（机械制造及其自动化专业论文）基于amesim的车辆关键点振动仿真及分析.pdf

基于a m e s i m 的车辆关键点振动仿真及分析 摘要 车辆座椅、方向盘、动力传动系统等部位的振动直接影响车辆的n v h 性能，影 响驾驶员的驾驶舒适性以及乘客的乘坐舒适性。这些部位的振动可以用一些关键点的 振动来衡量，车辆关键点的振动仿真，是在制造样车前获取关键点振动数据的有效途 径。 本文运用车辆动力学、多体动力学和控制论等领域的相关知识，利用多领域系统 仿真软件a m e s i m ，建立起包含底盘、悬架、座椅、转向系统、动力传动系统等重要 子系统的整车仿真模型。利用该仿真模型计算得到整车质心、方向盘、座椅等关键点 的振动数据，并进行分析，掌握了该车关键点处的振动特性。利用仿真模型，进行随 机路面和脉冲输入路面的车辆平顺性仿真，获得了座椅x 、y 、z 三个方向上的振动 数据，计算得到加权加速度均方根值，并依据国标进行了评价，掌握了该车的平顺性 性能。 关键词：车辆动力学，a m e s i m 软件，关键点，平顺性 v i b r a t i o ns i m u l a t i o na n d a n a l y s i so fv e h i c l ek e yp o i n t sb a s e d o i l a m e s i m a b s t r a c t t h ev i b r a t i o no fs e a t ，s t e e r i n gw h e e la n dp o w e r - t r a i ne t c i n f l u e n c et h en v h p e r f o r m a n c eo fv e h i c l ed i r e c t l y , i nt h es a m ew a y , t h ed r i v i n ga n dr i d i n gc o m f o r ta l ea l s o r e f e r r i n gt ot h e s e t h ev i b r a t i o no ft h e s ea r e a sc a nb ew e i g h t e db yt h ev i b r a t i o no fs o m e k e yp o i n t s t h es i m u l a t i o no fv i b r a t i o no fv e h i c l ek e yp o i n t si sa ne f f e c t i v ew a yt oo b t a i n t h ev i b r a t i o nd a t ao ft h e s ek e yp o i n t s i nt h i s t h e s i s ，t h ek n o w l e d g eo fv e h i c l ed y n a m i c s ，m u l t i - b o a yd y n a m i c sa n d c y b e r n e t i c se t c h a v eb e e nu s e da n daf u l lv e h i c l em o d e l w h i c hc o n t a i n sc h a s s i s ，s u s p e n s i o n s y s t e m ，s e a t ，s t e e r i n gs y s t e m ，p o w e r - t r a i ne t c h a sb e e nb u i l tu p a n dt h i sm o d e li sb u i l tu p i nam u l t i d o m a i ns y s t e ms i m u l a t i o ns o a r ec a l l e da m e s i m k e yp o i n t s v i b r a t i o nd a t a , s u c ha st h eg r a v i t yc e n t e ro ft h ef u l lv e h i c l e ，s t e e r i n gw h e e l ，s e a te t c c a l lb eo b t a i n e da n d a n a l y z e dt oo b t a i nt h ev i b r a t i o np e r f o r m a n c e r i d i n gp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nh a sb e e n d o n eb yu s i n gt h i sm o d e l ，a n dt