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基于动力学仿真模型的汽车操纵稳定性研究
摘要
汽车的操纵稳定性是指驾驶人员在精神状态没有过于紧张的条件下，驾驶者发出的转向指令，能被汽车准确及时的接受到，汽车按照指定的方向行驶，并且当汽车在工作过程中，被外界因素干扰（道路坑坑洼洼、相对于车身的横向风力、货物或乘客不全部负载）时，汽车能够不受这些干扰的影响，维持相对稳定行驶状态的性能。
是否具有良好的操纵能力，行驶中是否有良好的稳定能力是判断汽车是否安全的重要判断依据。
因此，汽车的操纵稳定性的评价标准和科学研究问题一直是汽车行业的热点问题。
汽车的操纵稳定性的研究，需要对样车来回进行复杂的试验，重复的测试造成人力资源、物质资源等的剧烈消耗，而利用仿真软件，能够解决这些缺点。
本文的主要内容是基于动力学仿真软件ADAMS对汽车操纵稳定性进行研究。
首先在CAR模块建立简化整车模型，在进行相关的仿真试验，分析仿真得出的结果，对车辆的操纵稳定性进行评价
关键词：
汽车操纵稳定性ADAMS软件整车模型
Abstract
Thehandlingstabilityofthevehicleiswhenthedriverfeelnottoonervousandfatigue,thecarcanfollowthedriverthroughthesteeringsystemandsteeringwheelofagivendirection,andwhensufferingfromoutsideinterference（bumpy,crosswind,cargoorpassengerspartialload）,theautomobilecanresistinterferenceandkeepstabledriving.Goodhandlingabilityandgoodstabilityisanimportantbasisforjudgingwhetherthecarissafe.Therefore,howtostudyandevaluatethehandlingstabilityofthevehicle,inordertoobtaingoodvehicleactivesafetyisalwaysoneofthemostimportanttopicsintheautomotivefield.Thestudyofthehandlingstabilityofthevehiclethatneedtorepeatedtestsontheprototype,spendalotoftimeandmoney,however,thesimulationsoftwarecansolvetheseshortcomings.ThemaincontentofthispaperistostudyvehiclehandlingstabilitybaseonADAMS.First,establishingasimplifiedvehiclemoduleintheCARmodule,thendebuggingsimulationmodel,byanalyzingthesimulationresultstoevaluatethehandlingstabilityofthevehicle.
Keywords:
CarHandlingstabilityADAMSVehiclemodel
目录
摘要1
Abstract2
第1章绪论4
1.1 课题的研究背景4
1.2 国内外研究现状4
1.3 课题的目的和研究内容7
1.3.1课题的目的7
1.3.2研究内容7
第2章 ADAMS软件8
2.1 ADAMS软件的介绍8
2.2ADAMS软件的组成8
