（车辆工程专业论文）依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析.pdf

依维扣f 汽车独、z 悬架前粱总成的强度分析 摘要 p 占8 1 ；9 硇 本文对依维柯汽车独立悬架前梁总成进行了强度分析， 建立了力学模型。应用大型机械动力学仿真软件a d a m s 计算 出汽车在不同工况f 前梁总战的受力情况，在此基础上，利 用专、业分析软件n a s t r a n 对前梁总成的强度进行有限元方法 的计算、分析，求解c 4 i 、 在工作状态下的应力情况，实现了 多刚体系统动力学方法与有限冗方法两大软件的功能结合。 试验验证表明，所做的有限元分析具有较高的精确度。另外， 对前梁总成亦进行了模态分析。根据上述工作，本文提出了 符合工程实际的加强方案，该方案在汽车实际使用中获得了 满意的效果。 关键词：独立悬架，有限元法，强度分析 第1 页 懒i ：论文依维扣f 汽车独、z 悬架前粱总成的强度分析 a b s t r a c t t h isa r t i c l es t u d i e s t h eb e a ma x l eo fi v e c o i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e ma n de s t a b lis h sm e c h a n i c s m o d e l so ft h e m w i t ht h ef e s u l t so fs o m et y p i c a ll o a dc a s e c a l c u l a t e di 1 1a o a i s ，i tc a l c u l a r e st h ep a r t s i n t e n s i t y b y m e a n so t f i n i t ee l e m e n t sw i t ht h es o f t w a r e n a s t r a n ，t h es t f e s sd is t r i b u t i o np a t t e r no ft h eb e a ma x l e ist h u sg i v e no u t s ow eir l t e g r a t et h em u l t i r i g i db o d y d y n a m i cm e t h o da n df em e t h o d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t t h er e s u lto fa c c u r a t ea 1 1 a l v s isc o o r d 5 n a t e sw i t ht h e r e a lit y i nt h eo t h e rh a n d ，t h eb e a ma x l ew a sa n a l y z e d d y n a m i c a l l y a c c o r d i n g t oa l lt h ew o r k ，t h i sa r t i c l e p r o v i d e s a p r a c t i c a p r o p o s i t i o n ，t h i s p r o p o s i t i o n p r o v e ss u c c e s s f u l i n p r a c t i c e k e y w o r d s ：i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ，f e ，i n t e n s i t ya n a l y s i s 第2 顶 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 1 绪论 1 1 背景及意义 随着我国汽车工业的发展，汽车车速的提高，对汽车的舒适性、操纵稳定性 提出了更高的要求。为了满足汽车使用要求，近年来我国新开发的轻型车比较多 的都采用了独立悬架。比如，南京依维柯汽车有限公司引进的意大利具有9 0 年 代先进水平的i v e c o 轻型客车，采用了双横臂扭杆独立悬架。独立悬架的前轮定 位( 主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、前束) 、轮距、侧倾中心高度等由 于结构的原因，往往在车轮跳动的过程中是变化的。前轮定位及其变化对操纵稳 定性有重要影响，轮距变化影响汽车轮胎的磨损。因此，f 确选择前独立悬架的 几何要素、合理布置和匹配各个参数，使之满足使用要求，获得较好的操纵稳定 性，这是独立悬架设计的主要任务。 依维柯汽车前粱总成将独立悬架与车架相连，因此前梁总成的刚度与强度极 大影响独立悬架的运动学指标。如前粱总成与独立悬架相配合的定位孔距在汽车 运动中变形过大或发生永久性的塑性变形，将导致前轮定位参数不能按照预先设 计的运动规律变化，从而破坏汽车的操纵稳定性；如前粱总成强度不足，在长期 的交变应力的作用下，引发开裂，导致构件失效，将影响到汽车的行驶安全。 依维柯汽车在引进过程中，曾较大批次出现前轮偏磨、方向跑偏等问题，在 我国北方、西部地区甚至出现前梁总成丌裂的现象，这些都极大影响了依维柯汽 车的声誉，并直接影响到用户的安全生产、经济效益。由于依维柯汽车为意大利 f i a t 集团i v e c o 公司所设计开发，因此，结合我国的使用条件、道路特点，分 析在不同工况下前梁总成的强度与刚度情况，并提出设计修改的建议，使引进车 型适合我国的国情、民情，具有积极的实际意义。 