h ev i b r a t i o nd a t aa l o n gxa x i s ，ya x i sa n dza x i so fs e a t h a v eb e e no b t a i n e d t h er o o tm e a ns q u a r ev a l u eo fw e i g h t e da c c e l e r a t i o nh a sb e e n c o m p u t e db yt h e s ed a t aa n d t h et i d i n gp e r f o r m a n c eh a sb e e ne v a l u a t e da c c o r d i n gt og b k e yw o r d s ：v e h i c l ed y n a m i c s ；a m e s i ms o f t w a r e ；k e yp o i n t s ；r i d i n gp e r f o r m a n c e 插图清单 图1 1虚拟开发技术在整车和部件开发过程中的应用2 图3 1a m e s i m 草图模式界面1 7 图3 2a m e s i m 界面部分工具栏1 7 图3 3a m e s i m 参数设置对话框1 8 图3 4a m e s i m 运行模式部分工具栏1 8 图3 5a m e s i m 运行参数设置对话框1 9 图3 - 6车辆元件及其符号2 0 图3 7车身坐标系及整车坐标系2 0 图3 8发动机惯性坐标系”2 l 图3 - 9发动机质心坐标系与发动机惯性坐标系2 1 图3 1 0 发动机坐标系与发动机惯性坐标系：2 1 图3 1 1 十五自由度汽车底盘模型2 2 图3 1 2r 0 和r 欧拉分解2 3 图3 1 3r 1 和欧拉分解2 4 图3 1 4 轮轴之间的相对旋转角2 4 图3 1 5 动力传动系统模型2 5 图3 1 6 前悬架模型2 5 图3 1 7 后悬架模型”2 5 图3 1 8 转向系统模型2 6 图3 1 9 控制单元2 6 图3 2 0 前制动器2 6 图3 2 1 后制动器2 6 图3 2 2 轮胎及路面模型2 6 图3 2 3 基于魔术公式的轮胎模型的输入和输出变量2 7 图3 2 4a m e s i m 整车模型2 7 图4 1质心处x 向振动位移时域仿真3 0 图4 2质心处y 向振动位移时域仿真3 0 图4 3质心处z 向振动位移时域仿真3 0 图4 4车身侧倾角时域仿真”3 0 图4 5质心处俯仰角时域仿真3 0 图4 6车身侧偏角时域仿真3 0 图4 7质心处x 向振动速度时域仿真3 0 图4 8质心处y 向振动速度时域仿真3 0 图4 9质心处z 向振动速度时域仿真3 1 图4 1 0 车身侧倾角速度时域仿真曲线3 l 图4 1 1 车身俯仰角速度时域仿真31 图4 1 2 车身侧偏角速度时域仿真31 图4 1 3 质心处x 向振动加速度时域仿真3 1 图4 1 4 质心处y 向振动加速度时域仿真3 1 图4 1 5 质心处z 向振动加速度时域仿真3 1 图4 1 6 车身处侧倾角加速度时域仿真3 1 图4 1 7 车身俯仰角加速度时域仿真3 2 图4 1 8 车身侧偏角加速度时域仿真3 2 图4 1 9 固定点x 向振动加速度时域仿真3 2 图4 2 0 固定点y 向振动加速度时域仿真3 2 图4 2 1 固定点z 向振动加速度时域仿真3 2 图4 2 2 质心x 向振动加速度功率谱密度3 3 图4 2 3 质心y 向振动加速度功率谱密度3 3 图4 2 4 质心z 向振动加速度功率谱密度3 3 图4 2 5 车身侧倾角加速度功率谱密度3 3 图4 2 6 车身俯仰角加速度功率谱密度”3 3 图4 2 7 车身侧偏角加速度功率谱密度3 3 图4 2 8 固定点x 向振动加速度功率谱密度3 5 图4 2 9 固定点y 向振动加速度功率谱密度3 5 图4 3 0 固定点z 向振动加速度功率谱密度3 5 图4 3 l 座椅x 向振动加速度仿真3 6 图4 3 2 座椅y 向振动加速度仿真3 6 图4 3 3 座椅z 向振动加速度仿真3 6 图4 3 4 座椅x 向振动加速度谱3 6 图4 3 5 座椅y 向振动加速度谱3 6 图4 3 6 座椅z 向振动加速度谱3 6 图4 3 7 发动机质心x 向振动加速度仿真3 7 图4 3 8 发动机质心y 向振动加速度仿真3 7 图4 3 9 发动机质心z 向振动加速度仿真“3 7 图4 4 0 发动机质心x 向角加速度仿真3 7 图4 4 1 发动机质心y 向角加速度仿真3 8 图4 4 2 发动机质心z 向角加速度仿真3 8 图4 4 3 方向盘角加速度时域仿真3 9 图4 4 4 图4 4 5 图4 4 6 