（光学工程专业论文）汽车悬架建模与动态仿真研究.pdf

l。 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i i l l lzll li i i ir ll1 1 1 1 1 1 111 1 1 i y 17 3 9 4 6 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：鳢鱼日期：塑! ! ：! ! 垒 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：垒整塑 指导教师签名： 簦鱼墨 日 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 介绍了汽车悬架系统运动学的研究现状，并对汽车独立悬架系统作了详细的分类和对 比分析，选取麦弗逊式悬架系统作为本文的研究对象，详细分析了其结构特点和运动特性， 并建立了麦弗逊悬架系统的虚拟样机模型，对其进行动态仿真分析，为悬架系统的进一步 优化设计提供有力的参考和依据。 首先，详细分析了麦弗逊悬架系统的结构组成、布置形式及其运动特性，基于面向装 配设计的建模理念，建立了麦弗逊悬架系统的三维模型，并通过装配设计分析，完成了麦 弗逊悬架系统虚拟样机模型的装配。 其次，基于c a t 狐的d m uk i i l e m 撕c s 虚拟样机运动仿真模块，建立了麦弗逊悬架系 统的运动机构，并通过定义系统各部件之间的装配约束和运动副，完成麦弗逊悬架系统运 动仿真模型的建立。 最后，通过运动机构仿真，模拟在车轮上下跳动的运动激励下，麦弗逊悬架系统的运 动响应状态，并分析该系统的合理性，为悬架系统的进一步设计提供有力的参考和依据。 关键词：麦弗逊悬架；虚拟样机；运动仿真；应用 武汉科技大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t d e s c r i b e dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so ft h ek i n e m a t i c so fa u t o m o t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ， t h r o u g ht h es p e c i f i cc l a s s i f i c a t i o na n da n a l y s i so f t h ea u t o m o t i v ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e m ， m a c p h e r s o ns u s p e n s i o ns y s t e mw a sc h o s e nt ob ea n a l y z e d a f t e rt h es p e c i f i ca n a l y s i so ft h e s t r u c t u r a la n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a c p h e r s o ns u s p e n s i o ns y s t e m ，av i r t u a lp r o t o t y p e m o d e lw a sb u i l t o n c et h em o d e lw a se s t a b l i s h e d , ak i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sc a r lb ed o n e t op r o v i d eag r e a tf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v e s u s p e n s i o ns y s t e m f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t m c t l l r e ，a r r a n g e m e n ta n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a c p h e r s o ns u s p e n s i o n , a n db a s e do nt h em o d e l i n gm e t h o df o ra s s e m b l yd e s i g n , av i r t u a l p r o t o t y p em o d e lw a sa c c o m p l i s h e db yt h ea s s e m b l yd e s i g no ft h e3 d m o d e l so ft h i ss u s p e n s i