多学科领域仿真软件

1、多学科领域仿真软件一SimulationX软件在 车辆工程领域的应用研究现状分析曹陈明，汪添(南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏南京210037)摘要：利用多学科多领域的SimulationX软件对重型载货汽车的各部件、总成的建模原理进行分析， 对它的发动机、离合器、变速箱、车桥、悬架以及车轮进行二维的建模研究，并对其进行简单的三 维研究。关键词：重型载货汽车；SimulationX软件；建模研究；二维模型；三维模型。A multidisciplinary field simulation software-the present situation analysisof Simulatio

2、nX software application in the field of vehicle engineeringresearchAbstract: This subject mainly for heavy duty truck parts, assembly modeling principle is analyzed, using multidisciplinary SimulationX software in many areas, for its engine, clutch, gearbox axle, wheel suspension and two-dimensional

3、 modeling study, and carries on the simple 3 d research.Keywords: Heavy Truck； SimulationX Software； Modeling Study ； 2D Model； 3D Model.一、引言汽车的出现带动了人类文明和经济的迅速发展。汽车工业以其产业链长、辐射面广的特 点，成为了国民经济的支柱产业。如今，全世界的汽车保有量超过10亿辆，而且汽车还在以 每年几千万辆的速度增长，其中重型载货汽车的比重也在逐年增长，而由重型载货汽车所引 起的公路破坏问题也越来越严重。为了克服上述问题，适应日益复杂的现代产品设计

4、要求，满足多领域(multidomain)、 多学科(multidisciplinary)的交叉融合仿真，推出了一系列的建模与仿真软件，主要有美国的 MATLAB/Simulink、法国的AMESim和德国的SimulationX等。其中由德国ITI公司2003年 发布的SimulationX软件在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模和仿真，它主要 用在机械、液气动、热、电和磁等物理领域，也用于机电系统设计、机器人及控制系统优化、 发动机和车辆冷却系统、电磁液驱动机构的设计等等。不同领域的模块之间直观的物理连接 方式使得SimulationX成为多学科领域系统工程建模和仿真的理想环境，

5、它具有较完善的动力 源库和传动系统库，可方便整车模型的建立。随着SimulationX软件研发的深入，SimulationX 软件的用户将遍及各个科技领域，它已经成为了多领域建模与仿真的标准，并在汽车行业得 到广泛应用。二、SimulationX软件介绍SimulationX软件是典型的多学科领域建模仿真软件。2003年德国ITI公司发布 SimulationXl.1版本，依靠其实现的多学科领域的建模和仿真，SimulationX软件在建模与仿真 这块领域逐渐占据主要地位。SimulationX软件不管是横向的还是纵向的，它支持全部的设计 流程，它将不同的子模型建模和仿真在一个环境下，进行复杂

6、广泛的系统仿真。SimulationX 统一了不同层次的建模概念，一方面能够用学科库的标准元件有效迅速的创建模型，另一方 面用户可以创建自定义元件3 SimulationX实现了大量的符号解析和数值方法，它表现出了较 强的计算功能。SimulationX还包括了CVODE求解方法，这种求解器不仅可以节省计算时间， 还可以在运行之前让模型和求解器独立编译，从而提高了计算性能。根据学科库的不同，SimulationX软件包含的功能模块如表2.1所示表2.1 SimulationX中的功能模块软件模块内容基本模块和计算建模和仿真平台；COM接口；打印驱动；时域瞬态仿真；频域稳态仿真机械库一维转动分析

7、；一维平动分析；与ANSYS接口基于模态分析；多体动力库，包括三维物体的导入和3D动画子库、杆梁；弹性体、接触模块信号（控制）库普通信号库；信号源库；线性信号库；非线性信号库；时间离散信号库；特殊 信号库；开关库动力传动库发动机库；联轴器和离合器库；变速器库；行星轮库；内燃发动机库；换挡执 行机构库；考虑摩擦和齿啮合接触的同步器库机电库，电学库，磁库电机库；电学库；磁库流体库，热力学库流体库；气体库；热力学库海洋工程库海洋液压及管道库分析功能平衡计算：静态分析和稳态分析；变量分析；线性系统分析；阶次分析接口数据库连接器；FEMA接口等代码输出C代码输出；通过S函数和Matlab接口联合仿真联合