第3章整车模型的建立11
3.1ADAMS/Car模块的简介11
3.2整车模型的创建11
第四章整车操纵稳定性仿真14
4.1蛇行试验仿真分析14
4.1.1试验设计14
4.1.2仿真设置15
4.1.3仿真分析16
4.2稳态回转特性仿真试验19
4.2.1稳态回转特性试验的目的20
4.2.2仿真结果20
4.2.3仿真结果分析22
4.3综合评价分析24
第5章全文总结与工作展望26
5.1全文总结26
5.2工作展望26
致谢28
参考文献29
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景
如今，随着国内汽车市场的渐渐扩大与持续改进，我国已成为世界上最大的汽车市场，汽车作为交通工具，已经使得人们不能离开对它的使用。
随着使用的增加，自然而然的，人们会对汽车提出越来越多的要求，这导致了要不断研发新的类型的汽车。
原来，为了检验出已经设计出的汽车的不足之处，需要对样车展开复杂多样的试验，通过多次试验达到改善汽车有关性能的目的。
这种复杂繁重的方法，很显然，远远无法跟上当前市场要求不断快速的研究制造出高品质汽车的脚步。
因此，为了改善汽车设计品质和加快研发速度，在汽车制造出来之前，提前利用仿真软件，提前对汽车的相关性能进行检测的做法是十分有意义的。
仿真分析更是有着所需花费的时间比较少，又能够在电脑上重复进行试验，对各种各样的设计计划进行快速对比和优化的显著优点，并且可在试验条件所不具备的极端恶劣工况下进行分析。
拥有这些优势，显然仿真分析对汽车技术的发展、汽车的开发都具有重大的意义。
交通事故的日益多发使得人们越来越关注汽车在遭受外界干扰时，抵挡住种种不良干扰的能力。
这导致当今国际汽车领域中的安全领域的讨论的热点问题就是这种汽车抗干扰能力。
在这种背景下，作为仿真范畴的领导者，ADAMS在汽车性能仿真研究的领域中的使用越来越遍及。
1.2 国内外研究现状
一般来说，良好的操纵性和安全可靠的稳定性对于车辆是否具有优秀的安全性来说是不可分离、难舍难分的，两者的关系极其紧密。
操作人员对汽车下达了转向的命令，这些命令被汽车及时的接收到并且做出了正确的进行转向，这种能力被称作操纵性。
稳定性是指汽车在工作过程中，多多少少会受到外界的干扰，比如行驶的路况坑坑洼洼、凹凸不平，在这些状况下，汽车能保持一个相对稳定的运动状态，维持自己安稳的行驶的能力。
两者公不离婆，称不离砣，仅仅取其一进行讨论是远远不能够的，后者的好坏直接影响前者的好坏，因此通常称为操纵稳定性。
是否具有良好的操纵能力，行驶中是否有良好的稳定能力是判断汽车是否安全的重要判断依据，在汽车处于最大限度的工作状态时，研究它的性能和转向特性，寻找车辆在脱离驾驶者掌握的状态下，它的相关参数就是汽车操纵稳定性的研究任务。
汽车的转向精准水平、车身变化程度、转向反应的时间、极限行驶能力，均属于研究范围。
因此，世界上的汽车工程师们都不断的激烈讨论怎么去评估操纵稳定性——这个行业内重中之重的问题，无数接踵而至的探索者在费心费力的研究之后，取得了相当不错的成绩。
在国外，二十世纪30年待以前，研究者专注于怎么去设计前后悬架，让车轮与地面接触，使得人们能操控好车辆。
二十世纪初到30年代期间，如何确保对车辆的控制越来越受到人们的重视，正是这种变化，才使得研究者不断加深对悬架和相关静力学的了解，对于如何设计出具有优良性能的汽车也有了新的心得。
在同一时间，关于轮胎相关力学的重要性也逐渐开始被人们所知。
从1950s到1970s这段时间，随着人们不断的建立整车模型，对其进行科学的分析，关于车辆轮胎的一些未知的特性，人们有了新的认知，在原先的研究成果上，一个相对来说比较齐全的，关于汽车操作和方向转动的概念框架已经发展成型了。