o n s y s t e m s e c o n d ，b a s e do nc a t i ad m u k i n e m a t i c sa n dt h ed e f i n i t i o no ft h ea s s e m b l ya n dd y n a m i c c o n s t r a i n t sb e t w e e nt h ec o m p o n e n t so ft h em a c p h e r s o ns u s p e n s i o n , as i m u l a t i o nm e c h a n i s mw a s e s t a b l i s h e df o r f u r t h e rk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n i nt h ee n d ，t h em a c p h e r s o ns u s p e n s i o nm e c h a n i s mw a sd r i v e nb yt h eu pa n dd o w n m o v e m e n t so ft h ew h e e l s t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h i sm e c h a n i s m ，ac o n c l u s i o nw a sd r a w nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e a u t o m o t i v es u s p e n s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：m a c p h e r s o ns u s p e n s i o n ；d i 西t a lm o c k u p ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ；a p p l i c a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 论文的研究背景和意义l 1 2 汽车悬架系统运动学的研究现状分析2 1 3 本章小结4 第二章虚拟样机技术概述和c a t i a 虚拟样机技术5 2 1 虚拟样机技术5 2 1 1 虚拟样机技术的概念5 2 1 2 虚拟样机技术的发展状况。6 2 1 3 虚拟装配技术和静、动态干涉检查的发展状况8 2 1 4 虚拟样机技术的主要内容和关键技术1 0 2 2c a t i a 虚拟样机技术。1 2 2 2 1c a t i a 简介二= 1 2 2 2 2c a t i a 技术特点1 3 2 2 3c a t i a 虚拟样机技术1 3 2 3 本章小结1 5 第三章麦弗逊悬架系统几何模型的建立1 6 3 1 汽车悬架系统作用、组成和分类1 6 3 1 1 汽车悬架系统作用和组成1 6 3 1 2 汽车悬架系统分类1 7 3 2 汽车独立悬架系统方案比较。1 8 3 2 1 麦弗逊式独立悬架系统18 3 2 2 双横臂式独立悬架系统2 0 3 2 3 多连杆式独立悬架系统2 l 3 2 4 纵臂扭转梁式独立悬架系统2 2 3 3 麦弗逊式悬架系统几何建模。2 3 3 3 1 麦弗逊悬架系统结构分析2 3 3 3 2 悬架系统导向机构设计与转向轮定位参数2 4 3 3 3 麦弗逊式悬架系统模型的假设和简化2 6 3 3 4 麦弗逊式悬架系统模型的建立2 6 3 4 本章小结。3 3 第四章麦弗逊悬架系统虚拟样机的建立3 4 4 1 虚拟装配技术3 4 1 武汉科技大学硕士学位论文第1 v 页 4 1 1 虚拟装配的定义。3 4 4 1 2 虚拟装配的关键技术3 4 4 2 基于c a t i a 的虚拟装配设计3 7 4 2 1 基于c a t i a 的装配约束关系3 7 4 2 2 基于c a t i a 的干涉检查3 8 4 3 基于c a t i a 的麦弗逊悬架系统虚拟样机模型的建立3 9 4 4 虚拟样机模型的干涉检查4 3 4 5 本章小结4 7 第五章麦弗逊式悬架系统虚拟样机运动仿真4 8 5 1 麦弗逊式悬架系统运动分析4 8 5 2 麦弗逊式悬架系统运动仿真5 0 5 2 1 麦弗逊悬架系统运动仿真的建立5 0 5 2 2 麦弗逊悬架系统运动仿真5 1 5 3 本章小结5 7 第六章总结与展望5 8 参考文献。5 9 1 l ! l ：谢6 ：z 硕士期间发表的论文。6 3 武汉科技大学硕士学位论文 第l 页 1 1 论文的研究背景和意义 第一章绪论 随着计算机技术的不断更新与发展和计算机技术的日趋成熟，机械制造行业发生了深 刻的变革，传统的机械设计制造理念和手段需要不断更新，以便适应自身的发展。步入2 l 世纪以来，计算机技术的应用越发广泛和深入，从而推动着整个机械制造行业不断向前发 展。