（车辆工程专业论文）基于adamscar的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究.pdf

大i 奎理工大学硕士学位论文 摘要 操纵稳定性是汽车的重要使用性能之一，它不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度， 而且也是决定高速汽车行驶安全的一个重要性能，被称为“高速车辆的生命线”。因此 操纵稳定性日益受到人们的重视。但是传统的研究分析方法已无法满足现代汽车的研究 要求，现在虚拟样机技术作为一项新的产业技术，已经开始应用到各个领域。本文正是 利用动力学仿真软件a d a m s 研究探讨悬架系统对操纵稳定性的影响。 本文比较详细的介绍了操纵稳定性的概念、评价指标和评价方法以及目前该领域的 研究现状。并介绍了论文中所使用的a d a m s 软件的主要模块和软件的理论基础。为后 面的建模和仿真分析奠定了基础。 本文首先利用软件专业模块a d a m s c a r 模块分别建立了双横臂式前悬架和麦弗逊 式前悬架模型，并对建立的两种前悬架模型均进行了双轮平行跳动仿真试验，然后利用 a d 舢订s l n s i g h t 模块各自进行了前轮定位参数的优化。通过a 】) a m s ，i n s i g 蛳输出的互动 网页的形式，对前悬架的主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角和车轮前柬角进行优化 分析。比较分析之后选取一种合适的悬架形式来用于整车仿真。在选取的悬架基础上建 立了整车模型，其中包括前悬架系统、后悬架系统、转向系、横向稳定杆、发动机、前 轮胎系统、后轮胎系统和车身系统。对所建立的整车模型进行几种典型的操纵稳定性仿 真试验，对优化前后的仿真数据进行对比分析。然后对几个影响操纵稳定性的主要因素 进行讨论分析，包括质心高度、质心前后位置、前悬架刚度、整车载荷和前后轮胎的侧 偏刚度等参数。研究这些结构参数对整车瞬态响应的影响。 关键词；操纵稳定性；a d a m s c a r ：a d a m $ l m l g h t ；仿真试验；整车模型 基于a d a m s c a r 的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究 r t h er e s e a r c ho f v e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e m sd y n a m i c ss i m u l a t i o nb a s e d o na d a m s c a r 。 a b s t r a c t 1 1 1 eh a n d l i n gs t a b i l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c 船o fv e h i c l e i tc a n i n f l u e n c en o to n l yt h ev e h i c l e sh a n d l i n gc o n v e n i e n c e b u ta l s ot h es a f e t yo fav e h i c l ea ta l l i g hs p e e d , s oi ti sc a l l e d t h el i f e l i n eo f t h ev e h i c l ea th i g h 哪l e e d ，i ti sl a i dm o 糟a n dm o r e e m p h a s i sg r a d u a l l y 耽et r a d i t i o n a lr e s e a r c hm e t h o dc 锄n o tm a t c ht h em o d e mr e q u i r e m e n t o fv e h i c l e s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t , s ov i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e d i ne a c hf i e l d 鹬an e wi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y 1 1 1 i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ho f v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yb a s e do na d a m s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t , e v a l u a t i o ni n d e x , e v m u a t i o nm e t h o da n dt h ep r e s e n t s t a t u so f v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yi nd e t a i l t h e nt h ek e ym o d u l e sa n dt h e 曲s t r a c tf o u n d a t i o n o fa d a m sa r ei n t r o d u c e d , w h i c hw i l lb eu s e di nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s t h e s et h e o r i e sa r e t h eb a s eo f t h es u b s e q u e n tm o d e lb u i l d i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i s a tf i r s tt h ed o u b l e - w i s h b o n ef r o n ts u s p e n s i o na n dm a c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o nm o d e li s b u i l ti nt h em