基于ADAMS的水陆两栖车平顺性分析.docx

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基于ADAMS的水陆两栖车平顺性分析

基于ADAMS的水陆两栖车平顺性分析

北京理工大学

机械与车辆学院

目录

第一章项目综述

1.1项目背景

1.2项目研究目的及意义

第二章基于ADAMS的多体动力学仿真方法概述

2.1虚拟样机技术及ADAMS模块构成

2.2ADAMS理论基础

2.3ADAMS/CAR文件体系

2.4本章小结

第三章水陆两栖车在ADAMS/CAR环境下的模型搭建

3.1悬架系统的模板建模

3.1.1麦弗逊式悬架的模型搭建

3.1.2单纵臂悬架的模型搭建

3.2轮胎系统的模板建模

3.3车身系统的模板建模

3.4转向系统的模板建模

3.5制动系统的模板建模

3.6动力系统的模板建模

3.7本章小结

第四章利用ADAMS进行水陆两栖车整车装配及仿真实验

4.1基于模板建立车辆子系统

4.2水陆两栖车的整车装配

4.3随机不平路面下的整车平顺性实验仿真

4.3.1加载实验路面文件

4.3.2加载实验控制文件

4.3.3进行整车平顺性试验仿真

4.4本张小结

第五章水陆两栖车仿真实验后处理及结果分析

5.1利用ADAMS对仿真实验结果进行后处理

5.2基于ADAMS的水陆两栖车平顺性仿真结果分析

第六章项目总结

第一章项目综述

一.1项目背景

水陆两栖车，又名水陆两栖船，水陆两用船，水陆两用车，水陆两用艇；它是结合了车与船的双重性能，既可像汽车一样在陆地上行驶穿梭，又可像船一样在水上泛水浮渡的特种车辆。

由于其具备卓越的水陆通行性能，可从行进中渡越江河湖海而不受桥或船的限制，因而在交通运输上，具有其特殊的历史意义。

多用于军事，救灾救难，探测等专业领域。

水陆两用车的发展可追述上百年的历史，有资料记载上的第一辆水陆两栖车由美国人OliverEvans于

最早记录水陆两栖车的照片

1805年发明.为了能在水中行驶,OliverEvans在车上装了轴和桨轮,用发动机飞轮轴的皮带和皮带轮来驱动桨轮.当这辆两栖车一到水中,车尾的桨轮开始工作。

更准确的描述，OliverEvans的发明应该称为是“一辆使用蒸汽动力的装有轮子的船”从结构和使用上判断这个发明是一只能在水中行走的车。

照片记载的真正意义上水陆两栖车应当是这辆第一次世界大战期间为奥地利军队制造的水陆两栖车，但由于种种原因，

左德军装备82型军车，右166水陆两栖车

该车并没有大量生产.

二战期间，德军装备的大众166型水陆两用车，陆地行驶最高速度接近90公里/小时，水中速度10公里/小时左右。

该车装备部队以后受到德军官兵的广泛欢迎，到1944年末，沃尔夫斯堡工厂和保时捷位于斯图加特的工厂总计生产了14238辆。

美军水陆两栖车，被称“大澡盆”

第二次世界大战中，除了德军之外，美军也装备了大量的两栖车辆，但美军的水陆吉普设计的并不是很成功，没有得到士兵的广泛好评，该车在设计之初就存在很多缺点，如车身太重;干舷太低;还有若干技术上的缺陷，在以后的使用中虽然不断改进，仍然不能取得满意的效果，该车一共生产了12778辆。

汽车平顺性，是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，能保证乘员不会因车身振动而引起不舒服和疲劳的感觉，以及保持所运货物完整无损的性能。

由于行驶平顺性主要是根据乘员的舒适程度来评价，又称为乘坐舒适性。

研究汽车平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定界限，以保持乘员的舒适性。

汽车平顺性评价方法：

上世纪30年代以来在汽车平顺性评价方法方面进行了许多实验研究工作，但难以得到公认的评价方法和指标。

直到1974年，国际标准化组织在综合大量有关人体全身振动的研究成果的基础上，制定了国际标准ISO2631：

《人体承受全身振动评价指南》.新标准规定在评价振动时先计算各自由度上总的加权均方根值,再计算各输入点的振动加速度均方根,然后计算人体承受的总加速度均方根值,最后用总的振动加速度均方根值与人的主观感觉来判断乘员舒适性.新标准基本上克服了原标准的缺点,在试验基础上给出了极为详细的频率加权函数轴加权系数以及明确的舒适性界限,同时还保留了大家熟悉的加速度均方根值作为评价指标,使用起来方便直观,是至今为止最为完善的评价方法.

