基于虚拟样机技术的悬架参数优化设计及汽车平顺性分析word论文

摘 要 悬架 作为汽车的 重要总成之一 ，其作用是 用来传递车 架和车桥之 间的力和力矩 ，缓冲不平路 面所带来的冲 击，以保证汽 车能比较 平顺的行驶。 随着科学技术 的飞速发展， 人们对汽车性 能的要求变高 ，汽车的 行驶平顺性已 经成为各大汽 车制造厂商为 提升产品竞争 力所越来越重 视的一项 性能指标。传 统的分析方法 已经跟不上汽 车飞速发展的 脚步，虚拟样 机技术的 应用变得愈发 重要，通过动力学仿真软件 ADAMS 可以对汽车性能进行高效的研究。本文首先描述了课题研究的背景，对汽车平顺性和虚拟样机技术的发展历程进行概述，然后对多体动力学理论和动力学自动分析软件 ADAMS 进行了介绍。接着对麦弗逊式独立悬架的结构进行分析，以此为基础在 ADMAS/Car 中建立麦 弗逊前独立悬 架的简化仿真 模型，在软件 中分别进 行双轮同向和 双轮反向激振 情况下的悬架 运动学仿真， 根据仿真分析 结果得到 不符合设计要 求的车轮定位参数，并以此定位参数的优化设计为目标，运用 ADAMS/Insight 的 DOE 试验设 计功能找出对 此定位参数影 响较大的悬架 结构设计 硬点，并比较 优化前后的仿真分析结果，对优化目标进行验证。最后在 ADMAS/Car 中建立双横臂式后独立悬架、转向系统、前后车轮、车身以及动力系统的虚拟仿真模型，在 ADAMS/Car Ride 模块中选择四柱振动试验台和 各总成系统组 装成整车虚拟 样机模型；介 绍国内外 的平顺性评价 方法，依据 GB/T 49702009 的要求在 ADAMS/Car Ride 中生成所需路面，对整车进行随机输 入和三角形脉 冲输入路面下 的平顺性仿真 ，根据仿 真分析的结果 对整车平顺性进行评价。全文以在 ADAMS 中所建立的模型为基础，初步实现了在计算机上对汽车悬架 性能和整车平 顺性的仿真分 析，对于汽车 制造厂商 在产品研发过 程中缩短设计周期、降低开发成本和提高产品质量都有非常重要的意义。关键词：虚拟样机技术，悬架参数优化设计，平顺性，ADAMS I Abstract As an important assembly of automobile, suspension is to transfer the force and torque between the frame and the axle, buffering the impact of uneven pavement, so as to ensure cars to drive smooth. With the rapid development of science and technology peoples request to automobile per formance becomes higher, the ride-ability of vehicle has become a very important performance metrics when the car is in the development stage. The traditional method of analysis has not kept up with the rapid pace of development of automobile, the application of virtual prototype technology becomes more and more important, developers can do research on vehicle performance efficient through the dynamics simulation software of ADAMS. This paper first describes the research background, the development of ride-ability and virtual prototype technology, and detail the theory of mu lti-bodied dynamics and the dynamics simulation software of ADAMS. Then analysis the structural of the McPherson suspen sion, establish a simplified model of McPherson suspension in the module of ADMAS/Car, and do the kinematics simulation of suspension in the excitation of parallel wheel travel and opposite wheel travel. According to the results of