o d u l eo fa d a m s c a ri nt h ep a p e r , a n dt h ep a r a l l e lt r a v e ls i m u l a 矗o no ff r o n t s u s p e n s i o ni sp e r f o r m e d t h e nt h ef r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e db yu s i n g a d a m s i n s i g h tm o d u l e t h r o u g ht h ew e b p a g eo fa d a m s i n s i g h tt h ed a t ao fk i n g p i n i n c l i n a t i o n , c a s t e r , c a m p e ra n dt h et o ea n g l ea r eo p t t m i z e d t h e nt h ep r o p e rs u s p e n s i o ni s c h o s e nb yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt h ef r o n ts u s p e n s i o np a r a m e t e r so p t i m i z e d , t h e 彻lv e h i c l ea s s e m b l yi sb u i l t , i n c l u d i n gf r o ms u s p e n s i o n , r e l a l s u s p e n s i o n , s t e e r i n gs y s t e m , s t a b i l i z e rb a r , e n g i n e ，f r o n t w h e e l ，r e a rw h e e la n db o d ys u b s y s t e m s s e v e r a lt y p i c a ih a n d l i n gs t a b i l i t ys i m u l a t i o n sa r e e a r r i e do n t h e nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nb e f o r ea n da f t e rt h eo p t i l n i z 鲥o na r ec o m p a r e d a l s os e v e r a lm a i nf a c t o r sw h i c hm a ya f f e c to nh a n d l i n gs t a b i l i t ya r ed i s c u s s e di no r d e rt o s t u d yt h er u l eo fv e h i c l ep a r a m e t e r sa f f e c t i n go nt r a n s i e n tr e s p o n s e , i n c l u d i n gn l a s sg r a v i t y c e n t e rh e i g h t , t h el o c a t i o no fc e n t e ro fm a s s 。f r o n ts u s p e n s i o ns t i f f n e s s ，t h el o a da n dt i r e c o r n e r i n gs t i f f n e s s k e yw o r d s ：h a n d l i n gs t a b i l i t y ；a d a m s c a r ；a d a m s i n s i g h t ；s i m u l a t i o n ；f u l lv e h i c l e a s s e m b l y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；逊日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 立丝缢 盟年么月卫日 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着当今世界汽车工业的迅猛发展和人们消费水平的日益提高，汽车已经成为人们 日常生活和工农业生产中不可缺少的重要交通运输工具。随着汽车的日渐普及，人们对 汽车的安全性、行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性的要求越来越高。对于这些要求， 只有通过对汽车系统动力学的深入研究才能实现。然而汽车作为一个复杂的多体系统， 外界载荷复杂多变，人、车和外界环境相互作用，使得汽车动力学模型的建立、分析、 求解始终是一个难题。按照传统的方法，需要进行反复的样车试制、道路模拟试验和整 车的性能试验。这样不仅需要很长的周期，而且需要花费大量的人力、物力、财力，且 有的试验由于具有危险性而难以迸行。同时，在当前全球制造企业竞争日趋激烈的情况 下，各汽车生产企业要想赢得竞争，就应在满足客户对汽车整体性能要求不断提高的前 提下，还要尽量缩短设计周期，节省设计经费，而传统的方法已无法满足上述新的变化 和发展要求。 随着理论研究的发展和计算机技术的进步，虚拟样机技术应运而生。基于多体动力 学理论的虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，它可以在各种虚拟环境中真 实的模拟产品整体的运动及受力情况等，快速分析多种设计方案。使用虚拟样机技术， 不但可以缩短开发周期，而且大大提高了设计质量i l 】。它可以有效地将三维实体模型及 应用有限元f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 软件描述的零部件模态有机地结合起来，准确 的预测机械系统在虚拟实验室、虚拟场地上进行的各种模拟试验的性能1 2 1 。在这一领域 美国m s c 公司的a d a m s 软件是目前世界上市场占有率最高的机械系统动力学仿真软 件。 1 2 课题的意义和研究内容 汽车的操纵稳定性是关系到汽车行驶安全的重要因素之一，研究操纵稳定性的目的 在于改善汽车的运动性能，减少由此引发的交通事故。