1 2 国内外研究现状及趋势 世界上第一种独立式悬架是1 8 7 8 年出法国人a m e d e eb e n e e 发明用在一辆 名叫l am a n c e l l e 的蒸汽汽车上，是出上、下两副横置叶片弹簧组成了等长双横 臂独立悬架，到1 8 9 8 年其儿子l e o nb o l j e e 把它移植到汽油机的汽车上，当时 采用这种悬架代替左右车轮用刚性梁连接的非独立悬架，目的是提高乘坐的舒适 性，但是弹簧的寿命和可靠性较差，所以，后来一度又被非独立悬架所代替。正 笫i 贝 壁! 堡壅 竺堡塑璺! 垄皇墨墨塑墨璺壁些塑壁坌堑一一一 像其它汽车零部件设计一样，独立悬架零部件设计也经历了经验设计、以科学试 验和技术分析为基础的设计、计算机辅助设计阶段。 早在1 9 4 3 年，g o u r a n t 就采用分片插值的思想，用最小势能原理分析了圣 维南( s t v e n a n t ) 扭转问题。但由于当时没有电子计算机这一工具，没能用来 分析工程实际问题，因而未得到重视和发展。5 0 年代，t u r n e r ，c o u g h ，m a r t i n 和t o p p 等学者，首先将平面连续体结构人为地划分成很多三角形的单元，单元 内部任一点的位移由三角形三个顶点的待定位移线性插值来得到，在此基础上建 立了合理的单元特性公式( 也即单元刚度方程) ，进而像结构矩阵分析样，用 直接刚度法组成单元集合体结构的位移法方程组以求解。1 9 6 0 年，c l o u g h 将它 命名为有限单元法。由于有限单元法是通过分片插值建立整个求解域的分片连续 函数，所以具有广泛的适用性，迅速地被推广应用于各个工程领域。 7 0 年代，欧美国家就已经在汽车零部件的强度分析中采用有限元方法，并 能够较好的模拟、分析零部件的动态特性。随着有限元模拟方法的不断发展与完 善，汽车技术发达国家的汽车生产周期不断缩短，一种新车型从概念到批量生产 出6 年时间，发展到目前的2 年甚至更短的时i 、日j ，而且产品性能越来越高。随着 计算机软、硬件水平的发展，出现了计算机辅助造型( c a s ) 、计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 以及计算机虚拟 现实系统( v r ) 等一大批大型工程通用软件，如n a s t r a n 、a d a m s 、0 g 、l 、s y s 、 i d e a s 等，使得前梁总成静动态分析等成为可能。国外已能够用有限元法对结 构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了大量的成果。 国内，汽车工业的整体环境促使必须对一些传统的设计理念进行革新，以提 高设计效率、设计水平，适应飞速发展的世界汽车工业。8 0 年代以来，零部件 的c a t ) 技术以及有限元分析( f e a ) 在国内已有长足的发展，随着产品开发周期 的不断缩短，单独的零部件分析技术无法满足开发的要求，对整体系统的设计、 分析与优化逐渐放在首位。机械系统仿真分析( m s s 即m e c h a n i c a s y s t e m s i m u l a t i o n ) 技术将分散的零部件设计和分析技术，如单一系统零部件的c a d 和f e a 技术揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，从而真 正的实现并行工程的设计要求。9 0 年代，随着计算机技术、图形学技术及计算 方法的不断提高， f s s 技术在汽车工业的应用得到了广泛的发展。 国内少数企业，如一汽、二汽、上汽等已建立起比较完整的c a d c a e c a m 系统，其应用水平也已接近国际先进水平，并取得了良好的经济效益。高等院校 也对c a d 、c a e 等先进技术进行了广泛深入的探索与研究，并在院企合作、成果 转化、培养人爿等方面作出了积极的努力。 第2 页 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 总之，应用先进的计算机辅助分析技术提高汽车及零部件产品的设计质量是 企业设计制造的必然趋势，通过这些科学的方法和先进的工作手段，取得准确、 详细的结果和数据，对与前梁总成类似的设计有重要的借鉴作用。 1 3 本文的主要工作 根据国内外计算机在汽车及零部件强度分析中应用的最新成果，结合依维柯 汽车的质量攻关工作，通过u g l i 建立依维柯独立悬架相关零部件的实体模型， 并通过接口与相关的一流分析软件相连接、模型转化；运用汽车多体动力学仿真 软件a d a m s 模拟汽车的实际工况，通过a d a m s c a r 中的车辆动力学模块和 悬架系统设计模块，可以计算出汽车在不同工况下前梁总成各个零部件的受力情 况：在此基础上，利用高级专业分析软件m s c 公司的p a t r a n 、n a s 订m n 对前梁总成进行有限元求解；实现了多刚体系统动力学方法与有限元方法两大软 件的功能结合，为以后的分析工作提供了一个新的思路和快捷的方法。 本文还将有限元分析结果与试验数据进行对比分析，并对其进行模态分析。 通过这些工作，更进一步了解意大利依维柯公司的原设计意图，同时针对中国道 路条件、用户使用特点对原设计方案、初始加强方案进行比较分析，通过这些方 案的评估比较，提出符合工程实际的最佳建议方案，并在实践中获得了满意的使 用效果。 第3 负 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 2 有限元方法及车辆动力学仿真理论 2 1 有限元方法基本理论 2 1 i 有限元方法概述 何限冗法也称仃限单冗法，是随者电予计算机应用的日益普及和数值分析技 术 益发展而迅速发展的一种新颖有效的数值方法。它在j o 年代起源于飞机结 构的矩阵分析，6 0 年代开始被推广用来分析弹性力学平丽闻题。由于它所依据 的理论的普遍性，因此，很快就广泛应用于各个工程技术领域。有限元法f 每基本 思路是将弹性连续体离散成有限个单元，并且假定离散后的单元与单元之问通过 节点连接，通过对每一个单元单独建立节点方程，最后将所有的单元按照一定的 法则汇集起来，求解矩阵方程，从丽获得原问题的解。 