随着电脑科技的不断进步，要研究汽车的操纵稳定性，就不可避免的要和电脑来了一个“亲密接触”，相关的仿真模型具备了原来不具有的精致精密，这种科技上的提高，使得相关汽车性能的研究达到了一个新的高度。
随着国内逐渐提高的汽车操纵稳定性研究水平，成果自然而然的越来越多，其中代表性的成果有：
同济大学通过建立汽车的十七自由度仿真模型研究了车轮分别在抱死和未抱死情况下汽车操纵稳定性的反应，吉林大学国家重点实验室通过建立汽车的二十九自由度仿真模型对汽车操纵稳定性的多个方面进行了研究，仿真结果与实验结果很接近[]。
随着一代代人不断的不懈钻研，有关如何对需要稳定性控制检测的汽车，进行建模的技术已取得了重大的突破。
但难以否认的是在模型建立的过程中，难以保证它既准确又实时，这个问题还有待完善。
对于操纵稳定性的研究，一般来讲大都数从这三个角度进行：
a．做相关的试验，用参数的数据来描述试验者观察到的现象，并在基于反馈原理建立的人—车闭环反馈控制系统的帮助下，对汽车所特有的性质进行探索，在此基础上，对结果进行判断、分析和评价；
b．利用驾驶人员的主观性，描绘其在驾驶所需试验车辆过程中的感受，对其性能做出评价；
c．通过建立汽车动力学模型和人－车闭环系统模型，利用仿真软件对汽车的操纵稳定性进行研究和客观评估[2]。
如何在反馈控制和非反馈控制系统法中设计制造出虚拟汽车操纵者的模型，这个问题制约着操纵稳定性研究的进一步发展。
在这个背景，汽车操纵逆动力学法被人们所发明，它不需要建立驾驶员模型，而是基于已知汽车模型和运动状态基础上，通过分析不同汽车对于同一路径反求出的的驾驶员操纵输入来评价汽车操纵稳定性[]，其研究大致经过了如下几个阶段：
1）2006年，Andreasson等研究者[][]利用逆动力学方法来研究汽车底盘控制相关问题，结果表明该方法是处理底盘控制问题的有效方法；
2）2011年，Boyer等研究者[]利用逆动力学方法来研究汽车多体动力学，分析汽车操纵稳定性能问题。
3）在我国，南京航空航天大学的赵又群教授科研团队一直从事着操纵逆动力学的相关研究，2006年，他们运用径向基函数神经网络解决了逆动力学研究中转向盘角输入识别的问题[]，2007年成功地将汽车操纵逆动力学问题转化为最优控制问题，利用直接配置方法将最优控制问题转化为非线性规划问题，最终运用序列二次规划方法求解[]；2012年，他们引入Gauss伪谱法来对紧急避让汽车操纵逆动力学进行研究，该方法相对于传统直接法和间接法来说，Gauss伪谱法拥有对初始值依赖性小、求解效率高的优势，采用该办法解决汽车的最速操纵相关问题，使得路径约束均和边值约束都得到相当程度的满足[]；2014年，他更是经过引入学习速度和收敛精度更高的SDIDRNN网络识别汽车操纵逆动力学模型，结果显示，其所得结果及误差的分析说明了该神经网络在学习能力上具有优越性以及识别模型的有效性[]。
1.3 课题的目的和研究内容
1.3.1课题的目的
为了评估汽车模型的操纵稳定性，反复对车辆进行实车测试是十分有必要的。
由于车辆操纵稳定性实车测试花费的钱财多，重复测试造成人力资源、物质资源等的剧烈消耗，而且很难得到一个大家一直认同的评价结果，众说纷纭，作为结果，研发出汽车所需的时间大大增加。
为了解决这个问题，国内外学者都不约而同的选择用仿真试验的方法，去完成自己对汽车性能的研究。
通过虚拟仿真软件创造出具有“真实场景”的虚拟仿真，降低开发新车所需要的成本，减少了设计出新车所需的时间，这使得操纵稳定性的研究进入了高速发展期。
本文ADAMS/Car上建立了一个简单的整车模型，对这个模型展开了蛇形行驶试验和稳态回转特性试验，详细的记录下了仿真的结果，对操纵稳定性进行分析、得出结论。
1.3.2研究内容
本文共分为五章，各章的主要内容如下：
第1章：
详细介绍了国内外车辆操纵稳定性的发展历程和研究现状。