simulation, we get the wheel alignment parameter which is not up to the requirement of design. Taking this parameter as the target, we use the DOE function of ADAMS/Insight to modify the coordinate of hard point that is associated with the parameter. By comparing the results before and after, it verifies the feasibility of this method. At last, establish the double wishbone suspension 、steering system、power systems、wheels and body by ADAMS, and get the virtual prototype model of thevehicle by get those parts and Four Post TestRig together in the module of Ride. The evaluation methods of ride-ability at home and abroad are introduced detailed. Generate the needed pavement according to GB/T 4970 2009, and do the ride-ability simulation of the vehicle on the random road and the pulse road, finally evaluate the ride-ability according to the results.Based on the model, the paper achieved the goal that preliminary simulation II analysis of the performance of suspension and the ride-ability. This method has very important significance, it can shorten design cycle、lower cost and improve product quality in the development stages. Key words ： Virtual Prototyping Technology, Optimal Design of Suspension Parameters, Ride-ability, ADAMSIII 目录摘 要 . IAbstract . II第 1 章 绪论 . 11.1 研究背景及意义 . 11.2 虚拟样机技术 . 21.3 平顺性国内外研究现状 . 21.4 研究内容 . 3第 2 章 多体动力学理论及 ADAMS 软件介绍 . 52.1 多体动力学介绍 . 52.2 虚拟样机技术介绍 . 62.3 ADAMS 软件介绍 . 82.4 ADAMS 软件算法原理 . 82.4.1 广义坐标选择 . 82.4.2 自由度的计算 . 92.4.3 初始条件 . 102.4.4 ADAMS 动力学分析 . 122.4.5 ADAMS 运动学分析 . 132.5 轿车模块 ADAMS/car 介绍 . 132.6 ADAMS/Car ride 模块介绍 . 162.7 ADAMS/Insight 模块介绍 . 162.8 小结 . 18第 3 章 麦弗逊式前悬架模型建立 . 193.1 麦弗逊式前悬架结构分析 . 193.2 麦弗逊式前悬架虚拟样机建模 . 203.2.1 确定硬点坐标 . 213.2.2 创建几何模型 . 213.2.4 建立通讯器 . 233.2.5 建立悬架总成模型 . 243.3 小结 . 25第 4 章 前悬架仿真及参数优化设计. 264.1 初步仿真分析 . 264.1.1 双轮同向垂直跳动分析 . 264.1.2 双轮反向垂直跳动分析 . 314.2 车轮定位参数的优化 . 334.2.1 ADAMS 参数化分析方法介绍 . 334.2.2 设计变量灵敏度分析. 34IV 4.2.3 定位参数优化设计 . 374.3 小结 . 40第 5 章 整车模型建立 . 415.1 前悬架模型 . 415.2 后悬架建模 . 415.3 转向系建模 . 425.4 轮胎模型 . 425.5 车身模型 . 445.6 动力系统建模 . 455.7 整车总成模型装配 . 465.8 小结 . 46第 6 章 整车平顺性仿真分析 . 476.1 平顺性评价方法介绍 . 486.2 随机输入路面下的平顺性评价标准 . 506.3 随机输入路面下的平顺性分析 . 