弹性力学问题的有限元法基本分析过程都是一样的，概括起来可以分为以下 五步。 、结构的离散化 所谓离散化是指，将待分析的结构用选定的单元型式划分有限个单元体，把 单元的一些指定点设为连接相邻单元的结点，以单元的集合体来代替原结构。 在这一步应做的具体工作是：建立坐标系；对单元和结点进行合理编号，为 以下的有限单元法具体分析准备必要的信息。所用应用软件的不同，所需准备的 数据也不同。对具有“前处理”功能的有限元应用软件来说，可以人机交互地只 输入少量计算所必不可少的信息，其它大量信息将由软件控制自动生成。这不仅 方便了程序的使用，而且也可减少原始数据的输入错误。 二、确定位移模式 完成离散化工作后，为对典型单元进行特性分析，必须对单元中的位移分布 做出合理的假设，也印假设单元中任一点i 佝位移可用结点待定位移f f 勺一个合理、 简单的坐标函数来表示，这一坐标函数称为位移模式或位移函数。 位移模式的确定是有限单元法分析的关键。比较常用的做法是以多项式作为 位移模式，因为其微积分运算比较简单。从泰勒级数展开的意义上来说，任意光 滑函数的局部均可用多项式来逼近。可建立起如下的矩阵方程： d = n s e 式中d 一单元中任一点的位移列阵： 第4 页 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 、一形函数矩阵，其元素是学标的函数： 6 e 一一单元的结点位移列阵。 三单元特性分析 确定了单元位移模式之后即可对单元做以f 二方面工作： j 利用几何方程( 应变一位移关系) 将单元中任一点的应变用待定结点位移 来表示，也即建立如下矩阵方程 s = b s e ，中一单元中任点的应变列阵： b - - 一形变矩阵，一般其元素是坐标的函数； 2 利用物理方程( 应力一应变关系) 导出用单元结点位移表示的单元应力矩 陋：方程 o = d r s e = s s e 式中6 单元中任点的应力列阵： d 与单元材料有关的弹性矩阵； s 一应力矩阵，一般其元素是坐标的函数。 3 利用虚位移或最小势能原理建立刚度方程 v e + p 。：k e s e 式中v e 一单元结点力列阵： p 。一单元等效载荷列阵，与作用在单元上的外载荷有关： k e 一单元刚度矩阵，可导得它按下式计算： k e = j 。b t d b d v ( v e 为单元体积) 在以上三方面工作中，核一i i , 的工作是建立单元刚度矩阵和等效结点载荷列 阵。 四、 集成所有单元的特性，建立整个结构的结点平衡方程 本步工作像杆系结构矩阵分析一样，利用直接刚度法对号入座”集成整个 结构的整体刚度矩阵和综合等效结点载荷列阵( 包括直接结点载荷与等效结点载 荷两部分) ，从而建立结构整体刚度方程 k = p 式中 k 一一结构整体刚度矩阵： 一一结构整体位移列阵； p 一一结构综合等效结点载荷列阵。 具体细节因所求解问题和程序处理方法的不同有所区别，对一些问题将存在 坐标( 局部与整体) 转换问题，对于“后处理”法( 用于对号入座的定位向量可 第5 页 颇i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 不考虑边界位移约束j 还存在位移边界条件的0 入等问题。 五、解方程组和计算输出结果 对线性问题，整体刚度方程式将足组线性代数方程组，一般是高价方程组。 由于整体刚度矩阵的高阶、带状、稀疏和对称的特性在有限单元法发展过程中， 研究建立了许多不同的存贮方式和相应的计算方法，利用它们可以解出全部未知 位移。 求n 位移后，可以进一步计算应力( 或内力) ，并用数表或图形方式输出整 理厉的结果在此基础上再结合具体问题进行结构设计 2 1 2 有限元算法的特点 通常来说，弹性力学的求解方法可以分为解析法与数值法两大类，对于解析 法，它是通过求解微分方程，得到一个解析解，这种解是一个函数表达式，它能 给出物体内每一点上所要求的未知量的值。对于一个一般的三维弹性力学问题， 待求的未知函数共有十五个，分别为六个应力分量o 。，g ，a ：，t ，t 。t “六 个应变分量。，。8 ；，y 。y 。三个位移分量l ，v ，w 。同时，弹性力学的 基本方程恰好也是十五个，分别为三个平衡方程，六个几何方程及六个物理方程， 也就是说基本方程的数目恰好等于未知函数的数目，因此，从数学的观点来看只 要给出边界条件，应该有可能从十五个方程中解出十五个未知函数的，但在实际 运用过程中，联立求解十五个方程是件很复杂的事。为了便于求解，可取少数未 知函数作为基本未知量，求出基本未知量后，再求其它未知量，按未知量的选取 不同，解析法又可分为应力法与位移法，尽管如此，能用解析法求解的只是那些 方程比较简单，且几何边界相当规则的少数问题，对于大多数工程实际问题，由 于物体的几何形状不规则，边界条件复杂，材料的不均匀以及求解偏微分方程数 学上的困难，要得到问题的解析解，往往是十分困难以致于是不可能的，为了求 解这些复杂问题，唯一的办法是运用数值解法，求得问题的近似解，经过实践， 有限元法的求解效果还是令人比较满意的。采用有限元法研究结构的强度方面的 f j 题，它能解决力学理论解析解不能解决或者虽能解决但解决起来非常复杂的问 题。 2 2 车辆动力学仿真理论 一、多体动力学理论 多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系 第6 页 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 统( 一般有若干柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体动力学 是在经典力学基础上发展起来的与运动和生物力学、航天器控制、机器人动力学、 车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的分支。