图4 4 7 图4 4 8 图4 4 9 图4 5 0 图4 51 图4 5 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 10 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 17 图5 18 左前轮载荷时域仿真曲线 右前轮载荷时域仿真曲线 左后轮载荷时域仿真曲线 右后轮载荷时域仿真曲线 垂向 垂向 垂向 垂向 4 0 4 0 - 4 0 4 0 汽车行驶平顺性振源分析4 2 人体坐姿受振模型一4 4 座椅x 向加速度响应一4 6 座椅y 向加速度响应一4 6 座椅z 向加速度响应4 6 5 0k m h 座椅x 向加速度功率谱密度一4 6 6 0k m h 座椅x 向加速度功率谱密度4 6 7 0k m h 座椅x 向加速度功率谱密度“4 6 5 0k m h 座椅y 向加速度功率谱密度4 6 6 0k m h 座椅y 向加速度功率谱密度4 6 7 0k m h 座椅y 向加速度功率谱密度4 7 5 0k m h 座椅z 向加速度功率谱密度4 7 6 0k m h 座椅z 向加速度功率谱密度4 7 7 0k m h 座椅x 向加速度功率谱密度i i i0 4 7 脉冲路面凸块示意图4 8 不同车速下车辆驶过凸块时座椅z 向位移变化比较一4 8 不同车速下车辆驶过凸块时座椅z 向速度变化比较4 9 不同车速下车辆驶过凸块时座椅z 向加速度变化比较4 9 9 9 9 0 0 3 3 3 4 4 度一 一 一 一 密线线线线谱曲曲曲曲率真真真真功仿仿仿仿度程程程程速行行行行加动动动动角架架架架 盘悬悬悬悬 向前前后后 方左右左右 表格清单 表4 1 路面模型参数2 9 表4 2 质心处振动加速度均方根值3 4 表4 3 质心处振动加速度峰值3 4 表4 4 固定点处振动加速度均方根值3 5 表4 5 固定点处振动加速度峰值”。3 5 表4 6 座椅x 、y 、z 三个方向上的振动加速度均方根值3 7 表4 7 发动机悬置振动加速度均方根值3 8 表4 8 发动机振动加速度均方根值3 9 表4 9 悬架动行程4 0 表4 1 0 轮胎动载荷4 0 表5 1 各轴向振动分量的加权系数值和频率加权函数定义4 4 表5 2 加速度均方根值和加权振级与主观感觉之间的关系4 5 表5 3b 级路面座椅处加权加速度均方根值、加权振级及峰值频率4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒目巴王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字荟裤签字日期：7 年争月，佃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金魍王些太 堂_ 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：序家茌 导师签名： 萨坛 签字日期：p 7 年年月埤日签字日期：工口，年年月f 争日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 紧张而充实的研究生学习生涯即将结束，在毕业之际，谨以只言片语向这 些年来给予我帮助的人表示诚挚的谢意。 首先感谢我的导师陈心昭教授和陈剑教授以及毕传兴研究员，他们在我研 究生学习阶段给予了我许多的指导和帮助，感谢他们给我提供了学习和实践的 平台，他们渊博的学识和丰富的实践经验使我受益匪浅，他们严谨、求真、务 实的科研态度是我终身受用不尽的财富，从中获取的感悟将会一生伴随我的工 作和生活。还要感谢研究所的刘正士老师上课期间给我们的谆谆教诲、李志远 老师给予我们奉献的幽默而生动的讲解以及许滨老师给我提供的许多帮助和指 导。 感谢实验室的师兄弟们给我提供的帮助，特别感谢徐陈夏、李灿、夏海、 雷明准、杨雯、雷达、辛雨、穆国宝等同学，他们在我学习和完成论文期间给 予了我巨大的帮助，以及刘焕广工程师，在完成项目期间给我提供资料。感谢 实验室的师兄弟们一起度过了丰富多彩的研究生生活。 感谢我的父母及亲人长期以来的默默支持和无私的奉献。 最后，再次衷心地感谢所有认识我、关心我、帮助过我的人，你们是我人 生的宝贵财富，谢谢你们! 作者：李家柱 2 0 0 9 年4 月1 2 日 第一章绪论 1 1 硼究背景 随着汽车工业的发展，汽车工业在国民经济中的地位也在不断提高。我国 汽车工业经过半个世纪特别是最近十几年的发展，在规模、产品层次、企业经 营上有很大进步，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。 随着汽车工业的发展，汽车工业的竞争日益激烈。