516.3.1 路面生成原理 . 516.3.2 随机输入路面的建立. 526.3.3 随机路面下的仿真 . 536.3.4 随机路面下的仿真结果分析 . 546.4 脉冲输入路面下的平顺性评价标准 . 586.5 三角形凸块脉冲输入路面下的平顺性分析 . 596.5.1 三角形凸块路面的建立 . 596.5.2 凸块路面下的仿真分析 . 596.6 小结 . 61第 7 章 总结和展望 . 637.1 总结 . 637.2 展望 . 63致 谢 . 65参考文献 . 66研究生期间论文发表情况 . 69V 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 作为 汽车的重要 组成部分，悬 架的作用是 将承载式车 身与车轮弹 性的连接起来 。悬架的任务 包括约束车 架和车桥之间 的相对运动 关系，传递作 用在车架和车 轮之间的力和 力矩，缓和 因路面不平而 传递到车架 的冲击，衰减 起承载作用部 件上的振动， 进而确保汽 车的整车安全 行驶。悬架 性能的优劣影 响着轮胎的磨 损情况和使用 寿命，同时 也对整车的舒 适性、制动 性和操纵性等 重要的汽车性 能指标有着非 常大的影响 ，正因为如此 ，悬架一直 都是汽车设计 人员重点关注的对象。 汽车 的平顺性是 指以一定的 速度行驶时， 保证乘员不 会因振动而 感觉不舒服劳 ，以及保持所 装载的货物 能完整无损的 性能。作为 汽车的主要性 能之一，平顺 性不单单与乘 员的舒适感 有这关系，它 还影响着汽 车的其它性能 ，例如操纵稳 定性、动力学 以及驾驶的 可靠性等性能 。对于乘员 来说，良好的 平顺舒适性可以给人带来一个轻松愉悦的环境，有效的减轻长时间旅行所带来的疲惫感。对于 驾驶人员而言 ，平顺性的 优劣直接关系 着个人的身 心及工作状态 ，甚至是人身 安全问题。当 进行长时间 的驾驶操作时 ，若平顺性 欠佳，驾驶员 的疲惫问题会比较突出，进而导致不能保持注意力的集中，引发交通事故的可能性变大，乘员 和所装载货物 的安全都不 能得到有效的 保证；相反 ，若平顺性优 越则可以使的 驾驶变得轻松 舒适，降低 发生事故的概 率。从这些 方面来看，平 顺性研究的意 义至关重大， 我们应该不 断的其进行更 加广泛和深 入的研究，以 满足汽车发展的要求。 汽车 在设计过程 中，由于其结 构的复杂性 ，除了悬架 部件和平顺 性能要重点考 虑外，还有很 多需要注意 的方面，新产 品的样车往 往需要经过多 次的重复制作 和试验才能定 下最终方案 ，对于技术含 量较高的高 档汽车来说， 这个过程更加 复杂。在汽车 开发设计阶 段采用虚拟样 机技术进行 建模和仿真， 可以完成对汽车的辅助设计，有效提高设计效率。自 20 世纪 90 年代中期以来，该技术和数 字化设计已经 在世界范围 内得到广泛的 发展，日益 成为汽车开发 设计的潮流选 择。运用虚拟 样机技术进 行虚拟设计和 试验，可以 很大程度上简 化悬架等系统 的开发流程， 降低研发成 本，缩短研发 时间，同时 也可以对系统 性能进行1 研究以获得最优设计产品，提高产品质量。 1.2 虚拟样机技术 虚拟 样机技术是 指利用计算机 建立可以用 来替代实际 物理产品的 模型，以此对产品的设计、生产、销售和服务等阶段的状态进行模拟、测试和分析。 运用 虚拟样机技 术，通过建立 完整的汽车 仿真模型并 对其进行试 验分析，可以 得到整车性能 与相关的结 构参数之间的 规律，从而 进行性能预测 和可行性研究 ；在实际样机 制造出来之 前还根据仿真 结果进行优 化设计。通过 对模型的虚拟 试验，可以减 少试验试制 的次数，缩短 设计周期， 降低成本；同 时还能进行事故模拟的研究和危险性工况下的替代试验。 国外 很早就已经 开始进行运用 虚拟技术建 立数字模型 来替换真实 模型，以此来对汽车进行试验和设计的研究，并取得了骄人的成果。1972 年，通用公司首先开发了通用预测程序 GPSIM，它能够模拟汽车在绝大多数工况下的累计和瞬时 油耗，预测空 气阻力系数 、质量和传动 比等汽车设 计参数，并能 得到这些参数 变化对汽车的 动力性和燃 油经济性产生 的影响。在 操纵稳定性方 面，美国北卡 大学开展了对 驾驶员虚拟 环境的模拟研 究，其成果 具有相当的应 用价值。另外，美国 MDI 公司开发了整车虚拟设计软件包用于快速构建高精度的包括悬架、 动力系和车身 等系统的汽 车模型，该软 件包可以通 过仿真得到各 个试验工况下 的动力学响应 ，输出可以 对平顺性、操 纵稳定性等 性能进行评价 的特征参数。 在国 内关于整车 性能虚拟仿真 的研究相对 比较迟缓一 些，但是也 有了一定的发 展。吉林大学 动态模拟实 验室以人一车 一环境系统 为出发点，对 汽车的主动安 全性进行了全 工况的仿真 研究，主要包 括运动模拟 系统、视景模 拟系统、声效 模拟系统和主 控台等方面 的内容，该系 统能比较精 确的模拟驾驶 员行为，具有实际汽车试验场所不具有的优势。 