六十年代至 七十年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯恩，联邦德国的j 维登伯格，苏联的 e h 波波夫等人先后提出了各自的方法来解决复杂系统的动力学问题，于是，将 古典的刚体力学、分析力学与现代的电子计算机技术相结合的力学新分支多 刚体系统动力学便诞生了。 近二十年来，由于各种复杂机械系统的高性能、高精度的设计要求，加之高 速度、大容量、多功能现代计算机的发展及计算方法的成熟，多体力学由早期的 多刚体系统动力学发展为多柔体系统动力学。这门边缘学科以当代航天事业的发 展为标志，研究的领域包括了宏观世界机械运动的主要问题。 多刚体系统动力学中育以下几种研究方法： ( 1 ) 牛顿一欧拉方程法： 对作为隔离体的单个刚体列写牛顿欧拉方程时，铰约束力的出现使未知变 量的数目明显增多，放即使直接采用牛顿欧拉方程，也必须加以发展，制定出 便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动消除 铰的约束能力。德国学者s c h i e h l e n 在这方面做了大量工作。其特点的在列写出 系统的牛顿一欧拉方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，对完整 约束系统甩札e 吣e r t 原理消除约束反力，对非完整约柬系统甩j o u r d a i n 原理消 除约束反力，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程，希林等人编写了符 号推导的计算机程序n e w e u l 。 ( 2 ) 拉格朗同方程法： 由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉 格郎r 坐标将十分困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标比较方便，对于具有多 余坐标的完整或非完整约束系统用带乘子的拉氏方程处理是十分规范化的方 法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标树数目相同的带 乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。c h a n c e 等人 应用吉尔( g e a r ) 的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编写了 a d a m s 程序：h a u g 等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编写了d a d s 程序。 ( 3 ) 图论( r - 坩) 方法： r er o b e r s o n 和j w i t t e n b u r g 刨造性的将图论引入多刚体系统动力学，利 用其中的些基本概念和数学工具成功地描述了系统内各刚体之间的联系状况， 第7 负 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 即系统的结构。r - w 方法以十分优美的风格处理了树结构的多刚体系统。对于非 树系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法变成树系统处理。r w 方法以相邻刚 体之闻的相对位移作广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模 式，并据此推导了系统的运动微分方程，相应的程序有m e s a v e r d e 。 ( 4 ) 凯恩方法： r - w 方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式；而凯恩方法提供了分析复 杂机械系统动力学性能的统方法，并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普 遍形式的动力学方程，广义速度的选择也需要一定的经验和技巧，这是它的缺点， 但这种方法不用动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算， 节省时间。 ( 5 ) 变分方法： 在经典力学中，变分原理只是对力学规律的概括，而在计算技术飞速发展的 现代，变分方法已成为可以不必建立动力学方程而借助于数值计算直接寻求运动 舰律的有效方法。变分方法主要用于工业机器人动力学，有利于结合控制系统的 优化进行综合分析，对于变步态系统，可以避免其他方法每次需重新建微分方程 的缺点。 同时，多刚体系统动力学理论还有很多优点，具体表现如下： 1 适用对像广泛。由于多刚体系统动力学由计算机按程式化方法自动建 模和分析，并且只要输入少量信息就可以对多种结构及多种连接方式 的系统进行计算，因此其通用性非常强，同一方程式可对各类复杂系 统进行分析。 2 可计算大位移运动。多剐体系统动力学的公式推导是建立在有限位移 基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移 运动分析，这更符合系统实际运动状况，并且给研究非线形问题带来 了很大的方便，能够使计算结果更符合实际。 3 模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方 程，模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系统 动力学的数学模型可出计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程 度，所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空 问模型。