而计算机技术在汽车行业的成功应用，带动了整个汽车制造业的迅猛发展，在此基础 上计算机应用软件应运而生，各种机械c a d 、c a e 、c a m 软件的开发和普及应用给汽车 制造业带来了前所未有的喜悦和成功。汽车是一个非常复杂的运动系统，传统的汽车设计 理念很难跟上如今快速发展的汽车制造业和消费者对汽车个性化的追求和需求的多样性， 计算机虚拟样机技术的应用很好的解决了这一矛盾。自从计算机技术应用到汽车行业以 来，随着计算机软件的开发和改善，汽车行业在深度和广度上得到快速发展和提高，同时 使得汽车行业在产品开发与设计，生产制造与管理等方面发生了深刻的变革。 汽车悬架系统是当前汽车系统的重要组成之一，其作用是把路面作用于车轮的垂直作 用力、纵向作用力和侧向反力以及这些力所产生的力矩传递到车架或承载式车身上，同时 缓和由路面传给车架或承载式车身的振动冲击载荷，并衰减此冲击载荷，从而保证汽车的 正常平顺的行驶，改善汽车的操纵稳定性【l 2 】。由汽车悬架系统的功用可以看出，汽车悬架 系统承担着连接车架( 或承载式车身) 与车轴( 或车轮) 的任务，而且作为其间的传力构件， 所以悬架的结构形式和参数选择的合理与否，对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和乘坐舒 适性等起到非常关键的作用。汽车悬架系统对整车系统行驶动力学、操纵动力学有着不寻 常的意义，它是汽车总布置设计和汽车运动校核的非常重要的内容。 汽车悬架系统是非常复杂的空间运动系统，这就使得悬架系统的空间布置和运动校核 变得困难。传统的悬架系统设计、试制和试验的方案需要进行不断的试验和改进，从而使 得汽车悬架系统从设计、试制到试验和最终确定产品方案的开发周期变得很长，不利于产 品的更新换代和不断满足市场需求变化的要求。此时计算机技术的不断发展，虚拟样机技 术应运而生，很好的解决了这一难题。虚拟样机技术集信息技术、仿真技术和计算机技术 于一体，使工程技术人员能够在基于虚拟现实的基础上，运用高速计算机和系统动力学、 弹塑性力学、系统工程学、计算机可视化等技术，建立一个能模拟现实系统的虚拟样机和 c a e 仿真分析环境。进行虚拟样机设计和虚拟样机试验，可以大大缩短悬架产品系统的设 计开发周期和简化悬架系统的设计过程，从而使得企业能够很好的控制产品开发成本，并 且能同时提高产品质量和产品性能，从而提高产品的市场竞争力。此时汽车悬架系统产品 的设计开发过程完成了从传统的手绘制图设计向计算机c a d 、c a e 、c a m 辅助设计开发 方向的转变。 武汉科技大学硕士学位论文第2 页 麦弗逊式悬架也称滑柱连杆式悬架，它是由滑动立柱和横摆臂组成。其优点是结构紧 凑，增大了两前轮内侧的空间，便于发动机和其部件的布置，由于减振器的活塞和连杆兼 作转向主销用，所以系统占用空间较少，而且当车轮跳动时，汽车的前轮定位参数变化比 较小，具有比较理想的操纵稳定性。缺点是滑动立柱摩擦和磨损较大，但是可以采用螺旋 弹簧中心线和滑柱中心线布置不相重合的布置方式来减少摩擦，同时可将减振器导向座和 活塞的摩擦表面用耐磨材料制成，以减少磨损【2 ，3 1 。目前麦弗逊式悬架多用在发动机前置前 驱动的轿车和某些轻型客车上。 本论文以麦弗逊悬架系统为研究对象，用三维建模软件构建麦弗逊悬架系统的三维模 型，并对整个麦式悬架系统进行动态仿真，在产品定型之前对产品进行虚拟设计和运动校 核，为悬架系统进一步的开发设计提供参考和必要的依据，具有很现实的参考价值和经济 价值。 1 2 汽车悬架系统运动学的研究现状分析 汽车悬架系统动力学的研究目标很明确，就是为了提高汽车整车系统的操纵稳定性和 行驶平顺性。汽车悬架系统的应用研究便可以分为两大类：一是对汽车操纵稳定产生主要 影响的悬架特性特征参数的研究；二是对汽车行驶平顺性产生主要影响的悬架特性特征参 数的研究。针对汽车系统操纵稳定性的研究主要在于对悬架系统导向机构、空间杆系分析 和布置的研究，表现在当车轮与车身发生相对运动时，如何通过设计优化悬架导向机构、 空间杆系等来引导和约束车轮的运动、车轮定位参数的变化和与转向系统匹配的悬架参数 的运动学特性的研究，也称作悬架系统的运动学研究。而针对汽车系统行使平顺性的研究 主要在于对悬架的弹性和阻尼元件特性的研究，表现在对道路一车轮一非簧载质量一悬架一簧 载质量这一闭环系统的研究，主要是在路面的激励作用下，分析影响汽车系统行使平顺性 的弹性和阻尼元件的特性，也称作悬架系统的动力学研究。 汽车独立悬架的诞生标志着汽车悬架运动学研究的开始，2 0 世纪八十年代悬架弹性运 动学日渐兴起。具有代表性的是德国的耶尔森赖姆帕尔，他撰写的汽车底盘技术就 对汽车各种悬架的运动学和弹性运动学作出了很详尽的分析，同时给汽车车轮定位参数做 出很明确的的定义，并且分析了前轮定位参数对汽车系统操纵稳定性的影响。针对悬架弹 性运动学的分析，提出了弹簧各部件及连接处都具有弹性，轮胎和路面之间的力和力矩会 引起的汽车车轮定位参数数值的变化，并且给出了一些典型车型的前轮定位参数的变化关 系曲线，这些变化关系曲线都是实测得到的，从而可以用来评价汽车系统的操纵稳定性； 针对悬架运动学的分析，指出了悬架弹簧变形过程中车轮定位参数数值的变化过程。