激烈的市场竞争要求汽 车厂商缩短开发周期、提高产品质量、降低生产成本，使得汽车产品开发技术 成为汽车工业在市场竞争中的关键环节。汽车产品开发技术正在从传统的手工 设计、建模以及简单分析向c a d c a e c a m 发展。同时产品的开发过程正在从 设计一试制一实验一修正这样一个多重循环过程向v p d ( v i r t u a lp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，产品虚拟开发) 方法转化。 这种以电子计算机为软硬件支撑的c a d c a e c a m 方法代表了一种更先 进的设计方法，它能够将工程技术人员从繁重的设计计算中解放出来，从而有 更多的时间和精力来进行技术创新。更为重要的是，该方法能够积累汽车工业 几十年来的大量实践经验，帮助设计人员尽可能多的节省从设计初稿到产品定 型所花费的时间，减少“设计一改进的次数。同时它也能部分的代替原型机 试验和台架试验，从而能够降低新产品开发所耗费的巨额费用。 1 2 课题来源、目的及意义 随着社会的发展及科学技术的进步，人们对汽车的驾驶舒适性和乘坐舒适 性的要求越来越高。随着计算机技术的发展，如何利用计算机辅助分析技术， 在制造物理样车之前对汽车产品进行仿真，以减少制造成本，缩短开发周期， 提高产品质量，是现代汽车设计中非常重要的课题。 图1 1 2 】显示了虚拟开发技术在轿车开发过程中的应用。在造型和车身开发 中，着重采用了虚拟造型、空气动力学计算、人机工程技术和延伸成型模拟技 术。在整车开发工艺中，振动、噪声计算得到重点关注。在发动机开发过程中， 燃烧计算、流场模拟、发动机噪声分析和虚拟组装技术得到重点应用。在悬架 和行驶机构的开发过程中，行驶平顺性、操纵稳定性、加速性能、制动性能等 汽车动力学设计方面，大量采用虚拟计算。 l 振动噪声 - 1 人机工程 i 空气动力 i 虚拟造型 i 、 发动机 l 延伸成型 _ 人机工程 - 空气动力 _ 虚拟造型 图1 1 虚拟开发技术在整车和部件开发过程中的应用 数字化虚拟样机技术是虚拟开发技术中的一个重要组成部分，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，是汽车企业 的一项关键技术。随着虚拟产品开发、虚拟设计技术的逐渐成熟，计算机仿真 技术得到大量应用，从子系统设计到整车系统的匹配都采用数字化虚拟样机技 术。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 态性能尤为重要。为了降低产品开发风险，在样车制造出之前，建立虚拟样机模 型，并利用虚拟样机对车辆进行计算机仿真，并分析车辆性能就显得十分必要。 本课题源自国家8 6 3 重大科技专项：轿车集成开发先进技术一一汽车n v h 控制技术( 2 0 0 6 a a l l 0 1 0 1 ) 。 1 3 国内外研究现状概述 1 3 1 车辆动力学研究现状【3 1 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理 论研究，最早可以追溯到10 0 年前1 4 j 。事实上，直到二十世纪2 0 年代，人们对 车辆行驶中的振动问题才开始有初步的了解；直到二十世纪3 0 年代，英国的 l a n c h e s t e r 5 、美国的o l l e y 【6 】、法国的b r o u l l h i e t 开始了车辆独立悬架的研究， 并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。开始出现了有关 转向、稳定性、悬架方面的文章。同时人们对轮胎的侧向动力学的重要性也开 始有所认识。 二十世纪5 0 年代中期，建立起一套较为完整的关于操纵和转向的基础理论 体系。随后有关行驶动力学进一步发展，英国汽车研究所对该领域的发展做出 了重要贡献，包括路面特性的测量【7 1 、主观评价和客观测试的关系f8 1 、行驶平 顺性测量仪的开发以及率先采用了模拟计算机、随后是电子计算机的动力学计 2 算研究等。还有一些车辆动力学研究的先驱者，包括美国的c l a r k 、b u t k u n a s 、 h e a l y 和德国的m i t c h k e 等，他们在车辆建模与分析中，均采用了轮胎接地点的 随机路面输入作为激励输入的“集中质量模型 ( l u m pm o d e l ) 。 在人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。 其一，有关飞机稳定性及其控制的理论被有效地运用于汽车；其二，轮胎的重 要性被肯定，人们开始用轮胎试验来测定轮胎的力学特性。