析后，对其进行合理的结构简化，根据各部件硬点坐标、质量参数、转动惯量参数以及螺旋弹簧刚度和减振器阻尼特性参数在ADAMS／CAR中依次建立各部件，并在各部件之间添加约束副和力元，得到该麦弗逊式前独立悬架虚拟样机的模板模型，再在标准模式下由模板模型建立其子系统，最后将悬架子系统和测试台（Test—rig）组装在一起得到悬架总成系统虚拟样机模型如图3—2所示。
图3—2前悬架总成系统模型
简化后的前悬架总成系统各约束副类型和数目如表3—2所示。
前悬架总成共有13个刚体，17个约束副，其总的自由度数为：
DOF=13×6-4×4-2×4-4×5-4×3-3×6=4
这4个自由度分别是左右车轮的上下跳动和绕主销的转动。
表3—2前悬架各约束副类型和数目
约束副类型
约束副限制自由度数
约束副数量
万向节
4
4
圆柱副
4
2
旋转铰
5
4
球铰
3
4
固定铰
6
3
3.3悬架总成系统仿真分析
ADAMS／CAR提供了强大的悬架系统分析功能，可进行双轮同向激振（ParallelwheelTravel）、双轮反向激振（OppositeWheelTravel）、单轮激振（SingleWheelTravel）、转向试验（Steering）、静载试验（StaticLoad）等试验仿真分析。
ADAMS／CAR的后处理文件中所包括的曲线几乎涵盖了所有常用的悬架特性。
图3—3双轮同向跳动仿真分析
按满载时悬架所承受的簧载质量要求，将测试台架上下激振位移设置为50mm，使左右车轮同步上下
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