其次 是阿达姆措莫托和安培正人，他们分别撰写的汽车行驶性能和：汽车的运动与操纵 详细介绍了悬架运动学特性对汽车的行驶操纵性能的影响，从悬架弹性运动学的角度出发 对悬架特性参数对汽车操纵稳定性的影响进行了较为系统的分析【侧。针对悬架的运动学分 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 动而引起的悬架系统变形：针对悬架的弹性运动学分析，通过对悬架模型进行受力分析， 来推导出悬架杆系变形与受力的关系，并将铰接的橡胶衬套简化成三根两两垂直的弹簧来 处理。 随着计算机技术在工程技术领域的熟练应用，计算机虚拟仿真技术己成为企业必须具 备的要素之一。通过虚拟样机技术，我们可以模拟工程中的具体实践，可以求出需要的结 果数据，可以对工程实践问题进行更直观的分析研究。在机械系统仿真技术研究中，大多 以多体系统动力学理论作为研究的理论基础，多体系统动力学是研究多体系统运动规律的 学科，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。随着多体系统动力学不断发展，多体 系统动力学逐渐结合了人机工程学、机械动力学、运动生物力学、航天器控制学等学科， 顺利加入到这一力学大家庭中来，并且俨然成为一门具有广泛应用前景的力学分支。 早在2 0 世纪六十年代，随着航空航天领域的发展，航空航天器的稳定性控制和飞行 姿态的控制问题是人们面临的必须解决的问题。同时为了提高地面车辆和机械设备的运行 精确度和控制质量，前苏联和德国的科学家便开始了对多体动力学的探讨，并且他们在7 0 年代初就提出了各自的较为成熟的系统理论和研究方法，同时多刚体系统动力学的分析仿 真软件也相继出炉。多柔体系统动力学理论则在8 0 年代的中后期发展比较快。大部分的 多体系统动力学软件系统都包含了有关柔性体的技术分析功能。 t 汽车系统动力学以多体系统动力学为理论基础，是专门研究汽车系统的受力情况、运 动关系和研究与汽车性能相关的汽车各系统间的内在联系和规律的一门学科。车辆系统动 力学的研究对象有：车辆纵向运动及其子系统的动力学响应( 发动机、传动系统、加速、 制动、防抱死和牵引力控制系统等) ；垂向运动( 行驶动力学：悬架工作行程、乘坐舒 适性、车体的姿态控制、车轮动载荷的合理控制等，主要研究在路面的不平激励作用下， 通过悬架和轮胎的垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动情况) ；横向运动( 操 纵动力学：二自由度车辆模型、车辆的侧向速度和横摆速度，主要研究车辆的操纵特性， 与作用于轮胎的侧向力有关，并由此引起的车辆侧滑、横摆和侧倾运动) t i 。刚开始对汽 车系统动力学的研究，由于受到研究水平和手段的限制，只研究汽车的某一性能或某一汽 车零部件，而且主要模拟他们理想的工作状况，来进行汽车受力与产生运动的关系的研究。 随着技术条件的不断提高，汽车系统动力学的研究范围也从开始时的单一性研究到现在可 以自由分析汽车在各工况下的动力学响应特性，完成了质变。 汽车系统动力学的研究方法：分为实体模型研究方法和数学模型研究方法，先建立汽 车的系统动力学模型( 实体模型或数学模型) 。实体模型的研究方法就是建立具有与实体 相同物理属性的模型，模型在形状和尺寸上可以存在一定差别，然后通过各种试验仿真方 式，来测试实体系统各参数之间的关系，进而判别和优化实体系统的性能。比较直观和可 信，而且可以即时观察研究对象物理特性的变化。但是有些试验受到试验手段和技术条件 的限制，无法实现或不便于进行，且误差较大。目前国内汽车设计开发部门大多采用此方 法，成本比较高。数学模型的研究方法就是只对产品系统的物理过程来进行建立数学模型 的操作，也就是建立一组法则，该法则作用于物理系统和数学描述的方程之间，联系一个 武汉科技大学硕士学位论文第4 页 或多个元素的运动结果。采用数学模型来研究汽车系统动力学，具有很多的优点，研究方 法多样、研究成本小、周期短。表现在，不同的工作人员可以对同一对象来建立不同的数 学模型，然后利用计算机对模型产生的相应方程求解，得出计算结果。数学模型研究方法 的特点是模型高度抽象，实物与模型问存在着很强的相似性。缺点是研究结果由于模型的 简化技巧、模型数的不同往往得出的结果大相径庭，需要专业的技术人员和不断的经验积 累。国外的很多汽车设计部门目前已广泛采用该方法，降低了研发成本的同时，还可以将 新车型的设计开发周期缩短1 2 年【引。 国内从8 0 年代开始逐步开展了对汽车悬架的运动学研究，发展比较快。同时国内的 部分高校相继将多刚体系统动力学方法应用到汽车运动学和动力学的研究当中，其中走在 前列的有吉林大学、清华大学、上海交通大学、北京理工大学和同济大学等，研究领域也 从开始的系统运动学过渡到包含柔性体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我 国的汽车制造企业在开发具有自主知识产权的汽车中起到了积极的指导作用。 