正是由于g o u g h 等 人对轮胎提供了全面的认识，o l l e y 、m i l l i k e n 、s e g e l 、w h i t c o m b 等人才可能对 操纵稳定性进行定性的处理分析。 在1 9 9 3 年举办的车辆舒适性和操纵稳定性的l m e c h e 会议上，s e g e l 发表 了一篇重要演讲1 9 】，对车辆动力学的发展进行了系统的回顾。 随后几十年，、汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争 中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。在试验方面，车辆行驶振动分 析仪、路面测量、转向信号传感装置、变车道、j 转向等试验方法的测试技术 日趋完善。人们对非线性操纵响应的理解也愈加深入，从而使操纵动力学的研 究逐渐向高侧向加速度的非线性作用域扩展。 计算机技术及应用软件的开发，使建模的复杂程度能够不断提高。多刚体 系统动力学分析软件( 如a d a m s 、d a d s ) 的应用，使复杂的模型得到了明确 的表达和方便的求解。在应用计算机技术的同时，先进控制理论与技术的应用 也极大地推动了车辆动力学的发展，各种车辆底盘控制系统开始相继涌现。 自二十世纪7 0 年代末，从飞机设计技术中引入的防抱死制动系统 ( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 可以称得上是向车辆底盘控制迈出的 第一步，a b s 通过限制制动压力来保证车轮的最佳滑移率，从而避免车轮抱死。 随后，通过限制发动机输出转矩防止车轮滑转的驱动力控制系统( t r a c t i o n c o n t r o ls y s t e m ，简称t c s ) 在二十世纪8 0 年代中期得到应用，到二十世纪8 0 年代末，在a b s 和t c s 的基础上，又成功地开发出了防滑转控制( a c c e l e r a t i o n s p i nr e g u l a t i o n ，简称a s r ) 装置，这种装置在车辆急剧变速时，可改善车辆 与地面的附着力，避免车辆产生侧向滑动的危险。二十世纪9 0 年代初，研究人 员根据轮胎印记处的纵向分力和横向分力满足摩擦圆规律的原理，提出在高速 行驶中通过驱动力控制来保证车辆横向稳定性的动态稳定控制( d y n a m i c s t a b i l i t yc o n t r o l ，简称d s c ) ，它对汽车高速转弯时制动特别有效。二十世纪 9 0 年代末期，研究人员发现，车辆在高速行驶过程中的横向稳定裕度较小，通 过调节四个车轮的纵向力而形成一定的回转力矩，就可控制汽车的横摆角速度， 由此提出了“直接横摆控制”( d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r o l ，简称d y c ) 算法， 并经试验验证了该算法的有效性。在此基础上，近年来又提出了限制定侧偏 角范围的车辆动力学控制( v e h i c l ed y n a m i cc o n t r o l ，简称v d c ) 。自2 0 0 0 年 以来，v d c 系统得到了世界各国汽车厂商的关注，并进行开发研制。 3 除了对车辆车轮纵向力控制外，在垂向动力学方面，主动悬架控制技术则 可作为车辆动力学发展的另一个典型代表。尽管在二十世纪6 0 年代早期，已经 有人开始进行了此方面的一些基础性研究工作，但首先使主动悬架的基本思想 和控制规律得到完善的应用应该是t h o m s o n 1 0 j 。更有实际意义的是，l u t o s 公 司】在二十世纪8 0 年代初制造了第一辆装有主动悬架的原型样车。目前，主 动、半主动悬架系统已在某些豪华轿车和军用车辆中得到了应用【l 2 1 。 虽然很早就有人根据阿克曼转向原理提出四轮转向系统的概念，但由于这 种系统对车辆后桥的改动过大，制造成本过高，在沉寂多年之后在近些年才得 到汽车厂商的重视。四轮转向的基本原理是，利用车辆行驶中的某些信息来控 制后轮的转向角，以提高车辆的总体操纵性和稳定性。二十世纪8 0 年代末，四 轮转向产品在日本汽车中已开始应用。 除此之外，在转向系统方面，主要是围绕减轻驾驶员负担的控制技术，如 电子液压助力转向系统( p r o g r e s s i v ep o w e rs t e e r ，简称p p s ) 和电动助力转向 系统( e l e c t r i c a lp o w e r a s s i s t e ds t e e r ，简称e p a s ) 等进行研究。它们是按照车 速等行驶条件的变化，根据一定的控制算法由电子控制器来调节油压或电动机 的输出转矩，从而使车辆在各种行驶条件下，均能保证转向盘操纵力矩处于最 佳状态【13 1 。 