对悬架动力学而占，可将垂直方向、| j 后水平方向及横向的 动力学分析统在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操 纵稳定性的影响综合起- 束研究。 总体来说，多刚体系统动力学的方法是种高效率、高精度的分析方法。然 第8 鲰 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 而在解决实际问题时，如果处理不当，不仅使工作量增加，而且也得不到满意的 结果，应用中要根据具体情况和所研究的问题性质选择最有效的分析方法，这一 点对于较复杂的汽车系统来说尤为重要。 应用多刚体系统动力学理论解决实际问题时，一般要经过以下几个步骤： ( 1 ) 实际系统的多体模型简化： ( 2 )自动生成动力学方程： ( 3 ) 准确地求解动力学方程，最终得到高效适用的软件。 二、虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动念仿真技术，是国际上2 0 世 纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改 进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。运用虚拟样机技术， 可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产 品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和 创新的设计产品。因此，该技术一出现，立刻受到了工业发达国家、有关科研机 构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的 产品开发中，取得了很好的经济效益。根据国际权威人士对机械工程领域产品性 能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物试验研究方法，将在 很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。 虚拟样机技术的研究对像是机械系统，在这罩，机械系统可以视为由多个相 互连接、彼此能够相对运动的构件的组合。 在机械系统设计中有三种性质不同的分析： ( 1 ) 机械系统的静力学分析 在一定条件下，机械系统变成一个刚性系统，系统中的各构件之削没有相对 运动此时主要是分析在各种力的作用下，各构件的受力和强度问题。 ( 2 ) 机械系统的运动学分析 主要涉及系统及其各构件的运动分析，而与引起运动的力无关。运动学分析 中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置与时l - 自j 的关系是规定好的，其余构 件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置的非线形方程组和速 度、加速度的非线形方程组来确定。 ( 3 ) 机械系统的动力学分析 第9 顷 颇i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，有两种情况：一种是确定与时问无关 的力作用下系统的平衡位置。在外力作用下系统的运动与运动学关系式相一致， 这些关系是通过连接系统构件的运动副施加给系统。可是运用动力学方程或微分 方程与代数方程的组合求解，确定系统的运动。另种情况是运动学分析和动力 学分析的混合形式。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利 用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各 构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系 统及其备构件运动所需的作用力及其反作用力。 三、车辆动力学仿真研究 汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，其特点 是运动零件多、受力复杂。由于组成汽车各机械系统( 如转向、悬架、传动机构) 之间的相互祸合作用，使汽车的动态特征非常复杂。特别是汽车的的悬架与转向 系统，是多杆式机构，而且确定了主销内倾角、主销后倾角等车轮定位角，车轮 定位角对车辆的行驶状态起着重要的作用，在运动学分析中必须获得车轮定位角 的变化情况。车辆的运动工况也是多种多样的，在实际行驶过程中，会有各种各 样的外在激励及内在控制，不同的工况下车辆各个零件的空间位置及受力情况均 有变化。这些都给运动学与动力学分析带来很大的困难，以前用简化条件下的图 解法等方式分析车辆这样复杂的空间机构是非常困难的，不仅有较大的误差，而 且费时费力。 在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始 终是一个关键性问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复 杂，加上人一车一环境相互作用，给汽车动力学研究带来了很大的困难。由于理 论方法和计算手段的限制，该科学曾一度发展较为缓慢。主要障碍之一在于无法 有效的处理复杂受力下多自由度分析模型的建立和求解问题。许多情况下，不得 不把模型简化，以便使用古典力学的方法人工求解，从而导致汽车的许多重要特 征无法得到较精确的定量分析。计算机技术的迅猛发展，使在处理上述复杂问题 方面产生了质的飞跃。有限元分析技术、模态分析技术以及随后出现的多体系统 动力学币是在这种情况下发展起来的。这些理论方法如现以后很快在汽车技术领 域中得到了应用。 国外汽车动力学中的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环 研究的发展过程。