基于adamscar的汽车悬架系统_动力学建模与仿真分析毕业设计(编辑修改稿)

基于adamscar的汽车悬架系统_动力学建模与仿真分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性 [5]。 1997年，清华大学的张今越采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统分析软件 ADAMS，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素（橡胶减振元件）对动力学性能的影响。 武汉理工大学的鲍卫宁利用 ADAMS/View 软件，建立了麦弗逊式悬架的 某轿车前悬架的多体动力学模型，并对车轮跳动和转向时，悬架的各种参数的变化进行分析 [6]。 合肥工业大学的王其东博士，进行了不同形式的动力学方程所描述的多体系统响应的灵敏度分析，推导了相应的公式，建立了汽车主要总成的多体动力学模型，并整合整车的多体模型，建立了道路输入模型，进行整车的动力学仿真。 提出了基于动力学仿真的汽车悬架 CAD 的思路，针对具体车型，进行了钢板弹簧的结构改进设计，将改进后的钢板弹簧装车进行了平顺性和操纵稳定性试验。 并将遗传算法的神经网络自适应模糊控制策略应用到汽车半主动悬架的控制中。 上海 交通大学的赵亦希、黄宏成、刘奋以 S 型轿车前悬架系统为实例，利用ADAMS/Car 模块，进行双轮反向激振动力学仿真，仿真结果是各种侧倾特性参数，对照轿车标准系数，对 S 型轿车侧倾的情况有一个全面了解，为设计和优化悬架系统提供了实用高效的方法 [7]。 江苏大学的汤靖、高翔、陆丹以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS/Car 专业模块建立某皮卡车麦弗逊式前悬架多体系统模型，并采用 ADAMS/Insight 模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题。 3 合肥工业大学的乔明侠针对江淮汽车股份有限公司的瑞风商务车，利用多体动力学分析软件 ADAMS 建立了包括车身、前后悬架、转向系统、轮胎、人与椅等系统在内的整车多体模型。 开发了随机路面生成软件和平顺性评价程序。 实现了悬架偏频的仿真测量和不同等级路面、不同车速下随机路面输入的平顺性仿真。 吉林大学的乐升彬以某车的前双横臂独立悬架为研究对象，采用该车的实际结构参数，运用 ADAMS/Car 软件 建立了该车的前悬架子系统、转向系子系统组成的悬架系统模型，应用该模型对该车前独立悬架模型进行了运动学、动力学仿真分析，得出了其车轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角等前轮定位参数、悬架刚度、侧倾刚度、侧倾中心等参数在前轮左右轮心上下跳动时的变化规律。 并且利用前人的经验对这些特性曲线进行分析，发现原悬架存在不合理的地方，并针对存在的问题提出相应的解决方案 [8]。 国内外研究现状分析 ADAMS软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。 基于 ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互联结、彼此能够相对 运动的多体运动系统，其运动学及动力学仿真比以往通常用几个自由度的质量 —— 阻尼刚体（振动）数学模型计算描述更加真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学影响，也比图解法更为直接。 在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，周期长。 运用虚拟样机技术，可以大大简化悬架系统设计开发过程，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，提高产品的系统及性能，获得最优和创新的设计产品。 主要研究内容 本课题的主要任务是基于 ADAMS/Car模块 悬架的建模，然后进行悬架的优化和运动学仿真分析，最后输出仿真分析的结果。 （ 1）关于汽车悬架动力学仿真的基本概述 ； （ 2）基于 ADAMS/Car模块进行悬架的建模； （ 3）具体的动力学分析和仿真； （ 4）输出优化后的仿真结果。 4 第 2 章 悬架系统动力学仿真理论 悬架系统仿真概述 汽车悬架的设计是一个十分复杂的系统工程，它涉及到运动学、动力学、振动等许多方面的知识，需要综合考虑车辆的操纵稳定性、舒适性等多方面的要求，同时还要满足车辆空间布置的要求。 这就对悬架设计人员提出了很高的要求。 而在一个车型的设计过程中，人们往往只关注看得到的部分，例如汽车的车身和内饰等，而对看不见的悬架投入的精力就比较少。 这又要求悬架设计人员在尽可能短的时间内，以尽可能少的花费设计出好的悬架。 另外为了使系统开发出来的悬架系统解决方案能够在实现快速开发的前提下具有较高的水准，有必要借鉴现有的成功车型的经验。 在借 鉴成功经验的基础上，针对具体车型初步给出系统解决方案，然后对之加以分析、改进和优化，检验其是否能够达到设计所追求的指标，最后经过反复修改得到最佳方案，从而达到根据设计要求向用户提出设计参考和建议的目的 [9]。 悬架仿真软件概述 国际各大汽车公司都着力开发了具有自身特色的悬架快速开发系统。 目前国内外工程仿真软件层出不穷，但各仿真软件都有其各自应用的范围，应用的仿真软件主要有： （ 1） PAMCRASCH 软件 PAMCRASCH 软件是法国 ESI 公司的碰撞模拟有限元仿真分析软件的程序包。 它提供了强大的有 限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前以被各大汽车制造商广泛采用作为碰撞模型有限元仿真的专用平台。 （ 2） DADS 软件 比利时 LMS 的 DADS 支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。 在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。 在分析方面，提供了装配分析、运动学分析、正向动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等 6 种分析功能。 （ 3） MATLAB 软件 MATLAB 由美国 MATHWORKS 开发， MATLAB 是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。 它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度集成的计算机语言。 它提供了强大的 5 科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。 （ 4） EASYS 软件 EASYS 是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟和设计具有微分和代数方程特征的动态系统。 波音公司在七十年代初期首先发展了这种软件，但只作为一个内部软件。 八十年代商品化以来， EASYS 首 先渗透到航空市场，现在己应用于汽车和其它多个工业领域。 （ 5） ADAMS 软件 ADAMS （ Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是由美国机械动力公司（ Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。 