第2章：
着重描述了ADAMS软件的状况和发展，以及ADAMS软件的组成，对其中重要的ADAMS/View、ADAMS/Solver、ADAMS/Postprocessor三个模块进行了简略的介绍。
第3章：
介绍了ADAMS/Car汽车专业模块，并且介绍了利用ADAMS/Car建立整车模型的过程。
第4章：
介绍了蛇形行驶和稳态回转特性试验，在仿真结束后根据相对应的评分标准对其进行科学的评价。
第5章：
这章是对整个论文做了一个大致的归纳，同时估量了相关研究的发展前途。
第2章 ADAMS软件
2.1 ADAMS软件的介绍
ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）是美国MDI（MechanicalDynamicsIncorporated）公司开发的机械系统动力学分析软件，是虚拟样机技术得以实现的一个被普遍应用的平台。
目前，全世界数百家制造商采用ADAMS进行动力学分析，它凭借多样的功能，方便的测试，快捷的建模等特点受到了世界工程师的推崇，根据早先国际上的调查报告显示，ADAMS的销售额难以置信的达到了8000万美元，占据了整个市场超过一半的份额。
ADAMS软件建立一个能与操作者交互图片的环境，利用它自身自带的种类齐全的零件，多种不同的约束，完备的各种力，使得操作者能够创建出机械几何模型。
ADAMS软件之所以能够对所创建出的模型进行相关力学的高难度分析，做出各种物理运动参数图形，是因为ADAMS通过拉格朗日方程的方法建立以发现偏差所在并找出原因为基础，以用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的综合性技术为手段的定量方法。
凭借着能够在机械物体被实际制作出来前，作出对其性能判定的能力，ADAMS被广泛的应用在各种研究上。
2.2ADAMS软件的组成
ADAMS的基本模块包括ADAMS/View（用户界面模块）、ADAMS/Solver（求解器模块）、ADAMS/Postprocessor（后处理模块）。
ADAMS/View模块采用建立一个能与操作者交互图片的环境，将图标（icon），菜单（unit），仿真（simulate），动画回顾（review），XY曲线和分析结果和数据发布等功能集成在一起，将各个部件的模型组合成可以操纵的整体，并施加大小合适的外进行驱动。
它支持快速便捷的建立参数化模型，便于对设计进行改进；具有实用、简单的试验研究方法；能研究单变量和多变量的试验并对其进行分析优化。
在仿真过程中和结束后，软件使用者可以对模型进行观察，记录下相关的物理参量。
ADAMS/View界面如图2-1所示。
图2-1ADAMS/View界面图
ADAMS/Solver作为ADAMS系列产品的核心模块之一，如同心脏对于生命，是ADAMS产品不能够缺少的一部分。
ADAMS/Solver能够自主对已建立的系统模型的各种问题，如动力学、静力学方面的，进行计算，分析出结果。
ADAMS/Solver有各种建模和解决方案，为各种工程应用提供准确和有效的解决方案。
在拉格朗日方程的协助下完成模型的相关动力学方程；借助牛顿-拉弗森跌代算法解出有关静力学、准静力学、运动学和非线性瞬态动力学的解算结果。
对于各种机械、控制方面的综合性问题，ADAMS/Solver都能依靠它的各种模型化和求解选项，对这些要解答的题目进行分析。
ADAMS/Postprocessor模块用来绘制曲线、显示仿真动画、处理仿真结果数据等，使得用户对其他模块下的仿真结果有一个清晰直观的观察，结果被翻译各种形式表现出来，借助高可读性的结果，来准确地反映模型的特点。