1.3 平顺性国内外研究现状 作为 平顺性研究 的一项重要内 容，人们对 平顺性评价 方法作了大 量工作，在此基础上产生了主观评价和客观评价两种方法。国际标准化组织在 1978 年制定了 ISO2631 人体承受全身振动评价指南，该标准的推出把以往简单地通过2 零件 振动响应评价 平顺性的方 法发展到“人 车路” 系统的水平上 ，并先后对此标准做了多次的改进和完善工作，使得能够更好的符合实际情况。 国内在 70 年代后期开始进行平顺性评价标准的制定，并参照 IS02631制定了 GB4970 和 GB5902 ，分别对应于随机输入路面和脉冲输入路面工况下的平顺性试 验方法。另外 ，在主观评 价的领域，一 些科学家提 出将神经网络 和模糊数学等理论引入平顺性评价的研究中，以利于得到相应的定量指标。 进入 20 世纪 90 年代之后，随着汽车试验研究工作以及基础理论的飞速发展，通过多体动力学仿真分析软件 ADAMS 对汽车平顺性的研究也越来越多。2003 年华中科技大学杨波等人运用模态分析法和弹性梁弯曲振动理论建立了多轴汽 车柔性模型， 通过对不同 车速下的道路 和仿真试验 的结果进行比 较，验证了所提出的平顺性分析方法的可行性。2006 年周云波等人建立国标路面谱下的典型路面 AR 模型，并利用周期图法对其进行了谱分析，由得到的随机路面谱在ADAMS 中建立了路面模型。2010 年江苏大学薛念文等人进行了在 ADAMS 和MATLAB 环境下的联合仿真，将在 ADAMS 里建立的虚拟模型导入至 MATALB中，并创建了模糊控制器模型，为车辆平顺性的研究提供了一种新的方法。 可以 看出，近年 来国内外在汽 车平顺性上 的研究都有 了不错的发 展，利用虚拟样机技术来研究汽车平顺性已成为一种趋势。 1.4 研究内容 本文以动力学分析软件ADAMS为平台，利用多体动力学理论和虚拟样机技术 ，对某轿车的 悬架相关性 能和整车平顺 性进行了研 究，内容主要 包括以下几点：1）对麦弗逊式独立悬架的结构进行了分析，以此为基础在 ADAMS/CAR 中建立 了前悬架模型 ，并通过运 动学仿真得到 了车轮定位 参数对车轮跳 动量的影响规律，分析各悬架定位参数的设计合理与否，找出需改善的参数； 2）利用 ADAMS/Insight 的 DOE 设计试验功能找出与不合理的定位参数影响最 大的悬架模型 关键点坐标 ，并通过优化 设计得出最 佳的关键点坐 标值，对坐标 值改进前后的 仿真进行比 较，结果表明 不合理的定 位参数变化情 况得到改善； 3）建立包括悬架、传动系和车身等系统等在内的整车仿真模型，根据国标的试 验规范要求对 悬架参数改 进前后的整车 虚拟样机进 行随机路面、 脉冲输入3 路面的平顺性仿真，并对平顺性指标进行评价和对比分析。4 第 2 章 多体动力学理论及 ADAMS 软件介绍 2.1 多体动力学介绍 通过 各种各样的 运动副连接起 来的多个物 体组成的复 杂机械系统 称为多体系统 ，多体系统动 力学是在传 统经典力学的 基础上产生 及发展起来的 一种新的学科 研究分支，其 研究对象是 复杂的机械系 统，目的是 应用计算机技 术对其进行动 力学分析和仿 真。随着计 算机技术的不 断发展和应 用，多体动力 学经历了多刚 体和计算多体 这两个不同 但却又密切相 关的发展阶 段，目前多体 系统动力学的发展已趋于成熟。 由于 多刚体系统 动力学的研究 对象是由多 个刚体组成 ，它们之间 通过约束进行 连接，约束的 种类有很多 种，包括非定 常和定常约 束，非完整和 理想完整约束 等等。同时为 了动力学研 究的合理性和 准确性，需 要建立一系列 的运动学方程、能量表达式等公式来反映系统真实的状态。 多刚 体组成的复 杂机械系统理 论上采用以 拉格朗日方 法为代表的 分析力学和以 牛顿欧拉方 程为代表的 矢量力学这两 种经典力学 方法来研究是 可行的，但是 刚体数目的增 多会使得建 立的求解方程 越来越复杂 ，到达某一程 度后往往无法 解析出这些方 程组。这时 计算机技术的 发展为求解 复杂机械系统 问题提供了一 种可行的方法 ，即通过计 算机数值计算 方法编制计 算程序求解实 际复杂情况下 的数学方程组 ，针对机械 系统中出现的 各个具体问 题，编制对应 的程序来解析 。相对于传统 的计算方法 ，这种方法的 效率得到显 著提高，结果 的合理性也能 得到有效保证 ，但是对于 比较复杂的系 统，这种简 单解析思路所 带来的长期重复性计算过程越来越不能满足工程师们的要求。20 世纪 60 年代，在汽车和航天 领域，通过计 算机进行程 序化建模和求 解来解决多 体系统动力学 问题的方法开 始发展起来， 随着这种方 法的日益成熟 ，效率相较 之前的解析方 法已不可同日 而语，在此发 展过程中， 形成了以变分 法、凯恩法 、旋量法和罗 伯森一维滕法这几种方法为代表的不同研究方向。 随着 多刚体求解 方法的和计算 机数值计算 技术在控制 系统分析和 机械系统静力学、运动学、动力学分析中的不断应用和发展，在 20 世纪 80 年代终于形成了 比较成熟的计 算多体系统 动力学。