在当今动力学分析软件市场上 ADAMS 独占鳌头，拥有 70%的市场份额， ADAMS拥有 Windows版和 Unix两个版本，目前最高版本为 ADAMS2020。 ADAMS 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朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。 ADAMS 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 [10]。 ADAMS 软件用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。 既可以是在 ADMAS 软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它 CAD 软件中传过来的造型逼真的几何模型。 然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激励。 最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。 通过上述对比分析可知， ADAMS 软件在建模与仿真分析等很多其他方面都强大的优势。 多体系统动力学理论基础 多体系统动力学，包括多刚体系统和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的学科。 这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成。 多体系统动力学是在经典力学与计算机相结合的基础上发展起来的，在发展过程中，结合了运动生物 力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等学科，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支。 多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学的问题。 多刚体系统动力学的主要研究方法有： （ 1）牛顿 —— 欧拉方程法：对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时， 6 铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，故即使直接采用牛顿 —— 欧拉方法，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 Schiehlen在这方面做了大量工作。 其特点是在列写出系统的牛顿 — 欧拉方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，对完整约束系统用 Alembert原理消除约束反力，对非完整约束系统用 Jourdain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，希林等人编制了符号推导的计算机程序 NEWEUL。 （ 2）拉格朗日法：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朗日坐标非常困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标则比较方便，对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉格朗日方程处理是十分规格化的方法。 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。 1973年，美国 Michigan大学等人应用吉尔的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了 ADAMS程序； 1977年， Edward Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了 DADS程序。 由此后来逐步形成了两大著名多体动力学仿真软件 — 机械系统动力学仿真软件 ADAMS（ Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）和动力学分析和设计系统软件。 （ 3）图论（ RW）方法： 刚体系统动力学，利用其中的一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，即系统的结构。 RW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转变成树系统处理。 RW方法以相邻刚体之间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MESAVERDE。 （ 4）凯恩方法： RW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一方法，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）变分方法是经典力学的重要部分。 如果说在经典力学中，变分原理只是对力学现象的抽象概括，则在计算技术飞速发展的今天，变分方法己成为可以不必建动力学方程而直接借助数值计算寻求运动规律的有效方法。 变分方法主要用于工业机器人动力学，它有利于结合控制系统的 优化进行综合分析。 由于变分方 7 法不受铰的约束数目的影响，因此尤其适用于带多个闭环的复杂系统。 Gauss最小约束原理是变分方法的基本原理，利用优化理论求泛函的极值直接得到系统的运动状况。 这种方法的优点是可以避免求解微分方程组，并可以与最优控制理论结合起来 [11]。 多刚体系统动力学理论有很多优点： （ 1）适用对象广泛。 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，同一程式可对各类复杂系统进行分析。 （ 2）可计算大位移运 动。 多刚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，并且给研究非线性问题带来了很大方便，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由计算机自动生成，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间模型。 对悬架动力学而言，可将垂直方向、前后水平方向及横向的动 力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影响综合起来研究。 柔体系统不同于多刚体系统，它包含有柔性部分，其变形不可忽略，其逆运动学是不确定的。 它与结构力学不同，部件在自身变形运动同时，空间中经历着较大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈结合。 与一般系统不同，它是一个高度结合、高度非线性的复杂系统 [12]。 多体系统动力学建模与求解过程 一个机械系统，从初始的几何模型，到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果。 计算多体系统动力学分析的整个流程 ，主要包括建模和求解两个阶段。 建模分为物理建模和数学建模，物理建模是指由几何模型建立物理模型，数学建模是指从物理模型生成数学模型。 几何模型可以由动力学分析系统。