中国工程院院士郭孔辉所著的汽车操纵稳定性一书对汽车悬架系统运动学作了较 为系统的分析研究，在国内首次提出了从侧向力、纵向力转向的角度来研究悬架系统运动 学。吉林大学林逸教授也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基木性能，着重分析了 独立悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性和行驶平顺性的影响，并给出了涉及悬架系统弹性 运动学问题的一般解决方法和思路。 国内对汽车独立悬架系统的运动学仿真分析研究通常把悬架导向机构及连接件简化 为刚性体，而没有考虑悬架的弹性变形以及弹性变形对悬架性能所产生的影响，从而仿真 结果与实车测试误差会比较大。其次，国内对汽车独立悬架的性能评价目前还没有一套比 较完整的标准。 随着计算机技术的不断发展，多体系统动力学的应用前景非常广阔，虚拟样机技术将 广泛应用于汽车制造业。 1 3 本章小结 本章阐述了研究汽车悬架系统运动学的意义和汽车悬架系统运动学的发展状况，为悬 架系统的运动仿真分析提供了方向。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章虚拟样机技术概述和c a t i a 虚拟样机技术 2 1 虚拟样机技术 2 1 1 虚拟样机技术的概念 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 又称为动态仿真技术、电子样机技术，是指在产品 设计开发过程中，将分散的零部件设计、分析和整体装配技术结合在一起，在计算机上虚 拟建造出产品的整体模型，并针对该产品在实际应用中可能遇到的各种工况进行仿真分 析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品质量的一种新技术【9 】。虚拟样机 技术以机械系统运动学、动力学和相关控制理论为基础，结合三维计算机图形技术、基于 图形的用户界面技术和广泛应用的计算机网络技术、信息集成技术等，将分散的产品设计 开发和分析装配过程集成在一起，将虚拟现实技术和仿真分析技术有效的结合起来，为新 产品的设计开发提供了一个全新的思路，从而达到提高设计质量、降低产品设计开发成本 和开发周期的目的，使企业的自主创新能力、市场竞争力得到显著提高，从而获得很好的 经济和社会效益。通过虚拟样机技术的应用，可以很好的协调产品设计者、使用者和制造 者在产品研制期间的交互，从而在不需要实制物理样机的虚拟环境下，能够直观的对新产 品原型进行优化设计、性能测试分析、仿真制造和虚拟装配，通过这种方式，可以激发人 们的创新意识，同时显著提高设计质量、减少设计失误和加快新产品的开发周期。 传统的产品设计和制造过程，首先是概念设计和方案可行性论证，然后进行产品结构 设计。在结构设计和细节设计完成后，为检验设计的有效性以便及时发现设计缺陷，往往 要通过制造实体物理样机，并对物理样机进行测试，进而得到样机的性能参数。同时在试 验过程中某些性能的获取往往需要破坏实体样机，当发现有设计缺陷时，则需要重新修正 设计，待修正设计结束，则又需要重新制造实体物理样机来测试性能，如此反复直到样机 测试完毕满足设计要求，再进入量产阶段。产品设计一样机试制一样机测试一修正设计这 一过程周期往往比较长，尤其对于复杂的产品系统，如果无法缩短新产品设计开发周期， 企业的生存将面临严重挑战，而且样机试制同样要耗费大量的人力、物力和财力。 虚拟样机技术的成功应用，很好的解决了这一矛盾。设计师可以充分利用虚拟样机技 术建立产品系统的数字化模型，并对虚拟实体模型进行仿真分析研究，模拟产品系统在现 实工作状况下的各种性能表现，通过不断的修改虚拟实体模型来达到优化产品设计的目 的，同时虚拟样机也能够反映实际产品的特性( 外观、空间关系、运动学和动力学特性) 。 通过虚拟样机技术，设计师在计算机上建立产品系统的三维模型，加上三维可视化技术处 理，可以真实的模拟在现实条件下的产品系统运动学和动力学响应特性，并根据计算机仿 真分析结果对产品系统进行优化和该进。 虚拟样机技术从分析解决产品整体性能的角度出发，以解决传统的设计制造过程中存 武汉科技大学硕士学位论文第6 页 在的弊端。在应用该技术时，设计者可以充分利用c a d 系统所提供的各零部件的物理信 息和几何信息，在计算机上直接定义零部件之间的连接装配关系并对机械系统进行虚拟装 配，从而构建虚拟样机模型，同时结合各种系统仿真软件，便可以在虚拟现实的环境中真 实的模拟系统的运动特性，并对系统在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析研究， 通过三维图形显示技术，可以清楚的观察和试验各系统部件的相互运动情况，并且可以在 计算机上方便地进行设计修改，对比不同的设计方案，直至得到最佳设计方案，再进行物 理实体样机的试制【1 0 】。