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型：模型的 自由度由二个自由度发展到数十个自由度，模拟计算机也由稳态响应的模拟发展 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 到瞬念响应特性和转弯制动特性的模拟研究。 国内在汽车动力学的研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作 起步较晚。七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学研究。 其研究工作集中于平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳 定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。 第1 1 负 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 3 依维柯汽车独立悬架运动与前梁总成受力分析 3 1 a d a m s 软件概述 1 9 6 0 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件d t n a ( d y n a m i c a n a l y z e ) ，该软件主要是解决多自由度、无约束的机械系统动力学问题。1 9 6 4 年，i b m 公司为汽车工业研制了运动学分析软件k a m ( k i n e m a i ca n a l y s i s m e t h o d ) ，该软件采用了m a c h a n c e 矢量代数方法，对单运动链单自由度机械进 行位置、速度、加速度分析。随着多刚体系统动力学的诞生和发展，1 9 7 2 年， 美国的j j u i e k e r 等人研究出了a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i co fm e c h a n i c a l s y s t e m ) 机械系统的自动动力学分析软件，它能分析二维、三维、开环或闭环机 构的运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统的动力学问题。1 9 7 7 年，美国 i o w a 大学的c a d 中心在e j h a u y 教授的引导下，研制了d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i s a n dd e s i g ns y s t e m 动力学分析和设计系统) 。到了8 0 年代初，不仅有许多通用 的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某类问题专用多 体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。 8 0 年代中期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。国外各主要 汽车厂家和研究机构在其c a d 系统中安装了多体系统动力学分析软件，并与有限 元分析、模态分析、优化设计等软件一起构成了一个有机的整体，在汽车设计开 发中发挥了重要的作用。 a d a m s 正是款基于虚拟样机技术的机械系统动力学分析软件，它方面是 虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行 静力学、运动学和动力学分析，另方面，又是虚拟样机分析丌发工具，其开放 性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的 二次丌发工具平台。它除了可以进行机械系统运动学和动力学分析外，还包含有 以下技术： ( 1 ) 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几 何建模，或者用束展现机械系统的仿真分析结果。 ( 2 ) 有限元分析( f e a ) 软件和技术。可以利用机械系统的运动学和动力 学分析结果，确定进行机械系统有限元分析所需要的外力和边界条件， 或者利用有限元分析对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 ( 3 ) 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 软件编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力 等等，以适应各种机搬系统的要求。 ( 4 ) 利用试验装置的试验结果进行某些构件的建模。试验结果经过线性化 处理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 5 ) 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和 现代的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 ( 6 )优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化 设计和分析，是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计结构 和参数值，使机械系统获得最佳的综合性能。 