車輛工程畢業(yè)設計某國產轎車的平順性仿真及道路試驗分析

1、四川理工學院畢業(yè)設計（論文）某國產轎車的平順性仿真及道路試驗分析學 生：楊青山學 號：0901103B181專 業(yè)：機械設計制造及其自動化班 級：車輛工程 2009.1指導教師：湯愛華四川理工學院機械工程學院二O一三年六月四 川 理 工 學 院畢業(yè)設計（論文）任務書設計（論文）題目： 某國產轎車的平順性仿真及道路試驗分析 學院： 機械工程學院 專業(yè)： 機自 班級：車輛09級1班學號： 0901103B181 學生： 楊青山 指導教師： 湯愛華 接受任務時間 2013年2月28日 教研室主任（簽名）院長（簽名）1畢業(yè)設計（論文）的主要內容及基本要求 利用ADAMS建立前后懸架、輪胎等各子系統(tǒng)、構

2、建整車模型，進行平順性仿真。1. 利用ADAMS/Car建立起某輕型乘用車前后懸架等各子系統(tǒng)。2. 構建整車虛擬樣機模型，進行模型可行性的驗證。3. 進行隨機路面平順性的仿真。4. 設計平順性道路試驗大綱，進行實車道路試驗。5. 進行試驗結果與仿真結果對比，以驗證所建立模型的準確性。6. 繪圖及撰寫畢業(yè)論文。2指定查閱的主要參考文獻及說明1余志生主編.汽車理論（第三版）北京：機械工業(yè)出版社，2004.2 王望予主編.汽車設計M.機械工業(yè)出版社,2004,8. 3汽車工程手冊編輯委員會北京：人民交通出版社，2001.4 范成建，熊光明，周明飛編著.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應用與提高. 北京

3、：機械工業(yè)出版社，2006.5 陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程.北京：清華大學出版社，2005.6 李軍，刑俊文，覃文潔.ADAMS實例教程.北京:北京理工大學出版社，2002.7 石博強，申焱華，寧曉斌，等. ADAMS基礎與工程范例教程.北京：中國鐵道出版社，2007.8 黃承修.基于虛擬樣機技術的汽車行駛平順性仿真研究：碩士學位論文.浙江:浙江大學，2006.9 李莉.基于ADAMS/Car的某轎車平順性仿真分析與改進：碩士學位論文. 吉林:吉林大學，2006.10 沈曉安.汽車行駛平順性建模及其仿真研究：碩士學位論文.浙江:浙江工業(yè)大學，2005.3

4、進度安排設計（論文）各階段名稱起 止 日 期1收集、學習本課題有關資料2月28日3月14日2建立虛擬樣機整車模型3月15日4月4日3進行平順性仿真及道路試驗數據處理4月5日5月9日4完成畢業(yè)論文編寫，提交畢業(yè)設計相關資料5月10日5月23日5畢業(yè)設計資料審核、整改及答辯5月24日5月30日摘 要 隨著人們生活的水平不斷提高，對轎車乘坐環(huán)境舒適性的需求也越來越高。然而，轎車平順性又是轎車各項性能中很重要的一項指標，直接影響著轎車的乘坐舒適性，因此，對轎車平順性的研究具有重要的現實意義。 通過ADAMS軟件建立了某國產轎車整車虛擬樣機模型，進行模型可行性驗證，并在隨機路面上進行平順性仿真。通過實車

5、道路試驗獲得了在不同工況和車速情況下的試驗數據。運用MATLAB軟件編制平順性數據處理程序，并按照GB49/70-1996汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法計算出轎車駕駛員座椅方向上的加權加速度均方根值與加權振級。將道路試驗結果與仿真結果進行對比，驗證所建立模型的準確性。通過該研究有助于對轎車平順性進行更加直接、更加科學、更加簡便的分析。關鍵詞：平順性；模型；道路試驗；準確性ABSTRACTWith the improvement of living standard, the demand for comfort of automobile becomes higher and higher.