虚拟样机技术能够使产品设计者在在虚拟现实的环境中真实的模拟 产品系统整体的运动及受力情况，并且能够分析多种设计方案，可以对虚拟样机进行用实 体样机难以进行或根本无法进行的虚拟试验，直到获得最优设计方案。在整个产品系统的 设计过程中，虚拟样机技术的应用贯穿始终，在概念设计和方案论证中设计师就可以把自 己的经验和想象应用在虚拟样机的构建上，充分发挥创造力和想象力，用虚拟样机来代替 物理样机进行验证设计，在缩短开发周期的同时，也进一步提高了产品的设计质量和设计 效率，进而提到产品的竞争力。 2 1 2 虚拟样机技术的发展状况 虚拟样机技术以多体系统动力学为理论基础，结合虚拟现实技术和人工智能技术等多 领域的一门综合性技术。虚拟样机技术的研究范围是机械系统运动学和动力学，核心是利 用计算机辅助分析技术对机械系统进行运动学和动力学仿真分析，以确定系统及其各子系 统( 部件) 在任何位置时的位移、速度和加速度，并通过求解代数方程组来确定引起系统 及其各子系统( 部件) 运动所需的作用力与反作用力。计算机系统三维可视化技术及动画 技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了面向用户的操作界面：c a d f e a 等技术的发展 为虚拟样机技术的发展提供了技术保障。当前虚拟样机技术已俨然成为一项日趋成熟的技 术产业，通过虚拟样机技术的应用，传统的设计思想被打破，新的设计理念应运而生，这 种理念将分散的各零部件的设计和分析装配技术( 零部件的c a d 建模和f e a 有限元分析) 融合在一起，通过反复应用和更新在设计过程中的反馈信息来不断的指导产品设计，从而 提供了一个全新的机械产品设计开发研究方法，并对机械制造业产生了积极深远的影响。 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程实践中所研究的对象一般都是由大 量零部件所构成的系统，针对不同的零部件而进行的优化设计和性能评价时可将其分为两 类。一是结构，其特性是在现实的工况下构件彼此之间没有相对运动，如各种建筑、车辆 的覆盖件以及各种零部件本身，此时我们只关心这些结构在受到载荷激励时，它的强度、 刚度和稳定性问题；二是机构，其特性是在现实的工况下构件彼此之间存在相对运动，如 航空航天器、汽车与铁路机车等复杂机械系统。这样的机械系统力学模型由彼此通过各种 运动副联接的多体系统机构组成，也称作多体系统【l l 】。 我们研究的机械系统动力学，研究方法大致有以下三种：一是系统的运动学分析，在 不考虑系统运动起因的情况下，研究各部件的相对位置变化、姿态变化和速度变化与加速 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 度变化的关系。在运动学分析过程中，系统中某一或多个构件的位置或相对位置与时间的 关系是确定的，其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，通过已经确定的构件位置 或相对位置与时间的关系，来建立所求构件的位置非线性方程组、速度和加速度的非线性 方程组，从而确定所求构件的位置、速度和加速度随时间的变化关系。二是系统的静力学 分析，在系统受到静载荷时，求解在运动副制约下的系统的平衡位置以及各运动副的静反 力，主要是分析在各种力的作用下，各构件的受力情况和强度、刚度问题。三是系统的动 力学分析，主要是研究系统所受载荷和系统运动的关系【l 到。 目前国外的汽车厂商及零部件供应商( 欧美、日本等国) ，将数字化虚拟样机技术广 泛应用于汽车新产品开发过程的始末，以提高产品设计和制造质量、严格控制研发成本、 缩短新产品上市周期等方面为出发点，借助虚拟样机技术，成功的完成了新产品设计研发 任务。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的深入应用，计算机仿真分析技术近年来的发展 速度也日趋加快，目前许多国内外知名的汽车制造机构己完成了构建数字化虚拟样机技术 的新产品开发环境，使得新产品开发的全过程实现了数字化。数字化虚拟样机技术的核心 和关键技术是系统动力学仿真。车辆系统动力学包含于多体系统动力学系统，许多国外的 汽车企业大都己经全面应用多体系统动力学分析软件来进行车辆系统动力学的仿真分析， 通过应用系统仿真的原理，将设计一新产品试制一样机试验一修正设计一再试验一再设计 的设计理念成功的转变为设计一虚拟样机仿真试验一修正设计上来，这样就可以充分利 用数字化虚拟样机技术在设计初期解决了许多设计中存在的问题，是产品设计过程得以顺 利进行。多体动力学仿真分析目前可以集机械、弹性体、液压、控制系统于一体，广泛应 用于汽车新产品开发过程中的方方面面，并且日趋成熟。 多体系统动力学的发展始于2 0 世纪六十年代，通过计算机技术与刚体力学、分析力 学的结合，多体系统动力学应运而生。