ADAMS/Postprocessor的亮点在于，用户可以从不同的方向清晰地观察屏幕上的画面清晰不卡顿的动画视频，通过这种方法，对设计方案是否合理、能否成功做出比较直观的判断；搜索结构清晰，使得使用者能够方便快捷的找到想要找到的对象；拥有实用的数据映射、准确处理相关数据和便利的输出文档的功能；灵活多变的窗口风格是的ADAMS/Postprocessor能够支持多窗口画面分割显示及多页面存储；将多个窗口的动画和与其对应的曲线图同时清晰的显示出来，更能够把它们录制成Video视频文件，方便多次回放；它不仅能够凭借参数坐标图得出精确的相关数据，比如均值、最值、角系数这些，还能够对相关的参数进行数学运算、放大、缩小、修改和生成相频响应曲线图等；ADAMS/Postprocessor模块的重要性在整个设计周期中都能够得到淋淋尽致的体现。
第3章整车模型的建立
3.1ADAMS/Car模块的简介
ADAMS/Car模块是车辆的专门模块，能够对汽车进行各种重要的性能进行分析，同时拥有行业标准化分析和模版的专业化建立两个显著的亮点，这些特点使得客户能够按自己的要求方便的创建汽车系统各个零件的模型、进行专业化的分析、验证设计方案，是世界各地汽车行业从业者不能离开的车辆动力学仿真软件环境。
ADAMS/Car模块有标准界面和模型建立界面两种完全不同的界面。
在标准界面有多种子系统标准模块，包括轮胎、路面、车身、控制系统和底盘等，从而建立整车模型，对其进行仿真分析。
在建模界面，用户对系统自带的零件进行修改自定义，将它们按照自己的想法自由组合建立自己所需的各个仿真模型，进行各种状况下的虚拟试验。
3.2整车模型的创建
ADAMS／Car模块的界面被划分为标准和建模两种形式。
在标准界面中，使用者能够使用软件自带的子系统模板，创建各个汽车系统零件的模型并进行模拟分析。
在第二个界面中，使用者能够从ADAMS/Car本身具有的各种标准的零件模板中，选择自己所需要的一个或者几个零件，也可以重新创建几个新的、符合自己工作要求的零件，然后将它们转换至第一种界面，进行车辆性能分析。
在本课题中，我选择了利用ADAMS/Car模块的自带整车模型来完成对车辆操纵稳定性的分析，这种选择相对比较快捷方便。
打开ADAMS/Car，在工具栏中找到“文件”，选择“open”打开“Assembly”,如图3-1
图3-1
点击“Assembly”后出现“OpenAssembly”栏，右键选择“搜索”，打开“/assemblies_tbl”,如图3-2
图3-2
点进去后选中“MDI_Demo_Vehicle.asy”文件，如图3-3
图3-3
打开后在“OpenAssembly”中点击“确定”，出现整车模型，如图3-4
图3-4
至此我们就创建出了ADAMS/Car模块自带的整车模型，可以用此模型进行汽车操纵稳定性的研究。
第四章整车操纵稳定性仿真
4.1蛇行试验仿真分析
作为评价汽车在遭受外界干扰时，抵挡住种种不良干扰，听从驾驶员指令行驶的能力的重要试验之一，蛇形试验能反映车辆在行驶过程中，是否能够急剧转弯的能力，也能反映汽车在行驶过程中，如果发生急剧转弯的情况，汽车能否保证乘坐者的安全和舒适。
转向盘转角、横摆角速度和车身侧倾角等典型数的变化情况都可以从蛇形试验中收集到。
汽车蛇形试验测量的变量主要有以下：
a.汽车前进车速；
b.转向盘转角；
c.汽车侧向加速度；
d.汽车横摆角速度；
e.车身侧倾角。
蛇形试验评价方法主要分为客观评价与主观评价。
1、客观评价是指，在反馈控制系统和非反馈控制系统的条件下，对样车进行试验，测量遭受外界干扰时，抵挡住种种不良干扰，听从驾驶员指令行驶的性能的物理参数，并将结果和对应的评价对比，得出对样车的评价。
2、主观评价法主要是指让相关工作人员进行实车体验，驾驶试验车辆，记录下他在行驶过程中的主观感受，让专门的人员对试验过程中的操纵感觉进行判断分析，给出评分。