ISO2631－1：

1997（E）标准规定了图1所示人体坐姿受振模型。

在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支承面处输入点3个方向的线振动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支承面两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴向的振动。

此标准仍认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，在图2上给出了各轴向0.5-80Hz的频率加权函数（渐进线），又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了各轴向振动的轴加权系数k。

一.2项目研究目的及意义

本次项目的目的在于，通过在ADAMS/CAR模块里建立水陆两栖车的模型，利用ADAMS软件对整车模型进行仿真实验，以得到该水陆两栖车在不同路面条件下的加速度时域曲线，以及转化得到的频域范围内的曲线，从而对该水陆两栖车平顺性方面的性能做出合理评价。

本次项目研究所得到的结果可以为实车实验等后续的实验研究提供参考和指导，由于采用软件仿真的方式，使仿真过程更加清晰直观，同时极大地降低了实验的成本，也为整个项目的研究节约了大量的人力、物力和财力。

第二章基于ADAMS的多体动力学仿真方法概述

多体动力学涉及机械系统动力学及其控制等，这是重要的研究方向。

应用牛顿力学、拉格朗日方程等理论知识，针对较为简单、自由度数目较少的系统，通过巧妙的选择广义坐标，利用手工推导可以得到描述该系统的微分方程组；而计算机技术的发展为解决复杂多体动力学系统提供了更有效的手段，ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）就是用于机械产品虚拟样机开发设计时的专业工具，也是一款经典的多体系统动力学仿真软件。

它以研究复杂系统的动力学和运动学关系为目标，以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机对产品进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助设计人员发现问题并解决问题。

我们称其为虚拟样机技术，就是在产品设计阶段对其进行性能测试，从而办证生产出来的产品最大可能的满足设计目标。

它不仅可以节省开发费用，还能最大限度的缩短开发周期，从而提高开发效率，是一种有效的设计手段，已经得到了普遍认同。

二.1虚拟样机技术及ADAMS模块构成

虚拟样机技术VPT（VirtualPrototypingTechnology）是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是产品开发的CAX如CAD、CAE、CAM等技术和DFA（DesignForAssembly，面向装配的设计）、DFM（DesignForManufacture，面向制造的设计）各领域技术的发展和延伸。

虚拟样机技术进一步融合了先进建模、仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。

与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。

ADAMS虚拟样机流程包括：

（1）建模阶段，建立虚拟样机模型——部件、载荷、接触、碰撞、约束、驱动。

（2）试验阶段，测试虚拟样机模型——定义测试、仿真、动画、曲线，然后验证虚拟样机模型——输入实测数据、将仿真数据与之比较。

（3）复查阶段，细化虚拟样机模型——考虑添加摩擦。

函数、部件弹性、控制系统，对设计参数进行迭代计算——参数化、设计变量。

（4）改进阶段，改进设计——DOE、优化，自动化设计过程——个性化菜单、宏、个性化对话框。

Adams软件包含的模块有：

Adams/View（前处理模块）、Adams/Solver（求解器）、Adams/Exchange（CAD接口模块）、Adams/Prostprocessor（后处理模块）、Adams/SolverSMP（单机并行模块）、Adams/Linear（线性化求解模块）、Adams/Insight（优化/实验分析模块）、Adams/Flex（刚弹耦合分析模块）、Adams/Durability（耐久性模块）、Adams/Control（控制模块）、Adams/Viberation（振动分析模块）、Adams/TireHandling（操纵性轮胎模块）、Adams/Car（汽车模块）、Adams/SmartDriver（高级驾驶员模块）、Adams/Truck（卡车模块）、Adams/Chassis（专业底盘模块）、Adams/Ride（平顺性分析模块）、Adams/DrivelinePackage（东力传动系模块），以及专业工具箱：

Adams/ATV（履带工具箱）、Adams/Gear（齿轮工具箱）、Adams/Bear（轴承工具箱）、Adams/Leafspring（板簧工具箱）、Adams/Adwimo（风机工具箱）。