在多体系统动力学产生之初，它的目标就很明确： 通过建立基于复杂系统运动学和动力学方程的数学模型，并行开发构建该数学模型的计 算机软件系统，将描述系统运动的基本数据输入该计算机系统，则通过计算机的计算便能 进行程式化的处理；通过开发有效的计算方法和数值积分方法来处理系统数学模型，并 且得到系统的运动学规律和动力学响应结果；实现有效的数据结果后处理，为研究人员 提供通过动画、图形或者图表等方式显示的数据处理结果【1 3 】。 目前多体系统动力学已经形成了比较系统的研究方法，其中主要以拉格朗日方程分析 力学方法、牛顿一欧拉方程矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等应用最为广泛。 由于多体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉格朗日坐标比较 困难，而采用不独立的广义笛卡儿坐标就比较方便，对于处理具有多余坐标的完整或非完 整的约束系统，用带乘子的拉式方程处理就很合乎要求。导出的以笛卡儿广义坐标为变量 的动力学约束方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，而且需要补充广义坐标代 数约束方程才能封闭。切斯等人通过采用稀疏矩阵技术和成功应用吉尔的刚性积分算法来 提高计算效率，并且编制了a d a m s ( a u t o m 撕cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 程 序；豪格等人通过研究奇异值分解、广义坐标分类等算法，编制了d a d s ( d y n a m i c a n a l y s i s 武汉科技大学硕士学位论文第8 页 a n dd e s i g ns y s t e m ) 程序。m s c a d a m s 和d a d s 作为多体系统动力学仿真分析软件的代 表应用十分广泛。罗伯森和维藤伯格等人创造性的把图论方法引入多体系统动力学系统， 通过利用图论的数学工具和基本概念来描述机械系统各机构之间的结构特征，使用图论工 具可以使各种不同结构特征的系统能够用统一的数学模型来表达，以相邻机构之间的相对 位移作为广义坐标建立多体系统动力学的一般方程，编制了m e s a v e r d e 程序。s c h i e h l e l l 等人通过采用牛顿一欧拉方法建立多体系统的数学模型。由于多体系统的各个机构比较 多，机构之间的连接方式和约束方式变的异常复杂，当对单个机构列出牛顿一欧拉方程时， 铰约束力的出现使的未知变量的数目大大增多，为了很好的解决这一问题，并且建立便于 计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的方程，s c h i e h l e n 等人通过列出牛顿一欧拉方 程，将不独立的广义笛卡儿坐标变换成独立变量，用达伦贝尔原理消除完整约束系统的约 束反力，用j o r d a n 原理消除非完整约束系统的约束反力，从而得到与系统自由度数目一致 的多体系统动力学方程，编制了n e w e u l 程序【1 4 】。 三维计算机图形显示技术和基于图形的用户界面技术的成熟为虚拟样机技术的发展 奠定了坚实的基础，虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，但是没 有三维计算机图形显示技术和基于图形的用户界面技术作支撑，虚拟样机技术也无从谈 起；虚拟样机技术的发展与计算机辅助设计技术的普及应用是分不开的。计算机辅助设计 中的三维几何建模技术能够充分发挥设计师的想象力和创造力，使设计师不必把精力耗费 在繁琐的绘图上面，使得设计师能够将注意力放在产品的优化设计方面，节约大量的产品 开发时间；三维造型技术的应用使得描述虚拟样机技术中的机械系统问题变得简便；计算 机辅助设计中可以方便快捷的编辑修改几何模型，可以快速修改机械系统设计过程中产生 的问题。虚拟样机技术的发展也摆脱不了对计算机硬件的依赖，数值计算分析方法的深入 研究也对多体系统动力学仿真的速度及精确度有积极深远的影响。 虚拟样机技术是多种计算分析技术相结合的产物，它的核心依然是多体系统运动学与 动力学建模理论及其技术实现，数值分析的计算方法为其提供了求解多体系统动力学问题 的行之有效的计算方法，c a d 、f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的广泛应用提供了技术 环境。 2 1 3 虚拟装配技术和静、动态干涉检查的发展状况 汽车悬架系统运动学的发展离不开虚拟装配技术和干涉检查技术的发展。 作为虚拟制造技术的一个重要组成部分，虚拟装配技术实际上是在计算机上反映实际 装配过程的本质。通过虚拟装配技术的应用，可以在产品开发过程中解决设计与装配过程 中的一些难以实现的动态检测功能。虚拟装配的特点就是通过计算机的虚拟仿真来反映装 配的本质。虚拟装配设计的过程是先建立各零部件子系统的装配模型，然后把不 件组装在一起，完成一个虚拟物理样机的建模过程。