a d a m s 软件包括三个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e t ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有一些特殊场 合应用的附加程序模块，例如a d a m s c a r ( 汽车模块) 、a d a m s r a i l ( 机车模块) 、 a d a m s f e a ( 有限元模块) 等。在三个基本程序中，a d a m s v i e w 是a d a m s 系列 产品的核心模块之一，是以用户为中心的交互式图形环境。它将简单的图标、菜 单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、x y 曲线图处理、 结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。a d a m s v i e w 采用简单的分层方 式完成建模工作，提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力力矩库，并且支 持布尔运算，采用p a r a s o l i d 作为实体建模的核，支持f o r t r a n ? ? 和 f o r t r a n 9 0 中所有函数。a d a m s v i e w 采用用户熟悉的m o t i f 界面( u n i x 系统) 和w i n d o w s 界面( n t 系统) ，提供了相对任意参考坐标系方便定位的功能，从而 大大提高了快速建模能力。在a d a m s v i e w 中，用户利用t a b l ee d i t o y ，可像用 e x c e l 一样方便地编辑模型数据；同时还提供了p l o tb r o w s e r 和f u n c t i o n b u i l d e r 工具包；具有d s ( 设计研究) 、d o e ( 试验设计) 、o p t i m i z e ( 优化) 功 能，可使用户方便地进行优化工作。 a d a m s v i e w 可进行样机的建模、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和 后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、 同其他应用程序的结口等。a d a m s s o lv e t 是求解机械系统运动和动力学的程序， 它是a d a m s 产品系列的核心。该软件包自动形成机械系统模型的动力学方程并 提供静力学、运动学和动力学的解算结果。a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解选 项，以便精确有效地解决各种问题。完成样机分析的准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模块的静力学、运动学或动力 学问题，完成仿真分析以后再自动地返回a d a m s v i e w 操作界面。a d a m s 仿真分 析结果的后处理，可以通过调用后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完成。 第1 3 页 硕t - 论文 依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也 可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真曲线以外，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行一些数字和统计计算：可以输入试验数掘绘制试验嗌 线，并同仿真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑。 由于本文主要是针对i v e c o 汽车自口独立悬架的性能分析，因此除了应用三个 基本模块外，主要使用了a d a m s c a r 模块来进行试验及分析。a d a m s c a r 是d i 公司与a u d i 、b m w 、r e n a u t 和v o l v o 等公司合作开发的整车设计软件包，集成 了它们在汽车设计、开发等方面的经验，利用该模块，工程师可以快速建造高精 度的整车虚拟样机( 包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构，制动系统 等) 并进行仿真，而且仿真功能还包括牵引性能控制、a b s 等控制系统，这为汽 车工程师提供了前所未有的仿真能力，并且通过高速动画直观地显示在各种试验 工况下整车动力学晌应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性 的特征参数，从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是物理样机试验的几分 之一。a d a m s c a r 采用的用户化界面是根据汽车设计师的习惯而专门设计的，设 计师不必经过任何专业培训，就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作。 a o a c a r 中包括整车动力学软件包( v e h i c l ed y n a m i c s ) ，悬架设计软件包 ( s u s p e n s i o nd e s i g n ) 以及概念化悬架设计模块( c s m ) ，其仿真工况包括：方 向盘阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂移试验、加速试验、制动试验和 稳态转向试验，同时设定试验过程中的节气门开度、变速器档位等。 而且，在a d a m s c a r 模块下建模不同于a d a m s v i e w 模块，各系统要分别建 立，即分别建立前悬架和转向系两个子系统。