在过去的7 0 多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面都取得了很多成就。 然而，尽管工程师拥有强大的计算机软件，可以求解几十甚至几百个自由度的 复杂车辆模型，但事实上没有一个车辆制造商会完全用理论分析来取代自己详 尽的车辆开发过程。在新车型的设计开发中，汽车制造商仍然需要依赖于具有 丰富测试经验与高超主观评价技能的工程师队伍。但这并不排除模型分析在动 力学中的作用，设计者仍然需要通过建模来了解系统内在的复杂关系，找出关 键的影响因素，并为车辆性能的变化趋势提供预估。 最近几年来，吴振昕【14 1 、项俊【15 1 、包继华【16 1 、张云清17 1 、何煜【18 1 等在车 辆多体动力学仿真方面、王峰【l9 】在车辆动力总成悬置系统分析及优化方面、陈 翠彪【2 0 1 、黄承修2 、崔胜民 2 2 】等人在车辆动力学仿真及平顺性评价方面、时 培成【2 3 在车辆操纵动力学方面都做了较多的工作。 1 3 2 多体动力学发展概况1 2 】 1 3 2 1 多刚体动力学发展概况【2 4 】【2 5 】【2 6 】 机械系统虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究，首先发展起来的是 多刚体系统动力学。最早的工作是h j f l e t c h e r 等人在1 9 6 3 年讨论的由两个刚 体组成的系统，使用的是向量力学中的n e w t o n e u l e r 法。19 6 5 年w w h o o k e r 和g m a r g u l i e s 讨论了由n 个刚体组成的多刚体系统。19 6 8 年r e r o b e r s o n 和 j w w i t t e n b u r g 把图论中的概念和数学工具( 关联矩阵和通路矩阵等) 创造性地 4 用于对多刚体系统的描述和动力学方程的建立中。他们的研究工作把多刚体系 统动力学的研究推进到一个新的阶段，并且有了关于多刚体系统动力学的一本 专著。 目前，多刚体系统动力学发展已经比较成熟，国内外都有专著出版。现在 发展出的比较成熟的方法有：牛顿一一欧拉方法、拉格朗日方法、罗伯逊一一 维登伯格方法、凯恩方法、高斯最小约束原理方法。多刚体系统动力学将系统 中部件均抽象为刚体，但可以计及各部件连接点处的弹性、阻尼等影响。 1 3 2 2 多柔体动力学发展概况【2 7 多柔体系统动力学的研究开展得略晚一点。早期有pwl i k i n s 在7 0 年代 初的研究工作，他采用的是混合坐标，后来被称为多柔体族系统。这一概念后 来被广泛应用于多柔体系统动力学中。19 7 8 年csb o d l c y 等人公布了他们的 d i s c o s ( d y n a m i ci n t e r a c t i o ns i m u l a t i o no fc o n t r o l sa n ds t r u c t u r e ，控制与结构 力学交互作用模拟) 软件。到此，可以认为多柔体系统动力学的发展己经初具 规模，它作为力学的一个重要分支的地位己稳固树立了。19 8 3 年 n a t o n s f a r d 主持了关于机构系统的计算机辅助分析与优化会议，也是以多 柔体系统动力学作为重要主题之一。19 8 5 年i u t a m 和i f t o m m 又再次召开了 多柔体系统动力学学术会议，到1 9 8 9 年由s t u t t g a r t 大学的力学学院主持了关于 多体系统动力学软件的测试，发表了一个手册，系统介绍了一些软件。 在多体系统动力学发展的初期，向量力学和分析力学的一些方法都被用来 建立动力学方程。最早采用的是n e w t o n e u l e r 方法。刘廷柱怛4 j 提出的旋量一一 矩阵法，也属于向量力学范畴的方法。更多文献在建立多柔体系统动力学方程 时，采用的是分析力学的方法。以后，随着多柔体系统动力学在航天器、机器 人和高速精密机构等工程领域的深入应用，研究又向纵深发展。在机器人领域， 约束问题引起了人们的注意。关于这方面的工作，jtw a n g 、rlh u s t o n 、许宏 伟、马兴瑞、s i n g h 、l i k i n s 等做了大量的工作。随着实时模拟多柔体系统动力 学过程的需要，人们又致力于研究提高运算速度的方法。递推型动力学方程就 被提了出来。dsb a e 和ejh a u g 用并行处理技术，实施了递推动力学的仿真 过程。王兴贵又把递推型n e w t o n e u l e r 方程应用于多机器人的协调动力学与控 制中。此外，人们还对求解动力学方程中的一些实用问题给予了很大的注意， 如模型的降阶问题、解的稳定性问题、振动的主动抑制问题等等。 