对操纵稳定性的研究通常采用试 验方法和仿真分析的方法。由于仿真分析需要的时间短，可重复进行，对各种方案可以 迸行快速优化对比，并且可实现试验条件下不能进行的严酷工况分析。因此被曰益广泛 采用。机械系统动力学仿真软件a d a m s ，特别是专门用于汽车动力学分析的 a d a m s c a r 专用模块，极大地方便了汽车设计人员的工作。 本文首先利用a d a m s c a r 模块分别建立了双横臂式前悬架和麦弗逊式前悬架模 型，通过仿真分析，对两者的前轮定位参数各自进行了优化。优化后对比分析，选取一 基于a d a m s c a r 的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究 种合适的悬架类型来进行整车仿真。在选取的悬架基础上建立了整车模型，对整车模型 进行几种典型的操纵稳定性仿真试验，并对比前悬架优化前后的仿真结果。最后对几个 影响操纵稳定性的因素通过仿真结果进行讨论分析。 具体内容如下： ( 1 ) 在a d a m s c a r 中建立包含转向系的双横臂式前悬架和麦弗逊式前悬架模型， 并对两者均进行双轮平行跳动5 0 m m 的仿真试验，取双横臂悬架的八个硬点 的2 4 个坐标值和麦弗逊悬架的六个硬点的1 8 个坐标值在i n s i g h t 模块中迭代 计算，通过修改硬点坐标值对前轮定位参数进行优化。然后比较分析优化结 果，选取一种合适的悬架形式来进行整车仿真。 ( 2 ) 建立起包含前后悬架系统、转向系、发动机、前横向稳定杼、前后轮胎和车 身的整车模型，利用编辑的仿真控制文件，对整车模型进行几种典型的操纵 稳定性仿真试验，并对比前悬架优化前后的仿真结果。 ( 3 ) 选取质心高度、质心前后位置、前悬架刚度、整车载荷和前后轮胎的侧偏刚 度等几个汽车结构参数，改变这几个参数的值，通过整车仿真对比来分析它 们对汽车瞬态响应的影响。 大连理工大学硕士学位论文 第二章国内外汽车操纵稳定性研究的现状与趋势 2 1 汽车操纵稳定性的基本概念 汽车操纵稳定性是汽车的重要性能之一，它是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的 条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇到外界干 扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。通常认为由相互联系的两部分组成：一 是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切的响应驾驶员转向指令的能力。稳定 性是指汽车受到外界扰动( 路面扰动和突然阵风扰动) 后恢复原来运动状态的能力。两 者很难断然分开。稳定性好坏直接影响操纵性好坏。因此通常统称为操纵稳定性p 】。 操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶 的一个主要性能，所以被称为“高速车辆的生命线”【4 】。随着道路条件的不断改善，汽 车在公路上的行驶速度也不断提高。因此汽车的高速操纵稳定性日益受到人们的重视， 如何研究和评价汽车的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性也成为一个重要的课 题。 2 2 操纵稳定性的研究历史与现状 汽车操纵稳定性的研究，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的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、大客车和载重汽车上也都不同程度地出现了类似的问题。 操纵稳定性不好的汽车通常会有“飘”、“反应迟钝”、“晃”、“丧失路感”和“失 去控制”等现象【5 】。 在国外，二十世纪三十年代才开始对汽车的操纵稳定性进行系统的研究。并取得了 不少有价值的研究成果。1 9 2 5 年法国工程师乔治布劳海特发现了轮胎侧偏现象。同时， 这一年也建立起了驱动力学的普遍原理。但由于缺乏对轮胎产生的横向力的理解，此项 理论一直没有得到全面的应用。1 9 3 5 年e v a n s 给出了有关轮胎力学特性较为深入的结果 嘲，包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。 随后的几年里，汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念，如不足转向、过度转 向、临界车速等已被汽车工程师们所熟悉。英国的l a n c h e s t e r 【”、法国的b r o u l h e i t t s j 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。 并且人们开始认识到了轮胎侧向力学的重要性。 基于a d a m s c a r 的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究 1 9 3 4 年o l i o y 首先提出车速是一个关键因烈9 1 。固特异轮胎公司根据他们的研究成 果，进行了转鼓实验，研究了轮胎特性。1 9 3 5 年，e v a n s 发表了关于轮胎横向特性的文 章，并给出了转向力和回正力矩【1 0 】。 1 9 5 6 年，c o r n d la e r o n a u t i c a l 实验室的w i l l i a mf m i l l i k e n ，d a v i dw w h i t c o m b 和 l e o n a r ds e g d 发表了一套较为完整的关于车辆操纵稳定性的理论和定量分析的文章 u “1 3 】。其中很多的理论到现在仍被引用。在w h i t c o m b 的文章中，他利用两自由度模型 得出了一系列汽车稳定性和操纵性方面的结论。由于不考虑侧倾自由度，w h i t c o m b 把 汽车简化成了相当于自行车的两自由度模型，研究了两自由度模型的稳态响应和瞬态响 应。在研究汽车横摆响应时，引入了稳定性因数k 的概念。 在二十世纪6 0 年代以前，对操纵稳定性的研究主要以开环研究为主，所谓开环研 究就是把汽车作为一个开环控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应和频率响应特性， 对系统进行稳态和瞬态分析，用横摆角速度频率响应特性、方向盘转角阶跃输入下的稳 态响应、方向盘转角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过度转向特性等来表征汽 车的特性。