8、仿真接口三、重型载货汽车二维建模研究汽车动力传动部分主要包括：发动机，离合器，变速器，差速器以及车轮，通常重型载 货汽车均使用柴油发动机，多档位的变速器，多轴以及非独立悬架。本文主要介绍了重型载 货汽车各部件的功用与组成，借助SimulationX软件环境下机械传动部件，分别对发动机、离 合器、变速箱、车桥、悬架以及车轮进行了结构建模。发动机根据其相关参数直接采用了库中的理论模型；离合器模型根据其功用采用了双盘 离合器，采用了库中盘式离合器的模型；变速箱根据每档的传动比，则选用了简易齿轮模型; 车桥与悬架的建模则是将它们的主要组成表现出来；车轮的建模则采用了轮胎与地面接触的 模型。最后对重型载

9、货汽车的整车进行了建模。3.1重载型货车及其相关参数重型载货汽车是指在公路上运行时最大总质量超过14t载货汽车。从载货汽车行业内部的 产品结构上看，我国的载货汽车曾一度以中型载货汽车为主，“缺重少轻”。近年来，这种 状况正在改变，总的趋势是轻型载货汽车的产量已大大超过中型载货汽车的产量，重型载货 汽车产量所占比例也在逐步增大，而且重型载货汽车也越来越受到生产企业和行业的重视。本文主要研究的是四轴重型载货汽车，所选车辆的整车型号为NXG1315DPL1，该车的主 要参数见表3.1。表3.1重型载货汽车相关参数整车型号NXG1315DPL1驱动形式8x4主要部件发动机型号YC6A260-33变速箱

10、型号8JS118驾驶室高/平顶轮胎规格10.00-20前桥153双后桥153双重量整备质量（kg）14760额定载质（kg）10040最大总质量（kg）30995尺寸参数总长（mm）9510,9710总宽（mm）2595总高（mm）3300轴距（mm）1900+3450+1300车厢内部尺寸长X宽乂高（mm）6500 x2300 x1340轮胎11.00-20以下将利用以上主要数据，基于SimulationX软件研究重型载货汽车的建模问题。3.2发动机模型构建与分析本文所选车辆的发动机的型号为YC6A260-33，其具体参数如表3.2所示。表3.2发动机YC6A260-33相关参数燃料种类柴油

11、额定功率转速2300RPM汽缸数6最大输出功率191kw排量7.255L最大扭矩260N.m最大马力260打开 SimulationX 软件学科库中的 Power Transmission/Motors and Engines 选项，选择Combustion Engine，单击它，将其拖至结构视图区域，它即为一四缸四冲程内燃机模型，它是一个理论实验的模型，如图3.3所示。该发动机可以根据需要设定其缸数，额定功率和额定转 速，而发动机模型通过输入节气门信号控制，其值在01之间（0表示节气门关闭，1表示节 气门全开）。图3.3发动机模型，对其名称以及各项参数进行设置，其设置如图3.4所示。图3.4

12、参数设置对话框3.3离合器模型的建立与分析离合器是汽车传动系统中直接与发动机相联系的部件，离合器主要由主动部分（飞轮、 离合器盖、压盘）、从动部分（摩擦片）、压紧机构（膜片弹簧）和操纵机构（分离叉、分 离轴承、离合器踏板、传动部件）四部分组成。主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于 接合状态并能传递动力的基本结构，而操作机构主要使离合器分离的装置。本文所用离合器为双盘离合器，故打开SinulationX软件学科库中的Power Transmission/Coupling and Cluthes选项，直接选择Disc Clutch，将其拖到结构视图区域，其模 型如图3.5所示。图3.5离合器结构

13、模型双击离合器的模型，对其各项参数进行设置，其设置如图3.6所示。图3.6参数设置对话框3.4变速器模型建立与分析本文所选变速器的型号为8JS118,如图3.7所示，其具体参数如表3.2所示。图3.7 8JS118变速器表3.3变速器8JS118相关参数变速器档位数85档传动比2.731档传动比10.316档传动比1.942档传动比7.337档传动比1.353档传动比5.098档传动比14档传动比3.77在SimulationX软件的学科库中主要有两种齿轮啮合模型，如图3.8, 3.9所示，前者是一种理论的齿轮啮合模型，它仅仅只要考虑了啮合的传动比，输入、输出均为扭矩和转速。后者 是一种物理齿