建立每个子系统时，首先要建立空 问定位点( h a r d p o i n t ) ，然后建立各个零件( p a r t ) ，再建立各零件之问的各种 铰链( j o i n t ) 以及连接器( c o n n e c t o r ) 如弹簧、减振器等。前悬架还要输入车 轮定位参数( p a r a m e t e r ) 。子系统完成后，在a d a m s c a r 标准模块下，建立装配， 进行各种仿真试验以及结果分析。 a d a m s 是当前求解机械系统空间位移运动学的主要软件，在汽车、航空等领 域有广泛的应用。最近两年，国内主要的汽车厂家：上海大众、北汽福f 日、天津 汽车技术中心等单位已经在开发新产品、改型等工作中使用a d a m s 。 3 2 独立悬架运动与前梁总成结构分析及概述 3 2 1 独立悬架运动与前梁总成结构特点 依维柯汽车前悬架为双横臂扭杆弹簧独立悬架，带双向筒式减振器及前横向 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 稳定杆。依维柯汽车前悬架总成见图3 2 1 ，莳梁与独立悬架实体模型见附录a 。 幽32 1 依维柯汽乍前悬架总成 依维柯客车的前悬架是与前梁总成上的摆臂支承板，通过弹性衬套连结在一 起的，它是一种上置扭杆式的双横臂悬架。扭杆与上摆臂通过花键连结，并与摆 臂支承板前后片的两上孔中的弹性衬套过盈配合。这样在车轮上跳的过程中，上 摆臂绕弹性衬套的轴线转动，并带动扭杆也绕该轴线转动而产生弹性力，从而为 整个悬架提供了弹性元件。下摆臂与前梁总成的两个下孔之白j 也用弹性衬套连 结。为了使悬架在车辆制动时，铰接点处不产生过大的力，在上、下摆臂与车架 纵梁之间还设有两根斜拉杆。另外，在上摆臂的上下都设有弹性橡胶限位块，以 限制悬架运动的幅度，避免悬架与车架直接相碰。出于在特定的恶劣工况下，前 粱总成会产生一定的变形，必须对前粱总成进行有限元分析，而前梁总成的受力 状况则要通过a d a m s 软件进行分析得到。 从图3 2 1 中可以看出地面力传到前粱总成上的力通过悬架上、下摆臂与摆 臂支承板的连结处弹性衬套传递，以及在极限工况下限位块受力并作用到摆臂支 承板上端的减振器托架上。因此，所需的载荷输入即为实际建模中，上下摆臂与 摆臂支承板的弹性衬套的受力和可能引起的限位块的受力。 在本次分析中，由于只对前悬架作动力学的分析，而a d a 、i s 提供的多种轮胎 模型只在做整车模型的动力学仿真时才有意义，故无需在此定义轮胎模型；当然 考虑到本次分析主要以静力学计算为主，还是可以加入自定义的刚性轮胎，即自 第1 5 负 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 己输入轮胎的质量以及由计算机算出其转动惯量等动力学参数。但是在模型的建 立中，因为无法通过在车架上加力，再得到轮胎所受的地面反力和弹性衬套等元 件的受力。实际采用的办法是，将车架与地面固结，而先计算出在特定的工况下 轮胎应受的载荷，并直接加在轮眙上( 比如前桥在垂直载荷工况下，就在轮胎上 加垂直力) 。这实际相当于车身不动，而地面变化的情况，是与实际工况没有什 么分别的，只是参照系或者说坐标系的设定不同。在垂直载荷下车架要下沉，在 模型中体现为路面上抬；在转弯侧倾工况下车架要偏离直线一个角度，在模型中 则体现为车架不动而路面反转，这些其实都是一致的。 3 2 2 计算工况的确定 3 2 2 1 标准计算工况的确定 本文研究的前梁总成同时使用在依维柯a 4 0 ，1 0 ( 整车满载总质量4 吨) 和 a 4 9 1 2 ( 整车满载总质量4 9 吨) 客车上，我们取a 4 9 1 2 客车的整车条件作为研 究的基本依据。根据( n j 6 6 8 6 b h f 、n j 6 6 8 6 s j f 5 ( a 4 9 1 2 ) 依维柯客车及底盘技 术规范( q n j1 8 4 1 4 4 2 0 0 0 ) 规定，“前轴满载质量为1 7 4 0 k g ，允许最大质量 为1 8 0 0 k g ”，我们确定前桥载荷1 7 6 4 0 n ( 取前桥最大质量为1 8 0 0 k g ) 为分析的基 本载荷，在参照意大利依维柯汽车公司设计技术的基础上，选取如下3 种典型极 限工况： ( 1 ) 垂直动载 在车辆下坡时前悬架要承受附加的转移质量所施加的垂直力，并且考虑到坡 路的颠簸，取动载系数为2 。由此前桥载荷定为3 5 2 8 0 n ，转换到车轮上即单个车 轮所受地面向上的反力为1 7 6 4 0 n 。 ( 2 ) 紧急制动工况 紧急制动工况取制动减速度为0 8 9 ，则前轴所受的制动力为2 8 2 2 4 n ，分配 到单个车轮上即为1 4 11 2 n 的力。这种工况可以结合第一种工况，即在垂直载荷 的基础上，加制动力阶跃函数，使车轮再受到制动力。 ( 3 ) 极限转弯工况 高速转弯工况由于会产生较大的侧向力，并将引起车身的侧倾，因此非常重 要。这罩模拟的是转向内侧车轮即将离地时的极限工况。规定在该转弯工况时， 车速为6 0 公里d , 时，则计算得到在内侧车轮即将离地时侧向加速度约为o 6 0 7 9 ，转弯半径为4 6 m ，调整模型以将上述数据作为预设的初始值输入。此时取 动载系数为1 ，设定在车身上作用垂直力为1 7 6 4 0 ，离心力为0 6 0 7 1 7 6 4 0 ，即 第1 6 _ 丘 坝i 论文依维柯汽车独立悬架前梁总成的强度分析 1 0 7 0 7 n ；作为模型中的车轮受力，令内侧车轮不受地面反力，计算得到外侧车 轮所受的垂直力为1 7 6 4 0 n 。设定外侧车轮所受的侧向力初始值为1 0 7 0 7 n ，运用 a d a m s 中的d o e ( d e s i g no fe x p e r i m e n t ) 技术。当所加的侧向力使前述的车身固 结点处的力矩m y 和m z ( 方向为结论部分中规定的方向) 很小，说明此时正好符合 车身实际的承载