按照这种方法研究汽车操纵稳定性，需要建立精确的汽车动力学模型。之前 的开环研究取得了许多的研究成果，详细讨论了汽车的不足转向和过度转向特性；分析 了保持汽车行驶方向的稳定性条件是临界车速必须大于汽车最高车速等。其应用的基础 是经典控制理论，依据汽车的稳态和瞬态分析，使用不足过度转向特性和转向输入的 阶跃响应特性，来对汽车的操纵稳定性进行评价。 m a r t i ng o l a n d 和f r e d e r i c kj i n d r a 在1 9 6 1 年发表的文章中用两个自由度的模型研究 了四轮汽车的操纵性和稳定性。他将侧倾自由度用作用于轮胎上的垂直载荷来近似模 拟，考虑了轮荷转移效应，并分析轮胎的力学特性随着车轮载荷的变化而改变。结果表 明操纵稳定性随着质心的变化而变化，并且轮胎压力和轮胎宽度都在改变。 1 9 6 7 年，通用公司的r t h o m a s b u n d o r f 在文章中讨论了汽车参数设计和不足转向 以及特征车速的关系，并提出如何预测和实际测量车辆的不足转向特性。他指出特征车 速是线性模型的产物；在正常行驶条件下( 横向加速度小于1 3 9 ) ，车辆可由线性模 型模拟，并且需要建立大直径侧滑试验场来测量特征车速。b u n d o r f 还推导出了在给定 设计参数下预测特征车速的表达式。 在日本，自从近藤提出了关于驾驶员对车辆操纵动作的基本观点以来，藤井、井口、 三川等人的研究中采用了各种传递函数来描述驾驶员的操纵和汽车的运动。因为有精确 的数学模型，能够得出精确的数字解，这些研究工作对车辆的设计、分析和评价车辆性 能是很有价值的。电子计算机的发展和对轮胎侧偏特性的深入研究，使得已经有可能对 大连理工大学硕士学位论文 汽车的动态响应做出相当全面而逼真的仿真，人们提出了自由度越来越多的数学力学模 型，同时也提出了各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性。 七十年代初期，e v s 研究计划开始实施，促使人们去研究实用的操纵稳定性设计方 法。鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度的水平，各国研究人员 主要采用系统工程学的方法去探索操纵稳定性的评价方法。依据大量的试验与理论分 析，首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许范 围或极限，对操纵性进行了客观评价。从七十年代开始，计算机技术迅猛发展，操纵稳 定性的研究和计算机紧密地结合起来，车辆仿真模型变得更加复杂和真实，对操纵稳定 性的研究也更加逼真。先期的仿真工作都在模拟计算机上进行，它能解决实时动力学问 题，但其致命缺点是不能解决非线性问题。7 0 年代早期，工程师设计了在数字和模拟联 合计算机上运行的代码，使车辆动力学模型既可实时仿真又可包含非线性因素。具有代 表性的工程师有m u r p p h y ”1 、t i f f a n y “、h i c k n e r 【1 7 o 七十年代中期以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯性能和转向轻便性 等特性的感觉，进行主观评价。主观评价方法虽然没有经过理论推导，但是由于考虑了 驾驶员因素和道路环境的特点【”】，所以在一定程度上体现了闭环设计的思想。但由于对 汽车的瞬态响应等特性的主、客观评价不一致，难以有效地设计汽车的操纵稳定性。， 八十年代初，人们从理论和试验两方面入手，重新开始深入研究人一车闭环系统。 在理论方面，充分地考虑到人的学习性和适应性，建立了许多确定性驾驶员方向控制模 型，有效地仿真了人一车闭环系统对给定路径的跟随过程。在试验方面，考虑到驾驶员 模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求以及安全试验设计方法只能在样 车试制后采用并受自然条件限制等缺陷，研制了开发型驾驶模拟器。这种驾驶模拟器 采用先进的实时仿真、数字成像、液压控制等技术，将真实的人和模型化的汽车相结合， 通过室内计算机仿真代替场地试验，缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环 设计要求之间的矛盾。 九十年代以来，利用开发型驾驶模拟器进行人一车闭环系统主动安全性研究，改进 汽车运动性能是国际上近期主要的发展方向之一。1 9 9 1 年日本马白达汽车公司兴建了运 动车型开发型驾驶员模拟器。1 9 9 3 年初，美国福特汽车公司也研制出开发型驾驶员模拟 器。我国吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建设成功的开发型驾驶模拟器也投入使 用，现属世界一流水平。 在我国，汽车操纵稳定性研究始于七十年代。清华大学和长春汽车研究所都同时系 统地开展了这方面研究工作。我国开展汽车操纵稳定性研究的历史虽不太长，但吸取了 国外的研究成果和经验，进展较快。其中，成就最突出的是吉林大学的郭孔辉院士。郭 基于a d a m s c m 的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究 孔辉教授在驾驶员模型、人一车闭环系统特性及人一车闭环系统的定量评价方面做了大 量研究工作【1 9 - 2 0 。他在研究驾驶员一汽车一道路闭环操纵系统模型且考虑了影响汽车操 纵性的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标，并应用频 率统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法，在工程实际中 得到了广泛应用。 2 3 操纵稳定性的评价方法 汽车操纵稳定性的评价方法有两类，即开环评价和闭环评价。按照对控制系统操纵 性、稳态品质和瞬态响应特征的一般性要求，分析和综合汽车运动特性的方法，称为开 环评价。开环评价是把汽车本身看作一个控制系统，利用运动力学和自动控制原理，分 析和研究汽车的运动特性，通过表征汽车的运动特性的响应参数来对汽车的操纵稳定性 进行评价。这种方法是把操纵稳定性作为汽车自身的性能，是一种不包括驾驶员特性的 汽车性能。一般是通过给方向盘一个规则输入，测量汽车的响应参数，并以此作为评价 系统好坏的指标【2 1 1 。 