14、轮啮合模型，它需要考虑到齿轮的各项参数，如齿数、压力角、齿轮模数等。图3.8齿轮啮合模型图3.9物理齿轮啮合模型本文的变速器为8档位的变速器，不考虑变速器中主副齿轮的模数以及同步器的各项参 数，仅考虑其每个档位的传动比，即主要利用理论的齿轮啮合模型来建模。即打开SimulationX软件学科库中 的Mechanics/Rotational Mechanics选项，选择Transmission，将其拖至结构视图区域，如图3.8所示。Parameters中对其传动比进行设置，如图3.10所示。图3.10 “参数”对话框双击变速器，弹出一个对话框，修改变速器的名称为 Gearbox，随后点Param

15、eters，在3.5车桥模型的建立与分析驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬架结构密切相关，它可以分为断开式和非断开式，当 采用独立悬架时，应选用断开式驱动桥；当采用非独立悬架时，则应选用非断开式驱动桥。本文的重型载货汽车采用的是非独立悬架。打开 SimulationX 软件学科库中的 Mechanics-Rotational Mechanics 选项，选择 Transmission,将其拖至结构视图区域，双击它改变它的名称为Final drive，然后点击学科库中PowerTransmission-Transmission Elements,选 择 Differential Gearbox，接着选

16、择学科库中 PowerTransmission-Transmission Elements 中的Wheel Ground Contact，将其拖至结构视图区域，并重复两次操作，最后将所有的元件如图3.11所示连接起来，构建了一个车桥的结构模型。图3.11车桥的结构模型3.6悬架模型建立与分析汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。本文我们采用非独立悬架。打开SimulationX软件学科库中的Mechanics/Rotational Mechanics选项，找到Transmission, 将其拖至结构视图区域，然后点击学科库中Power Transmission/Transmission

17、Elements，选择 Differential Gearbox，接着选择学科库中Power Transmission/Transmission Elements中 的Wheel Ground Contact，将其拖至结构视图区域，重复操作两次，最后找到Mechanics/Linear Mechanics 中的Spring-Damper-Backlash,将其拖至结构视图中，这也重复两次，最后将所有结构视图区域 中的元件如图3.12所示连接起来。图3.12悬架的结构模型3.7车轮模型建立SimulationX软件中有2种轮胎的模型，一种是简易轮胎模型，另一种是轮胎与路面接触模型。简易模型在学科

18、库的 Mechanics-Rotational Mechanics 选项下 的 Rotational-LinearTransformation，如图3.13所示。而轮胎与路面接触模型有2种，一种是在学科库的PowerTransmission/Transmission Elements选项中的Wheel Ground Contact,还有一种是在学科库Power Transmission MBS/Wheels and Tires 中的 Tire Plane Contact,如图 3.14 所示。图3.13简易轮胎模型图3.14轮胎与路面接触模型3.8万向节模型建立在 SimulationX 软件

19、的学习库中的 Power Transmission/Transmission Element 选项中的C ardanShaft即为一个万向节，如图3.15所示。匚 ardan5haft图3.15万向节结构模型最后重型载货汽车的整车结构模型建立如下图3-16。cardanShaftS四、重型载货汽车三维模型建立与分析MBS Mechanics.利用SimulationX软件可以对重型载货汽车进行三 维的建模，本文主要用软件库里MBS Mechanics中的元 件来创建模型。MBS中的元件主要包括8个部分，分别为Animation Bodies、Rigid Bodies、Elastic Bodie

20、s、Joints、Constraints Force Elements、Sensors和Tools，它们各部分包含的元 件有Cuboid、Sphere、Ellipsoid、Cylinder Prism、Beam、 Rigid Link等，如图 4.1 所示。在建三维结构模型时，首先，选择学科库里Power Transmission/Motors and Engines 自 带 的 Combustion Engine , Mechanics/Rotational Mechanics 里 的 Transmission，Power Transmission/Transmission Elements

21、 里的Differential Gearbox这些基本元件，将它们连接起 来，构成重型载货汽车的传动系统中的一部分建模，如 图4.2所示。IJ ftnimation B如f _ Rigid Bodiesg Gerieral Rigid勒 CAD ImportJ Cuboid| Cuboid (Two-Poq SphereJ Ellipsoid.3 日lipsoid (Two-PiiZlinderCylinder (Twa-P ConePrismPrism (Twti-PoinRotational SolidExternal Teeth iInternal Teeth (ILj El技i匚日口如