相应 的动力学分 析软件也应运 而生，其5 中以 DADS 和 ADAMS 软件为代表，它们属于计算机辅助工程技术的关键组成部分。 2.2 虚拟样机技术介绍 传统 的新产品开 发模式要经过 设计、样机 试验试制、 改进和批量 生产这几大步 。然而用户需 求的个性多 样化、产品标 准规范的发 展使得市场竞 争日益激烈，这就要求产品的设计和生产技术也要随之提高，这时，虚拟样机技术(virtual prototyping)就应运而生。 虚拟 样机技术是 指利用计算机 建立可以用 来替代实际 物理产品的 模型，以此对产品的设计、生产、销售和服务等阶段的状态进行模拟、测试和分析。 一般来说，虚拟样机技术至少应包含以下 3 部分内容：三维 CAD 模型，人与产品交互模型和可支持多种仿真测试试验和分析的可视化用户接口模块。如图 2-1 为虚拟样机技术的系统结构图，从中可以看到，以用户接口为核心，建立了一系列的模型和相关分析模块，从而组成一个可视化的仿真分析系统，设计人员可以通过用户接口得到所 图 21 虚拟样机技术的系统结构需的系统信息，同时也能对模型进行有效的控制。 通过 上面的分析 ，相对于传统 的设计方法 ，虚拟样机 技术至少具 有下面的几个优势： （1）可针对物理样机进行辅助的设计方案验证和仿真测试； （2）可以缩短产品研发阶段的周期； （3）可有效降低研发成本； （4）可以更加有效的在有限时间内进行多个设计方案的试验、比较和验证，以此确定更加合理的方案。 以 上这 些 都是 传统 的 只根 据物 理 样机 来进 行 设计 的方 法 所无 法比 拟 的优势。 然而，虚拟样 机技术毕竟 属于一种新兴 的技术，还 有很多方面有 待完善和发展，其缺陷主要体现在以下几个方面： （1）产品的形状往往比较复杂，所以要想建立一个非常完整和准确的理想化模型是非常困难的。例如，在计算机里进行产品的动态响应研究是很复杂的，这时 如果与物理样 机结合起来 研究，就可以 更好地掌握 样机模型，同 时还能增6 加虚拟模型的可信度。 （2）技术原理上的欠准确。由于没有能完美的取代实际情况的技术，所以在建 模和仿真分析 的过程中经 常会有一些近 似的替代操 作。例如在用 有限元分析的 方法研究产品 性能时，会 将连续三维实 体模型用小 平面模型去代 替，这种近似往往会造成结果在原理上的误差； （3）数据交换方法的不够完善。虚拟样机设计经常要在不同的设计软件之间进行数据的交换，这个过程中信息的丢失情况比较常见。 另外 ，虚拟样机 技术在维护性 、制造性以 及相互之间 的关系方面 的研究不够深入，导致所对应的模型可信度不高，这也是该技术在应用阶段的瓶颈所在。然而 尽管如此，虚 拟样机技术 在工业产品的 设计过程中 已经起到很大 的作用，发展势头也不错，其应用前景是非常令人看好的。 运用 虚拟样机技 术，通过建立 完整的汽车 仿真模型并 对其进行试 验分析，可以 得到整车性能 与相关的结 构参数之间的 规律，从而 进行性能预测 和可行性研究 ；在实际样机 制造出来之 前还根据仿真 结果进行优 化设计。通过 对模型的虚拟 试验，可以减 少试验试制 的次数，缩短 设计周期， 降低成本；同 时还能进行事故模拟的研究和危险性工况下的替代试验。 国外 很早就已经 开始进行运用 虚拟技术建 立数字模型 来替换真实 模型，以此来对汽车进行试验和设计的研究，并取得了骄人的成果。1972 年，通用公司首先开发了通用预测程序 GPSIM，它能够模拟汽车在绝大多数工况下的累计和瞬时 油耗，预测空 气阻力系数 、质量和传动 比等汽车设 计参数，并能 得到这些参数 变化对汽车的 动力性和燃 油经济性产生 的影响。在 操纵稳定性方 面，美国北卡 大学开展了对 驾驶员虚拟 环境的模拟研 究，其成果 具有相当的应 用价值。另外，美国 MDI 公司开发了整车虚拟设计软件包用于快速构建高精度的包括悬架、 传动系、动力 系统和车身 等系统的汽车 模型，该软 件包可以通过 仿真得到各个 试验工况下的 动力学响应 ，输出可以对 平顺性、操 纵稳定性、制 动性等性能进行评价的特征参数。 在国 内关于整车 性能虚拟仿真 的研究相对 比较迟缓一 些，但是也 有了一定的发 展。吉林大学 动态模拟实 验室以人一车 一环境系统 为出发点，对 汽车的主动安 全性进行了全 工况的仿真 研究，主要包 括运动模拟 系统、视景模 拟系统、声效 模拟系统和主 控台等方面 的内容，该系 统能比较精 确的模拟驾驶 员行为，具有实际汽车试验场所不具有的优势。 7 2.3 ADAMS 软件介绍 ADAMS 是一款由美国 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的机械系统动 力 学自 动 分 析软 件 ， 其全 称 是 Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems。ADAMS 软件目前已受到来自于全球范围内各行各业的亲睐，在汽车工业、航空航天、机械等领域都具有相当的权威性