ADAMS在汽车动力学仿真中的应用研究

qiche

2010年8月18日 17:58

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一、引言
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大量应用。系统动力学仿真是数字化虚拟样机的核心、关键技术。对汽车而言，车辆动力学性能尤为重要。为了降低产品开发风险，在样车制造出之前，利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真，并优化其参数就显得十分必要了。对操纵稳定性的研究常采用仿真分析方法和试验方法来进行。仿真分析是在计算机上建立简化到一定程度的模型，输入驾驶员对汽车的各种操纵信号，解算出系统的时域响应和频域响应，以此来表征汽车的操纵稳定性能。因为仿真分析花费时间短，可在计算机上重复进行，对各种设计方案进行快速优化对比，并且可实现试验条件下不能进行的严酷工况分析，因此该方法日益被人们采用。
建立整车仿真模型常有多种方法，笔者应用机械系统运动学、动力学仿真分析软件ADAMS，来建立仿真模型，并对不同方向盘转角下的操纵稳定性进行了动力学仿真。
二、数字化分析模型的准备
（一）仿真分析模型所需要的参数类型
建立多体系统动力学分析模型，参数需要量大，精度要求高，参数准备工作量大。所需的参数主要可划分为四类：尺寸（几何定位）参数、质量特性参数（质量、质心与转动惯量等）、力学特性参数（刚度、阻尼等特性）与外界参数（道路谱等）。
其中的尺寸参数和大部分的质量特性参数可以通过建立三维数字模型得到，其他参数尚需要别的参数获得手段来获取。总的来说，参数的获得方法主要有以下几种：图纸查阅法、试验法、计算法、CAD建模法等。可根据具体实际情况采用。
（二）数字模型间的数据传递
基于CAD/CAM软件建立三维数字模型是建立数字化分析模型的基础。使用CAD/CAM软件建立系统的三维实体数字模型，并以各个运动部件的形式先将零部件合并，装配好；将模型存为ADAMS软件可调用的特定格式的数据文件；然后利用CAD/CAM软件与ADAMS软件之间的数据接口文件将三维模型传递到ADAMS软件中去；之后输入各运动部件的密度等必要参数，就可以直接得到各运动部件的质量、质心与转动惯量等质量参数。将三维数字模型传递到ADAMS软件中后，通过添加适宜的约束和力元素等建模元素就可以得到初步的多体系统分析模型，也就是我们的基本化模型。
三、整车模型的创建
（一）双横臂式前悬架多体系统动力学模型
C型车前悬架采用双横臂式独立悬架。前悬架主要零部件，对整车操纵稳定性能分析有重要影响的有：上横臂（两个）、下横臂（两个）、转向节（两个）、转向横拉杆（两个）、转向主拉杆（一个）、转向摇臂（两个）、车身（一个）、横向稳定杆（一个）、纵置扭杆弹簧（两个）、减振器（两个）。上横臂一端通过球铰与转向节相连，另一端通过转动铰与车身相连，使其可相对车身上下摆动。下横臂一端通过球铰与转向节相连，另一端通过转动铰与车身相连。转向横拉杆一端通过球铰与转向节拉臂相连、另一端通过球铰与转向主拉杆相连，纵置扭杆弹簧一端通过固定铰与下横臂相连，另一端通过固定铰与车身相连。车轮（即hub构件）通过转动铰与转向节相连。稳定杆中部自由地支承在两个固定在车架上的橡胶套筒内。稳定杆连杆一端通过等速万向节与稳定杆连接，另一端通过球铰与下控制臂连接。具体结构简图见图1所示：

ADAMS在汽车动力学仿真中的应用研究的图1

（二）后钢板弹簧多体动力学模型
由于钢板弹簧由多片长短不一的簧片叠加组成，力学特性较为复杂，既是弹性元件，又是传递纵向、侧向地面作用力的传力元件，因此建立钢板弹簧悬架模型是构造车辆多体模型的一大难点。这里利用等效中性面法建立了C型车用钢板弹簧悬架模型并验证了模型的正确性。其原理是：所有主簧可以简化为在某个等效中性面的单片主簧，即沿板簧厚度方向中间层组成的近似曲面，再将中性面按厚度基本相似原则分成若干等强度直线段，利用ADAMS中的BEAM单元模拟这些等强度直线段，每段间以Flexible（柔性）方式连接小刚体过渡;按板簧中性面上各段真实质量特性设定对应BEAM单元质量参数。副簧的建模可以单独划分若干段，每段的长度应和其对应的主簧分段长度接近。主副簧之间的约束问题通过在接触位置加IMPACT力来实现。
完成后的钢板弹簧自由状态时多体模型见图2所示：

ADAMS在汽车动力学仿真中的应用研究的图2

（三）扭杆弹簧参数及模型
扭杆弹簧一端与下控制臂相连，另一端与车身相连。根据实际问题的需要，在ADAMS软件中采用力约束rotational—spring—damping来模拟扭杆弹簧的作用。
（四）横向稳定杆模型
横向稳定杆对汽车的操纵稳定性有重要影响。在ADAMS中，建立简化的横向稳定杆的模型：方法是将稳定杆中间断开，联以扭杆弹簧，其扭转刚度由中间处的扭转弹簧表示。
（五）减振器模型
减振器是悬架系统的主要元件，与弹性元件并联安装，车轮与车身的相对振动，主要是通过减振器衰减的，即由于悬架匹配了适当的阻尼，车身的自由振动被迅速衰减，车身的强迫振动也会受到抑制。根据前、后减振器的速度—阻尼力特…………

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