二.2Adams理论基础

二.2.1广义坐标选择

坐标系是定义运动学和动力学分析量必要的测试对象，机械系统的坐标系广泛采用直角坐标系，常用的笛卡尔坐标系就是一个菜用右手规则的直角坐标系。

运动学和动力学的所有矢量均可以用沿三个单位坐标矢量的分量来表示。

坐标系可以固定在一个参考标架上，也可以相对于参考框架运动。

合理的设置坐标系可以简化机械系统的运动分析。

在机械系统的运动分析过程中，经常使用三种坐标系：

（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。

在Adams中，所有构建的位置、方向和速度都用地面坐标系表示。

（2）局部构建参考坐标系（LocalPartReferenceFrame,LPRF）。

这个坐标系固定在构件上并随构件运动。

每个构建都有一个局部构建参考坐标系，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。

在Adams中，局部构件参考坐标系与地面坐标系重合。

（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，有两种类型的标架坐标系：

固定标架和浮动标架。

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。

浮动标记相对于构件运动，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极大程度上取决于广义坐标的选择。

研究刚体在惯性空间中的一般运动时，可以用它的质心标架坐标系确定位置，用质心标架坐标相对于地面坐标系的方向余弦矩阵确定方位。

为了解析的描述方位，必须规定一组转动广义坐标表示方向余弦矩阵。

第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是变量太多，同时还要附加6个约束方程；第二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标，它的算法规范，缺点是在逆问题中存在奇点，在奇点位置附近数值计算容易出现困难；第三种方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角时不存在奇点。

Adams软件用刚体Bi的质心笛卡尔坐标和发硬缸体方位的欧拉角作为广义坐标，即qi=[x,y,z,∅,θ,φ]T,q=[q1T,q2T,...qnT]T。

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，但是却是高度稀疏耦合的微分代数方程，适用于稀疏矩阵的方法高效求解。

二.2.2动力学方程的建立与求解

Adams中用刚体B的质心笛卡尔坐标和反应刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即q=[x,y,z,∅,θ,φ]T，令R=[x,y,z]T,γ=[∅,θ,φ]T,q=[RT,γT]T。

构件质心参考坐标系与地面坐标系间的坐标变换矩阵为：

AA

定义一个欧拉转轴坐标系，该坐标系的三个单位矢量分别为上面三个欧拉转动的轴，因而三个轴并不相互垂直。

该坐标系到构件质心坐标系的坐标变换矩阵为：

构件的角速度可以表达为：

Adams中引入变量ωe为角速度在欧拉转轴坐标系的分量：

考虑约束方程，Adams利用带拉格朗日乘子的拉格朗日第一类方程的能量形式得到如下方程：

T为系统广义坐标表达的动能，qj为广义坐标，Qj为在广义坐标qj方向的广义力，最后一项涉及约束方程和拉格朗日乘式表达式在广义坐标qj方向的约束反力。

Adams中进一步引入广义动量：

简化表达约束反力为：

这样方程（1-5）可以简化为：

动能可以进一步表达为：

其中M为构件的质量阵，J为构件在质心坐标系下的惯量阵。

将方程（1-8）分别表达为移动方向与转动方向有：

其中

方程（1-10）可以简化为：

由于B中包含欧拉角，为了简化推导，Adams中并没有进一步推导Pγ,而是将其作为一个变量求解。

这样Adams中每个构件具有如下15个变量（而非12个）和15个方程（而非12个）。

变量：

方程：

集成约束方程Adams可自动建立系统的动力学方程——微分-代数方程：

其中，P为系统的广义动量，H为外力的坐标转换矩阵。

对于微分-代数方程的求解，Adams采用两种方式，第一种方法为对DAE方程的直接求解，第二种方法为DAE方程利用约束方程将广义坐标分解为独立坐标和非独立坐标然后化简为ODE方程求解。