4.1.1试验设计
蛇行试验标准参考GB6323.1-1994，试验规定设置根标桩，按照图4-1进行布置，在以基准行驶车速行驶的前提下，试验车辆像蛇一样，在布满路桩的试验区域内行驶，在这片试验区域内，由5个路桩的间距包围起来的区域被称作有效标桩区。
国标规定乘用车基准车速65km/h，蛇形试验的试验规定，最开始的试验速度为基准速度的一半，随着试验次数的上升，试验车速也不断地增加，虽然没有对最高试验车速作出统一的强制性规定，但是出于确保车上人员安全的考虑，通常不会多于80km/h。
蛇行行驶试验不仅能够评价相对稳定状况下汽车的状态，还可以考察两相邻稳定状态之间变化的响应性与随动性。
图4-1
4.1.2仿真设置
蛇行行驶试验通过编写制作事件文件的方法，用动力推动模型完成试验。
参照乘用车标准，设置基准车速65km/h，利用机器控制控制整车模型往哪个方向运动，用动力推动模型，根据已经安排好的路线行驶。
事件文件设置如下图4-2所示。
编制行驶轨迹如下图4-3所示。
图4-2事件文件设置
图4-3行驶轨迹
4.1.3仿真分析
参照GB6323.1-1994蛇行行驶试验规定，评价指标主要有：
平均侧向加速度峰值、平均车身侧倾角峰值、平均横摆角速度峰值以及平均方向盘转角峰值。
在Adams/Car后处理模块可以直接得到以上参数随时间变化的曲线，蛇行试验仿真结果如图4-4至4-8所示。
图4-4方向盘转角随时间变化曲线
图4-5横摆角速度随时间变化曲线
图4-6车身侧倾角随时间变化曲线
图4-7侧向加速度随时间变化曲线
图4-8车速随时间变化曲线
通过以上图表中的数据，计算出蛇行试验的平均横摆角速度峰值与平均转向盘
转向峰值，这也是蛇行试验的评价指标。
1.平均横摆角速度峰值r
式中，
为平均横摆角速度峰值的评价计分值；
为平均横摆角速度峰值的下限值，取25°/s；
为平均横摆角速度峰值的上限值，取10°/s；
为基准车速下，平均横摆角速度峰值的试验值；
根据试验结果，平均横摆角速度峰值为：
计算得分：
2.平均方向盘转角θ
式中，
为平均转向盘转角峰值的评价计分值；
为平均转向盘转角峰值的下限值，取180°；
为平均转向盘转角峰值的上限值，取60°；
为平均转向盘转角峰值的试验值；
根据试验结果，平均转向盘转角峰值为：
计算得分：
3.蛇行试验综合评分
蛇行试验的综合评价计分值由下式计算：
式中，
为蛇行试验综合评价计分值。
4.2稳态回转特性仿真试验
作为研究汽车在遭受外界干扰时，抵挡住种种不良干扰，听从驾驶员指令行驶的性能十分根本和重要的一方面，稳态回转特性对车辆这种基本性能的研究无疑具有重大的意义。
QC/T-中已经清清楚楚的做出了规定，一旦被测试的车辆没有通过稳态回转特性试验的话，那么就断定它不具备良好的操纵稳定性。
稳态回转试验当前主要有两种方法，分别是固定方向盘的转角和固定车辆转弯半径这两种，我国国标通常用前一种方法。
4.2.1稳态回转特性试验的目的
稳态回转特性试验的目的是为了对汽车转向特性和车体侧倾特性进行了测量，以确定试验车的稳定性。
通常，一般的车辆都被规定应当具有不足转向特性，因为具有过度转向特性的车辆不仅驾驶难度大，而且一旦到达临街车速，即便只是遭受到了轻微的外界干扰，都会产生失稳的情况，导致汽车失去驾驶者的控制，这无疑大大降低了车辆的安全性，是绝对不允许的。
4.2.2仿真结果
通过ADAMS/Car模块对整车模型进行稳态回转特性试验，将仿真结果记录下俩，以曲线的形式表现。
结果包括：
车辆纵向车速随时间的变化、车辆横摆角速度随时间的变化、侧向加速度随时间的变化曲线、侧倾角随侧向加速度的变化曲线，分别如图所示
图4-
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