实际上，汽车的性能是通过人的操纵来实现的，驾驶员在汽车操纵中起了相当重要 的作用。因此，要想全面地评价和研究汽车的操纵稳定性，就应该考虑到驾驶员特性与 汽车特性的配合问题。把汽车作为驾驶员汽车闭环系统的控制环节，考查整个系统的 控制成绩和驾驶员的负担等，对汽车的操纵稳定性进行研究和评价，这种评价方法称为 闭环评价。 闭环评价方法中，闭环试验是驾驶员操纵汽车完成一个特定的驾驶任务。如果这个 任务从实际的汽车行驶中选取( 如超车行驶) ，这种评价就比较接近于实际交通情况。 闭环系统既可由客观测量评价，又可进行主观评价，或者主观客观一起评价。汽车的操 纵性总是包含人一车的相互作用，任务行驶正是人一车系统意义上的性能。因此，以此 为基础的评价更为合理、可信。几种常见的、具有代表性的试验评价方法包括：移线试 验( 包括单移线和双移线) 、“蛇行”穿杆试验、转向盘转角阶跃输入试验、转向盘转 角脉冲输入试验、“8 ”字形行驶试验、稳态回转试验，此外还有路扰反应试验和风扰 反应试验等【a 。 我国根据自己的具体情况，制定了适合我国国情的汽车操纵稳定性试验方法，包括 “蛇行”试验、方向盘转角脉冲输入试验、方向盘转角阶跃输入试验、转向回正试验、 转向轻便性试验和稳态回转试验，并且还制定了与操纵稳定性相对应的指标极限值与评 价方法。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 第三章a d a m s 软件介绍 3 1 软件简介 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c sl n c ) 开发的虚拟样机分析软件。 目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。a d a m s 是世界上最 具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。用户使用a d a m s 软件， 可以自动生成包括机一电一液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样 机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、 试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产 品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的【2 ”。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机 械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系 统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、 碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等【2 5 】。 a d a m s 一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。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具， 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 二次开发工具平台。a d a m s 具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强 大的图形显示能力，这使得许多著名大公司都采用它来完成产品辅助设计、研究开发、 质量鉴定等重要工作。国外一些著名大学也都开始了介绍a d a m s 软件的课程，而将三 维c a d 软件，有限元分析软件和虚拟样机软件作为机械类专业学生所必须了解的工具 软件。由此可见，a d a m s 软件具有强大的功能和影响力【2 5 1 。其概括起来主要有以下特 点： ( 1 ) 在多个通用求解器的基础上，提供丰富的样本库、专用模块。特别是为汽车 研发专用人员提供的专用模块，例如：a d a m s c a r 提供汽车动力学分析模 块，a d a m s a n d r o i d 提供人体模型，a d a m s t i r e 提供多种轮胎模型， a d a m s v e h i c l e 提供悬架模型，a d a m s e n g i n e 提供发动机模块， a d a m s h y d r a u l i e 提供液压传动系统建模模块，a d a m s c h a s s i s 提供底盘模 块等，极大地方便了汽车设计阶段的建模与汽车动态仿真分析工作。 ( 2 ) 开放的软件环境为研发人员集成c a d ，c a m c a e 软件、开发用户专用模块提 供了方便。实现了c a d c a m c a e c a c e 设计的一体化。 ( 3 ) 根据工程实际应用，提供功能齐全的工程分析和优化设计功能。 基于a d a m s c a r 的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究 ( 4 ) 提供了实体动画显示功能与运动干涉检查。 3 2a d a m s 模块简介 a d a m s 软件已经有几十年的发展历史， ( 1 ) 核心模块 英文模块名 a d a m s v i e w a d a m s s o l v e r a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 2 ) 功能扩展模块 英文模块名 a d a m s i n s i g h t a d a m s d u r a b i l i t y a d a m s ，、r i b 均a 0 1 1 a d a m s h y d r a u l i c s k q 心瞧s l i n e a r a d a m s a u t of l e x a d a m s a n i m a t i o n ( 3 ) 专业模块 英文模块名 a d a m s c a r d 心娌s c h a s s i s a d a m s a i r c r a f t a d a m s r a i l a d a m s e n g i n e a d 麟r e ( 4 ) 接口模块 英文模块名 a d a m s e x c h a n g e m e c h a n i s m p r o k q 蚰暖s f l e x a d a m s c o n t r o l s c 峨| h d & 、 s ( 5 ) 工具箱 一8 一 功能日益完善。