DAE方程的直接求解是将二阶微分方程降阶为一阶微分方程来求解，通过引入u=q，将所有拉格朗日方程均写成一阶微分形式，该方程为Index3微分代数方程。

I3积分格式如下：

运用一阶向后差分公式，上述方程组对（uqλ）求导，可得其Jacobian矩阵，然后利用New-Rapson求解。

可以看出，当积分步长h减小并趋于0时，上述Jacobian矩阵呈现病态。

为了有效的检测速度积分的误差，可采用降阶积分的方法。

通常来说，微分方程的阶数越少，其数值求解稳定性就越好，Adams还采用两种方法来降阶求解。

即S12和S11方法。

D12积分格式：

上式能同时满足∅和∅求解不违约，且当步长h趋近于0时，Jacobian矩阵不会呈现病态现象。

S11积分格式：

上式中，为了对方程组降阶，引入η和ζ来代替拉格朗日乘子。

这种变化有效的将上述方程组的阶数降为1，因为只需要微分速度约束方程一次来显示的计算表达式。

运用S11积分器，能够有效地监测q,u,η和ζ的积分误差，系统的加速度也趋于更加精确。

但在处理有明显的摩擦接触问题时，S11积分器十分敏感并具有挑剔性。

二.2.3静力学、动力学初始条件分析

在进行动力学、静力学分析之前，Adams会自动进行初始条件分析，以便在初始系统模型中各物体的坐标与各种运动学约束之间达到协调，这样可以保证系统满足所有的约束条件。

初始条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度的目标函数的最小值得到。

（1）对初始位置分析，需满足约束最小化问题。

Minimaze:

Subjectto:

q为构件广义坐标，W为权重矩阵，q0为用户输入的值，如果用户输入的值为精确值，则相应权重较大，并在迭代中变化较小。

可以利用拉格朗日乘子将上述约束最小化问题变为如下极值问题：

L取最小值，则由得：

因为约束函数中存在广义坐标，该方程为非线性方程，需用Newton-Raphson迭代求解，迭代方程如下：

（2）对初始速度分析，需满足约束最小化问题。

Minimize：

Subjectto：

其中，q0为用户设定的精准的或近似的初始速度值，或者为程序设定的默认速度值；W为对应q0的权重系数矩阵。

同样可以利用拉格朗日乘子将上述约束最小化问题变为如下极值问题：

L取最小值，得：

q为已知，该方程为线性方程组，可求解如下方程：

（3）对初始加速度、初始拉式乘子的分析，可直接由系统动力学方程和系统约束方程的二阶导数确定。

二.2.4计算分析过程

Adams中DAE方程的求解采用了BDF刚性积分法，以下为其步骤：

1.预估阶段

用Gear预估-校正算法可以有效的求解微分-代数方程。

首先根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值：

其中，时间步长。

这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，可以由Geark+1阶积分求解程序（或其他向后差分积分程序）来校正。

其中，yn+1为y（t）在t=tn+1时的近似值；β0和αi为Gear积分程序的系数值。

上式经过整理，可表示为：

2.校正阶段

（1）求解系统方程G，如G（y,y,t）=0,则方程成立，此时的y为方程的解，否则继续；

（2）求解Newton-Rapherson线性方程，得到△y，以更新一，使系统方程G更接近于成立。

（3）J△y=G（y,y,t）,其中J为系统的雅克比矩阵。

（4）利用Newton-Rapherson迭代，更新：

y:

yk+1=yk+△yk

（5）重复以上步骤直到△y足够小。

3.误差控制阶段

（1）预估计积分误差并与误差精度比较，如积分误差过大则舍弃次步。

（2）计算优化的步长h和阶数n。

（3）如达到仿真结束时间，则停止；否则t=t+△t,重新进入第一步。

二.3ADAMS/CAR文件体系

这里所说的文件体系是指基于模板建立的虚拟产品。

它由一系列的文件构成，并保存在数据库中。

在Adams/Car中有四类文件：

（1）属性文件

属性文件是定义部件参数的ASCⅡ格式文件，可以使用任何文本编辑器进行编辑、修改和保存。

与物理模型使用螺栓、垫圈等标准件相似，利用属性文件可以方便的对具有同样参数的文件一并定义。

如在一个悬挂系统中包含有很多同样的橡胶衬套，定义它们的特性只需调用同一属性文件即可。

（2）模板

模板是参数化的模型，在模板中含有标准模板组件的零件参数和拓扑结构。

模板中的部分部件可受参数驱动，这样就可以用一个模板涵盖众多同类子系统，为建立各种类似子系统提供了便捷的方法。

（3）子系统

子系统是基于模板建立的、允许标准用户修改的模板参数的零部件组合，如悬挂、车轮、传动系、车架等。

用户只能在标准界面中才可以使用子系统。

子系统的使用，包含新建和载入两方面。

新建子系统必须是基于一个现存的模板。

同理，打开一个现存的子系统时，伴随的模板也随之被读入。

（4）装配组件

装配组件是子系统和试验台的组合件。

由于标准仿真都是由试验台驱动，所以只有包含试验台的装配组件才可以进行仿真分析。

装配组件同样也可以执行一些常用的操作，如打开、关闭、新建、输出、保存和更新。

第三章水陆两栖车在ADAMS/CAR环境下的模型搭建

下面开始在Adams/Car环境下进行整车模型模板的搭建。

该模型主要由悬挂子系统、车轮子系统、转向子系统、车身子系统、制动子系统、动力子系统等组成，其中悬挂包括麦弗逊式悬挂和单纵臂式悬挂。

在建模过程中，分别采用了直接建模法和参数修改法，下面将分别记录建模的过程，并对上述两种方法进行阐释。

三.1悬架系统的模板建模

三.1.1麦弗逊式悬架的模型搭建

首先介绍在模板建模器中人为创建模型模板的方法。

（1）单击File（文件）→New（新建）命令，弹出新建悬挂模板对话框。

（2）在TemplateName（模板名字）输入macpherson。

（3）在MajorRole（主特征）设定为suspension（悬挂）后单击OK.

（4）创建控制臂

控制臂行业习惯称为下摆臂，为了与软件的操作相对应，仍使用“控制臂”这个名称。

首先从硬点的建立开始。

硬点的位置以后是可以修改的，还可以作为变量观察对整车性能的影响。

这里采用硬点→一般部件→几何外形的方式建立控制臂。

一般部件有位置和方向属性，也有质量和惯量，但由于没有确定的几何尺寸，只能设定质量、惯量而不能自动计算和更新。

只有在几何外形确定后才可以由Adams自动计算部件质量。

当在Adams/Car中规定方向时，可以有两种方法可以选择：

输入欧拉角度或指定两个方向的向量。

（5）创建硬点：

单击Build（创建）→Hardpoint（硬点）→New（新建）,弹出创建硬点对话框，如图5-30，在HardpointName（硬点名称）文本框输入arm_outer。

核对Type（类型）为left（左）。

在这里，选择所有的实体为左边，Adams/Car自动创建相对纵向中心线的对称部件。

纵向可以设置为任何轴线，它取决于如何设置环境变量，默认纵向中心线为X轴。

在Location（位置）文本框中输入0，-700,0；单击Apply（应用）按钮，Adams/Car执行命令但不hi关闭对话框；重复上述步骤按表5-1的参数建立另外两个硬点。

表5-1控制臂的前后硬点参数

HardpointName

Location

arm_front

arm_rear

当创建上述硬点后关闭对话框，全屏显示模型，在主窗口可以看见全部6个硬点，如图5-312所示。

（6）创建控制臂——一般部件：

单击Build（创建）→Parts（部件）→GeneralPart（一般部件）→New（新建）命令，打开如图5-32所示对话框。

5-32

Adams/Car建立的一般部件是一个具有质量属性、确定方向、空间为孩子的局部物体参照框（LBRF，localbodyreferenceframe）,如图5-33所示。

5-33

（7）创建控制臂几何形体：

单击命令Build（创建）→Geometry（几何体）→Arm（三角臂）→New（新建），按图5-34设置对话框；

5-34

选择CalculateMassPropertiesofGeneralPart（计算一般部件质量）复选框，设定Density（密度）为Materal（材料密度）。

单击OK按钮创建控制臂如图5-35

（8）创建转向节

转向节由转向节三角臂（wheel_carrier）和转向节立柱（carrier_link）组成，在这里使用硬点→向导→几何外形方式建立同属臂类部件的转向节，向导命令可以简便的建立臂类和杆类部件。

（9）创建转向节使用的硬点

单击Build（创建）→Hardpoint（硬点）→New（新建）命令，设置值如表5-5所示

表5-5转向节左边硬点位置表

HardpointName

Location

Wheel_center

Strut_lower

Tierod_outer

（10）创建转向节三角臂

单击Build（创建）→Parts（部件）→GeneralPart（一般部件）→Wizard（向导）命令，如图5-36所示。

（11）创建转向节立柱几何体

单击Build（创建）→Geometry（几何体）→Link（杆系）→New（新建）命令，如图5-37所示。

（12）创建滑柱（strut）

因为滑柱在减震器内起到转向节主销的作用，滑柱的几何形体是不可见的，无须赋予滑柱集合体形状，所以只要建立起滑柱的一般部件即可。

单击Build（创建）→Parts（部件）→GeneralPart（一般部件）→New（新建）命令，如图5-38所示。

（13）创建减震器

首先建立一个硬点定义减震器，然后按需要定义减震器属性文件。

在Adams中，弹性元件的特性是通