最基本的是通过定义各零部 之间的相对位置关系和约束关系，进而对各零部件子系统之间进行静、动态干涉 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 便及时发现零部件的设计缺陷，可以方便的进行设计修改，并完成该装配样机的动态模拟 检测工作 1 5 】。由此可以看出，虚拟装配技术的有效实现有利于产品零部件虚拟设计和虚拟 分析的进行，有利于解决从零部件设计到生产全过程所出现的相关技术问题，以达到缩短 产品开发周期，降低生产成本以及优化产品性能的目的。 随着虚拟装配技术的发展和广阔的应用前景，国内外的各个科研机构、企业和大学都 纷纷加入到研究虚拟装配技术的行列中来。虚拟装配技术在发达国家的应用研究已经很普 遍和深入。具有代表性的是美国的波音公司，波音7 7 7 飞机成功应用了虚拟装配技术，将 包含3 0 0 多万个零部件的数字样机装配起来，设计人员和工程师们可以多视角随意审视这 个虚拟模型机，并可轻松的调出其中的任何一个零件，进而方便的完成飞机的各项修改设 计任务。华盛顿州立大学和美国国家标准技术研究所共同合作开发的虚拟装配设计环境 ( 山e ) ，通过构建一个装配与评价规划的虚拟环境来探索在产品设计和制造过程中运用 虚拟装配环境的潜在技术可能性。h e r i o t - w a t t 大学的机械工程系和化学工程系合作完成了 两个关于虚拟装配设计的项目任务，一是利用虚拟装配环境对电缆的连接进行设计和规 划；二是利用虚拟装配环境来得到用于装配规划的知识系统，并成功开发了一个虚拟装配 规划系统u v a v u 。日本n a b e 等开发了机械系统零部件装配性能验证和装配机械的可视 化系统，设计人员可以在虚拟的环境中对机械系统进行装配分析和性能评价【l 5 1 。 卜； 国内对虚拟制造技术的应用研究与国外发达国家相比，由于起步较晚，还存在一定差 距。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实研究的机构，并实现了分布式的 虚拟环境网络设计。上海交通大学建立了分布式虚拟制造系统的框架体系( d v m s ) 。西安 飞机制造公司研制的数字化产品设计制造系统能够完成产品零部件的三维模型设计，数字 化预装配设计和空间检查等功能。浙江大学c a d & c g 国家重点实验室所设计的虚拟装配 设计系统( v d v a s ) ，成功实现了在同一虚拟环境中对尚未满足装配条件的零部件几何特 征的修改，解决了虚拟环境与c a d 系统间进行数据转换和传输的难题，提高了系统的可 稳定性。将虚拟装配设计环境成功的应用于汽车和航空航天等各个领域，取得了一定的经 济和社会效益。 作为虚拟制造技术的另一个重要组成部分，碰撞干涉检查也是虚拟装配技术所研究的 重要内容和关键技术。求交和测试问题是干涉检查的根本，如何减少计算量和提高计算精 度是干涉检查的关键所在。许多国内外的学者都对干涉问题进行了详细而深入的研究，并 提出了多种分析研究方法。y o u n 和w o h n 提出用“分层描述”的方法来简化物体的碰撞检 测，通过列出最有可能发生碰撞的接触点清单，从而判断在这些接触点之内的形体是否发 生碰撞。c o h e n 等人应用该算法进行交互环境的实时精确碰撞检测，采用一个两级的碰撞 检测系统来进行物体间距的精确计算。何为平、王佑君提出一个用匀速直线运动的多面体 在时间和空间的d 维直线来求交的干涉检测算法，其检测效果与静态物体的干涉情况相一 致。在基于线性姿态运动的多面体连续时间干涉检测算法的基础上，又提出了将复杂运动 按一定的允差划分为分段线性姿态运动的算法和线性姿态运动的均匀插补算法。m o o r e 、 w i l h e l e m s 根据c y r u s b e c k 裁剪算法提出一种凸多面体碰撞检测算法，即通过检测多面体 武汉科技大学硕士学位论文第l o 页 顶点是否相互包含来判定它们是否发生碰撞。b a r a f f , h c r z c n 等人提出了基于参数曲面的 几何碰撞检测算法。a l o n s o 、s e r r a n o 、f l a q u e r 等采用定义碰撞影响矩阵及体元的数据结构 等一些优化策略来加快碰撞检测【1 6 1 。王兆其、赵沁平等提出了计算凸多面体间碰撞点的算 法，当在虚拟环境中检测到碰撞时，在两个物体碰撞之前快速计算出其准确碰撞时间，并 计算出其碰撞点。任世军等提出另一种判断两个凸多面体是否相交的算法，利用一个多面 体指向另一个多面体的某一向量，根据这一向量于两个多面体中的面的相对位置关系来确 定相交的平面，若能找到一个相交平面则可以判定两个多面体相交。 由此可以看出关于干涉检查的研究主要集中于如何提高检测效率和减少计算量上。 2 1 4 虚拟样机技术的主要内容和关键技术 r o b e r tr r y a n 对虚拟样机技术作出如下界定：虚拟样机技术是面向系统设计的、应用 于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三个 方面内容【1 7 】。数字化物理样机对应于产品的装配过程，可以快速评估产