22、BearnBeanri (Two-PoirJointsRigid Link图 4.1 MBS Mechanics 学科库图4.2重型载货汽车传动系统主要部件选择学科库里 Power Transmission MBS/Wheels and Tires 中的 Tire Plane Contact，作为重型 载货汽车三维建模的车轮模型，由于本文所选的是四轴重型载货汽车，故这种车轮模型需要8 个。其次，选择MBS Mechanics/Rigid BodiesM的Cylinder，选择2个，将其名称分别改为wheel 和rim，将它们与车轮相连接，接着选择MBS Mechanics/Force Elem

23、ents里的Bipolar Spring-Damper，如图4.3所示。其中Wheel的惯性与几何参数的设置如图4.4所示，rim的惯性与几何参数的设置如图4.5所示，再设置车轮与弹性元件在重型载货汽车上的位置，其位置设置 如图4.6、4.7所示，参数设置如图4.8、4.9所示，同上设置8个车轮和弹性元件的位置。3图4.4 Whee l的惯性与几何参数设置框erties - tirePlaneContactl (Model?)Position | Initial Values| Characteristic JParameter | Visualization| Kinematic ResL

24、1 4Reference FrameFrameRehI Predecessor FrameDisplacement效：有匏,5时11勿,5厂mm*Calculation of. Orientation rotSelect:Sequence of AnglesSequence of Angles-psiSequence:(Cardan Angles)Rotation AnglespsiO 3:但，山叶rad图4.6车轮位置设置对话框图4.7弹性元件位置设置对话框S Properties - tirePlaneContactl (Model?)Position Initial ValuesChar

25、acteristicsParameter | Visualization| Kinematic Rest 1 Camber Anglebgamma:*Radiusr:508mmWidthw:279.4mm.Stiffness.k3； 70000,70000,70000N/mDampingb麒2000,2000,2000加浙Rolling Resistance Coefficient mur:0.01|-Rolling Resistance Threshol. veps:0.01m/s：Nominal Wheel LoadFzN:3200NT8图4.9弹性元件参数设置对话框再选择MBS Mech

26、anics/Joints里的Free Motion以及MBS Mechanics/Rigid Bodies里的Prism 和Sphere，将它们三个连接起来，如图4.10所示，并将其放置在三维结构模型的中间位置，点 击Prisms设置重型载货汽车的车身框架，如图4.11所示。freeMotionl prism 1 sphere 14图4.11车身框架设置对话框最后，将所有元件如图4.12所示连接起来，构成了四轴重型载货汽车的三维模型原理图。 做完上述步骤后，通过菜单Window/New 3D View，就可以打开模型的3D视图，如图4.13所示。图4.13重型载货汽车3D视图本文主要利用Sim

27、ulationX软件对重型载货汽车进行整车的三维结构建模，最后通过菜单 下的Window/New 3D ViewM现了模型的3D视图，进一步直观展现了重型载货汽车的三维模 型。springDamper4tirePliieContactfispringDamperSsprinqu-amperb图4.12重型载货汽车三维模型原理图四、总结为了提高物流系统的效率，重型载货汽车在21世纪的品种越来越多，人们纷纷开发出高 质量、高附加值的新型载货车，而这样导致车辆的增加，给各国环保、安全、能源和交通带 来了负面影响，于是也给汽车设计师带来了很大的难题。为此必须在一个统一的环境下建模 与仿真才能得到一个完

28、整的性能分析结果。本文通过SimulationX软件对重型载货汽车的各个 关键部件进行了建模研究，所取得的研究成果如下：（1）利用SimulationX软件建立了重型载货汽车的各部分的二维结构模型，包括发动机、离 合器、变速箱、车桥、悬架系统以及车轮，最后进行了整车建模；（2）利用SimulationX软件建立了重型载货汽车的三维模型原理图，并用该软件展现了它的 3D视图。参考文献：汪卫东.国际载货车行业的竞争及技术发展趋势J.重型汽车，2006（3）： 9-12童颖华，张新堂，杨聪.我国重型载货汽车政策解析及建议J.专用汽车，2012（2）： 31-33刘宝生.SimulatianX多学科建模和仿真工具J. CAD/CAM与制造业信息化，2009（9）： 34-36龙志军，张晓东，杨志勇.基于SimulatianX微型汽车起步的仿真研究J.拖拉机与农用运输车，2011，38 （5）： 25-31倪金鹏，韩兵.混合动力变速箱液压