6、However, in many factors, the vehicle ride comfort is an significant indicator which directly affects the experience of driving and riding. So it is necessary to study the vehicle ride comfort. Based on the vehicle virtual prototype model created by the use of ADAMS, this paperverifies the feasibili

7、ty of model and establishes simulations of ride comfort randomly on road surface. According to the data collected in the real road test at different speed and different working conditions, and also according to GB49/70-1996 “VehicleRideComfortRandom Input Running Test Method”, measures the intrinsic

8、aand L by using the comfort assessment routine made by MATLAB software. Then this paper compares the experimental results in road test with the results in simulation, in order to verify the accuracy of the established model. Through the research, this paper contributes to study on analyzing the ride

9、 comfort of automobile in a scientific and intuitive way.Key words: ride comfort; model; road test; accuracy目 錄摘 要ABSTRACT第一章 緒 論11.1 本課題的研究現狀11.2 本課題的研究意11.3 本課題的研究內容2第二章 汽車平順性及其評價指標32.1 引言32.2 汽車平順性評價指標及其評價方法32.2 .1人體對振動的反應42.2.2 平順性的評價方法52.3 本章小結9第三章 基于ADAMS整車虛擬樣機模型建立103.1 引言103.2 ADAMS軟件簡介103.2.

10、1 ADAMS軟件的發(fā)展103.2.2 ADAMS軟件的基本模塊113.2.3 ADAMS建?；A133.3 基于ADAMS/Car建立整車虛擬樣機模型223.3.1 建立汽車各子系統(tǒng)模型223.3.2 建立整車動力學模型303.4 本章小結31第四章 整車平順性仿真324.1 引言324.2 基于ADAMS軟件建立隨機路面譜324.2.1 路面功率譜函數324.2.2 基于ADAMS軟件建立隨機路面譜344.3 整車平順性仿真354.3.1 平順性仿真354.4 平順性仿真結果后處理374.5 本章小結39第五章 平順性道路試驗大綱405.1 引言405.2 平順性道路試驗大綱405.2.1

11、 設計平順性道路試驗大綱405.3本章小結43第六章 試驗結果與仿真結果對比446.1 引言446.2 MATLAB軟件簡介446.3 運用MATLAB軟件進行試驗數據處理456.4 試驗結果與仿真結果的對比496.5 本章小結51總 結52參考文獻53致謝54附錄一 平順性評價程序55附錄二 時域圖和頻譜圖程序57第1章 緒 論隨著我國社會的發(fā)展與科技技術水平的提高，我們日常生活中汽車已經成為不可缺少的一部分，人們對汽車性能的需求也越來越高，人們對汽車在行駛過程中的乘坐環(huán)境舒適性能和操縱性能也越來越重視。汽車廠商為了滿足人們對汽車性能的苛刻要求，加大對汽車良好的操縱穩(wěn)定性與平順性的研究力度。

12、1.1 本課題的研究現狀 汽車的平順性主要是保持汽車在行駛的過程中產生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定界限之內，因而汽車平順性主要是根據乘員主觀感覺的舒適性來評價，對于載貨汽車還包括保持貨物完好的性能，它是現代高速汽車的主要性能之一。影響汽車平順性的因素有很多方面的，同時，對汽車平順性的評價也顯得十分復雜。然而要定量的描述平順性能，必須包括物理的，生理的和心理的各個方面的評價1。 當前，通常使用汽車車身振動的固有頻率和振動加速度來評價汽車的行駛平順性。通過試驗表明，保持汽車具有良好的行駛平順性，就需要車身振動的固有頻率為人體所習慣的步行時，身體上、下運動的頻率。這個頻率大概約為6085

13、次/分(1HZ1.6HZ)，振動加速度極限值為0.20.3g。還有就是為了保證所運輸貨物的完整性，汽車振動其加速度也不宜過大。然而當汽車的加速度達到1g，未經固定的貨物就有可能離開車廂底板。所以，加速度的極限值應該低于0.60.7g。1978年國際標準化組織（ISO）通過大量結合有關人體全身振動的文獻和研究工作的基礎上，制定出了國際標準ISO2631關于人體承受全身振動的評價指南。這個標準的重點是指出人體對振動的反應不僅與振動的強度，而且與振動的頻率、方向有關。這就把以往只簡單地統(tǒng)計汽車本身零件振動響應來進行平順性評價的方法，發(fā)展到“道路汽車人”系統(tǒng)更加科學的水平上2。1.2 本課題的研究意汽