国内关于多柔体系统的研究工作大约起步于2 0 世纪8 0 年代初，首先是在 航天器以及机器人领域内进行的。自8 0 年代后期，国内先后召开了一些学术讨 论会，推动了这一学科的发展【z 引。9 0 年代，陈欣【2 9 】等人在多柔体动力学方面 做出了较多的工作。 5 1 4 论文的主要工作内容 本文以国产某车为原型，建立虚拟样机，开展如下工作： 1 总结车辆动力学、多体动力学发展概况，简要介绍车辆动力学和多体动 力学基本理论和建模方法。 2 研究汽车整车及重要子系统的建模方法，综合运用车辆动力学、多体动 力学以及控制论等理论知识，建立起包含重要子系统( 如：底盘、悬架、动力 传动系统、转向系统、制动系统等) 的多领域的整车仿真模型； 3 运用建立好的整车仿真模型进行仿真，获取在特定工况下的一些关键点 ( 如整车质心、车身上某一点、方向盘等) 的大量振动数据，并对这些数据进 行简要分析，从而掌握该车这些关键点的振动特性； 4 总结车辆平顺性评价方法，调整整车仿真模型，运用调整好的整车仿真 模型，分别依据g b t 4 9 7 0 1 9 9 6 和g b 5 9 0 2 8 6 对该车进行基于随机路面输入和 脉冲路面输入的行驶平顺性仿真及分析，掌握该车的平顺性性能，从而为样车 的设计开发提供一定的指导作用。 1 5 论文章节安排 在本文的六章里，详细地论述了论文的主要思路、方法、内容和成果，本 节作一个简要的介绍。 第一章，重点介绍了本文的研究背景，以及课题的来源、目的和意义。介 绍了车辆动力学和多体系统动力学的研究现状。阐述了运用虚拟样机技术进行 仿真及分析的重要性。 第二章，重点阐述车辆动力学和多体动力的基本理论和建模方法。 第三章，对多领域系统仿真软件a m e s i m 进行简要介绍，并简要叙述运用 a m e s i m 进行仿真建模的基本方法。详细论述了汽车重要子系统建模过程及仿 真模型。 第四章，运用仿真模型进行特定工况下的仿真，获得关键点的仿真结果数 据，并对获得的仿真数据进行简要分析。 第五章，运用经过一定调整的整车仿真模型，分别参照g 1 3 t 4 9 7 0 1 9 9 6 和 g b 5 9 0 2 8 6 对该车进行基于随机路面输入和脉冲路面输入的行驶平顺性仿真及 分析。 第六章，全文总结与展望。 6 第二章车辆动力学及多体动力学建模 2 1 车辆动力学吲 严格的说，车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科。它涉及的 范围很广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应( 如发动机、传动、 加速、制动、防抱死和牵引力控制系统等方面的因素) 外，还有车辆在垂向和 横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操纵动力学。行驶动力学主要研 究路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的 运动；而操纵动力学研究车辆的操纵特性，主要与轮胎的侧向力有关，并由此 引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。 车辆动力学纵向、垂向和横向的运动是相互作用、相互耦合的。比如转向 过程中，路面在给车辆提供侧向力的同时，也通过悬架给车辆提供垂直输入干 扰。悬架的作用除支撑车辆、隔离路面干扰外、还将控制转向时的车身姿态， 并转递来自轮胎的力。反过来看，同样的车身运动既可由行驶输入引起，如路 面不平引起的车身侧倾，也可由操纵方面引起，如转向时引起的车身侧倾。此 外，利用不同车轮纵向力控制来改善极限工况下的操纵稳定性控制系统( v s c ) 也是一个典型的例子。 2 1 1 纵向动力学 纵向动力学研究车辆直线运动及其控制的问题，主要是车辆沿前进方向的 受力与其运动的关系。按车辆工况的不同，可以分为驱动动力学和制动动力学 两大部分。该部分的主要内容包括车辆对动力及功率的供求关系、车辆的动力 性、燃油经济性、制动性、纵向动力学控制系统( 如a b s 、t c s 等) 。 驱动动力学研究中，首先要了解车辆的行驶阻力，由此才可决定车辆驱动 轮上所需的力矩和功率，以及能量消耗。行驶阻力代表了车辆对动力和功率的 要求，而车辆的动力与传动系统则为车辆提供了对动力和功率的供应，需求与 供应之间的平衡关系还与路面附着系数有关，直接影响车辆的驱动性能。 制动动力学研究中，首先要了解车辆制动性能的评价指标；在此基础上， 研究直线分析及前、后车轮制动力的分配关系，并分析车辆的制动稳定性。 2 1 2 行驶动力学 与车辆行驶动力学有关的主要性能及参数是车辆乘坐舒适性、车体的姿态 控制以及悬架的工作行程等。