其主要模块包括： 中文模块名 用户界面模块 求解器模块 后处理模块 中文模块名 实验设计与分析模块 可靠性分析模块 振动分析模块 液压模块 系统模态分析模块 通用柔性体自动生成器 高速动画模块 中文模块名 汽车模块 底盘模块 飞机模块 机车模块 发动机模块 轮胎模块 中文模块名 图形接口模块 p r i o e 接口 柔性分析模块 控制接口模块 c a t i a 专业接口模块 大连理工大学硕士学位论文 英文模块名中文模块名 v i r m a lt e s tl a b虚拟试验工具箱 m o d a ls t r e s sr e c o v e r ya n df a t i g u et o o l k i t 模态应力恢复与疲劳工具箱 l e a f s p r i n gt o o l k i t钢板弹簧工具箱 a d a m s f r m c kt o o l k i t卡车工具箱 a d a m s s d k软件开发工具箱 t r a c k e d w h e e l e dv e m d e履带式车辆工具箱 a d a m s g e a rt o o l齿轮传动工具箱 a d a m s m o t o r c y c l et o o l k i t 摩托车工具箱l 冽 a d a m s n i e w ( 基本环境) 、a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o e e s s o r ( 后 处理) 是a d a m s 系列产品中三个核心的模块。在这三个核心模块中，a d a m s v i e w 采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式 图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x y 曲线图处理、结果分析和数据打印 等功能集成在一起 2 7 - 3 0 。 a d a m s v i e w 采用简单的分层方式完成建模工作。采用p a r a s o l i d 内核进行实体建 模，并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、支持 f o r t r a n 7 7 和f o r t r a n 9 0 中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度 函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力，力矩函数、合力，力矩函数、数据元函数、 若干用户子程序函数以及常量和变量等。 自9 0 版后，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) ，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 e e d i t o r ，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 nb u i l d e r 工具包。d s ( 设计研究) 、d o e ( 实验设计) 及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 有自己的高级编程语言，支持命令 行输入命令和c + + 语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修 改工具包，而且具有在线帮助功能。 a d a m s v i e w 新版采用了改进的动画曲线图窗口，能够在同一窗口内同步显示模 型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点一曲线、圆 一曲线、平面一曲线，以及曲线一曲线、实体一实体等碰撞副自动定义接触力；具有实 用的p a r a s o l i d 输入输出功能，可以输入c a d 中生成的p a r a s o l i d 文件，也可以把单个 构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个f a r a s o l i d 文件中；具有 新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件 或约束( 运动副或力) 后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原 版本的2 0 倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器 基于a d a m s c 口的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究 修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具 有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的 位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持w i n d o w sn t 平台 的快速图形加速卡，确保a d a m s v i e w 的用户可以利用高性能o p e n g l 图形卡提高软 件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。 a d a m s s o l v e r 是a d a m s 产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机 械系统模型的动力学方程，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工程应用问题。 