可将行驶动力学问题分为两类。一类是可通过数 学建模分析来分析的行驶动力学问题，也有人称之为“主要行驶舒适性问题”。 然而，主要行驶舒适性研究还无法将所有的行驶振动特征完整而真实地描述出 7 来，实际中还有大量其他因素影响着乘员对乘坐舒适性的主观评价，包括1 5 h z 以上的高频振动响应、更高频率范围内的振动噪声问题、悬架系统中橡胶衬套 的影响、对路面阶跃凸起及凹坑等路障的纵向冲击的响应以及人体对振动的响 应等。目前，几乎还没有办法用数学解析模型来准确预测这些影响，这些通常 问题可以归结为“次级行驶舒适性问题”。 对次级行驶舒适性问题，通常需要人的主观设计，例如路面凹坑离散输入 对悬架系统振动噪声响应的评价，一般会涉及三个方面的问题，包括轮胎在路 面输入处变形时的动态响应、纵向和垂向的悬架非线性动力学性能以及驾驶员 的响应特性。围绕其每一方面，均有众多不确定的因素，因而生产厂家必须依 靠经验丰富的测试驾驶员来评价。 2 1 3 操纵动力学 操纵稳定性的研究，是与汽车车速的不断提高分不开的。早期的低速汽车， 还谈不上操纵稳定性问题，最早提出操纵稳定性问题，是在具有较高车速的赛 车上。后来随着车速的不断提高，在轿车、大客车和载货汽车上也都不同程度 地出现了类似的问题。 汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车按驾 驶者通过汽车转向系及转向盘所确定的方向行驶，且当遭到外界干扰时，汽车 能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，是汽车动力学的一个重要分支。如何研究 和评价汽车的操纵稳定性能，以获得良好的汽车动力学性能一直是关于汽车的 最重要的课题。汽车的操纵稳定性包括相互联系的两个部分，一是操纵性；一 是稳定性。操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力。稳定性是 指汽车受外界扰动( 路面扰动或忽然阵风扰动) 后恢复原来运动状态的能力。 两者很难断然分开，稳定性的好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常通称为操 纵稳定性。 通常，操纵动力学的研究范围分为三个区域，即： 线性域：侧向加速度约小于0 4 9 时，通常意味着车辆在高附着路面作小转 向运动； 非线性域：在超过线性域且小于极限侧向加速度( 约为o 8 9 ) 范围内； 非线性联合工况：通常指车辆在转弯制动或转弯加速时的情况。 对模型不太复杂的线性域情况，一般通过人工计算也可以有效地建模和求 解。但考虑实际设计中的可用性，模型中至少应包括车身的横摆、侧倾和侧向 运动，悬架的运动学效应，悬架系统特性，转向系统的影响等。在高速直线行 驶时，还要包括空气阻力和力矩。尽管线性模型已经在操纵性能定量分析中得 到了有效的应用，但对于非线性域和非线性联合工况，则通常需要采用多体动 力学分析软件，以求解这些非线性方程。 8 2 2 动力学建模方法及其理论基础【3 】 2 2 1 车辆动力学方程的建立方法 在车辆动力学研究中，建立系统运动微分方程的传统方法主要有两种：一 是利用牛顿矢量力学体系的动量矩定理，二是利用拉格朗目的分析力学体系。 2 2 1 1 牛顿矢量力学体系 ( 1 ) 质点系动量定理质点系动量矢p 对时间的导数等于作用于质点系的 所有外力r 的矢量和( 即主矢) ，其表达式为： 譬= 只 ( 2 1 ) 质点系的动量定理也可写为 聊恐= 凡 ( 2 2 ) 。一一 、 式中，m 为质点系总质量；艺为知心加速度。 式( 2 1 ) 或式( 2 2 ) 的投影式称为牛顿方程。 ( 2 ) 质点系动量矩定理质点系对于任一固定点o 的动量矩厶对时间的导 数，等于所有作用于质点系的外力对于o 点的主矩m o ，其表达式为： 掣：m o( 2 3 ) a t 对于单个缸体而言，其动量矩三等于刚体绕某轴的转动惯量，与刚体的角速度 国的乘积，即： l = j 缈 ( 2 - 4 ) 对其应用动量矩定理得投影式，则称为刚体的欧拉方程，其表达式为： ，面+ 甜缈= m o ( 2 5 ) f ，纨、r0一o ) z ( - o y 、 式中，角速度投影矩阵c o = ic o yl ：其反对称阵面= l 纰0一弛i 。 i 弛j - c o y c o x0j 利用动量定理和动量矩定理推导车辆动力学方程时，物理意义比较直观， 但存在以下问题：需要先对系统取分离体，引入铰链约束和力矩，然后再将 其消去，因而较为繁琐；需进行接地参考基、车辆参考基和车轮参考基之间 的坐标变换，描述系统位移所需的坐标数量较多，公式推导繁杂。 2 2 1 2 分析力学体系 分析力学使用分析的方法来讨论力学问题，较合适处理约束的质点系。 动力学普遍方程