a d a m s s o l v e r 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系 统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己 定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不 同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。 a d a m s s o l v e r 新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程度 自动调整参数，仿真计算速度提高了3 0 0 6 ：采用新的s 1 2 型积分器( s t a b n i z o dh d 既2 i n t e r g r a t o r ) ，能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强积分器的鲁棒性，提高 复杂系统的解算速度；采用适用于柔性单元( 梁、衬套、力场、弹簧一阻尼器) 的新算法， 可提高s 1 2 型积分器的求解精度和鲁棒性；可以将样条数据存储成独立文件使之管理更 加方便，并且s p l i 语句适用于各种样条数据文件，样条数据文件子程序还支持用户定 义的数据格式；具有丰富的约束摩擦特性功能，在t r a n s l a t i o n a l ，r e v o l u t e , h o o k s ， c y l i n d r i c a l s p h e r i c a l u n i v e r s a l 等约束中可定义各种摩擦特性。 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。a d a m s p o s t p r o e v s s o r 模块具有相当强的后处理功能，用来输出高性能的动画 和各种数据曲线。既可以在a d a m s v i e w 或a d a m s c a r 环境中运行，也可脱离 a d a m s v i e w 或a d a m s c a r 环境独立运行。 a d a m s p o s t p r o c c s s o r 的主要特点是：采用快速高质量的动画显示，便于从可视化 角度深入理解设计方案的有效性；使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象； 具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；具有灵活多变的窗口风格，支持多窗 口画面分割显示及多页面存储；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件； 具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的数据处理 功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等；为光滑消 隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式；强化了曲线编辑工具栏功能；能支持模态形 状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有：百f ，* j p g ，* b m p ，+ x p m ，+ a v i 1 0 大连理工大学硕士学位论文 等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能；可进行几何属性的细节的动 态演示。 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 的主要功能包括：为用户观察模型的运动提供了所需的环境， 用户可以向前、向后播放动画，随时中断播放动画，而且可以选择最佳观察视角，从而 使用户更容易地完成模型排错任务；为了验证a d a m s 仿真分析结果数据的有效性，可 以输入测试数据，并测试数据与仿真结果数据进行绘图比较，还可对数据结果进行数学 运算、对输出进行统计分析；用户可以对多个模拟结果进行图解比较，选择合理的设计 方案；可以帮助用户再现a d a m s 中的仿真分析结果数据，以提高设计报告的质量；可 以改变图表的形式，也可以添加标题和注释；可以载入实体动画，从而加强仿真分析结 果数据的表达效果；还可以实现在播放三维动画的同时，显示曲线的数据位置，从而可 以观察运动与参数变化的对应关系。 a d a m s c a r ( 轿车模块) 是m d i 公司与a u d i 、b m w 、r e n a u l 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。a d a m s c a r 是一种基于模板的建模和仿真工具，大大加速和简化了建模的步骤。用户只需在模板中 输入必要的数据，就可以快速建造包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制 动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真。 利用a d a m s c a r 的数据库功能，可以有效地选择衬套、限位块、减振器等以装配 各个子系统，节约用户每次重复输入数据的时间。通过高速动画直观地显示在各种试 验工况下整车动力学响应，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。a d a m s c a r 采用的用户化界面是根据汽车工程 师的习惯而专门设计的。工程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 d a m s c a r 中包括整车动力学模块( v e h i c l ed y n a m i c s ) 和悬架设计模块 ( s u s p e n s i o nd e s i g n ) ，其仿真工况包括：方问盘转角阶跃、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等，同时还可以设定试验过程中 的节气门开度、变速器档位等 3 1 - 3 2 】。 a d a m s i n s i g h t ( 试验设计与分析模块) 是基于网页技术的新模块。利用该模块， 工程师可以方便地将仿真试验结果置于i n t r a n e t 或e x a - a n e t 网页上，这样，企业不同部 门的人员( 设计工程师、试验工