14、車平順性是衡量汽車性能優(yōu)良的重要指標之一，良好的平順性可以保證駕駛員在復雜的行駛環(huán)境和操縱條件下具有良好的心理狀態(tài)和準確靈敏的反映，而且還會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，完全性，對于乘員則需要保證乘坐的舒適性和身體健康。隨著世界科學技術的發(fā)展，良好的汽車平順性漸漸得到實現。應用計算機技術及電子測試技術，汽車行駛平順性試驗數據的采集和處理更加合理與精確。通過ADAMS軟件建立整車模型，并進行整車虛擬樣機仿真。建立路面譜，模擬實車道路行駛工況。再通過實車路道試驗所采集到數據利用MATLAB軟件進行分析，將分析結果與仿真結果進行對比，驗證所建立模型的準確性。能夠有效縮短汽車的設計周期、降低開發(fā)成本、達到提高

15、汽車產品性能的目的。采用虛擬樣機技術進行汽車平順性研究已經逐漸被國外的汽車企業(yè)所采用，并取得了良好的效果。本課題以虛擬樣機技術為手段，開展汽車平順性仿真技術研究，研究成果可促進整車產品使用性能的提升，具有重要的理論意義和實用價值。 1.3 本課題的研究內容本課題通過利用虛擬樣機技術，建立了更加接近于實際情況的整車虛擬樣機模型，對整車進行了平順性仿真。并將仿真結果與實車道路試驗分析結果進行對比，驗證所建立模型的準確性。 本課題主要研究內容包括：利用ADAMS建立前后懸架、輪胎等各子系統(tǒng)、構建整車模型，進行平順性仿真。1. 利用ADAMS/Car建立起某輕型乘用車前后懸架等各子系統(tǒng)。2. 構建整車

16、虛擬樣機模型，進行模型可行性的驗證。3. 進行隨機路面平順性的仿真。4. 設計平順性道路試驗大綱，進行實車道路試驗。5. 進行試驗結果與仿真結果對比，以驗證所建立模型的準確性。第2章 汽車平順性及其評價指標2.1 引言 汽車平順性研究的是“道路一汽車一人”振動系統(tǒng)，如下圖1-1所示，路面不平度、車速及發(fā)動機激勵形成了對振動系統(tǒng)的“輸入”，這個“輸入”通過由輪胎、懸架、動力總成懸置系統(tǒng)、座墊等彈性、阻尼元件和懸掛、非懸掛質量構成的傳遞振動系統(tǒng)，然后振動系統(tǒng)的“輸出”傳遞給人體的振動加速度，這個加速度通過人體對振動的反應舒適性來評價汽車的平順性2。輸入 路面不平度 車速輸出 車身傳至人體的加速度

17、懸架彈簧動撓度 車輪與路面之間的動載評價指標 加權加速度均方根值 撞擊懸架限位概率 行駛安全性振動系統(tǒng) 彈性元件 阻尼元件 身，車輪質量圖1-1“人一汽車一路面”系統(tǒng)框圖2.2 汽車平順性評價指標及其評價方法1948年，人體舒適性評價指標被Janeway提出，并且給出計算評價指標J值的計算公式；1957年，德國學者Dikman把K系數法提出；1968年，Pradko等人通過研究提出了吸收功率法；之后，在1972年，德國米奇克提出用座椅垂直加速度的均方根值和整車縱向加速度的均方根值評價汽車的平順性。后來，20世紀60年代，國際標準化組織開制定了“人體承受全身振動的評價指標”，通過幾次的補充和修訂

18、，并于1974年頒布了IS026311974(E)m際標準，成為國際標準IS02631/11985。目前總加權值評價方法及其評價指標被普遍采用2。 但是，我國在此項研究的工作起步比較晚，20世紀80年代初，長春汽車研究所、清華大學等單位首先根據IS02631國際標準進行了汽車道路行駛平順性的研究；制定出1982年的“汽車懸架系統(tǒng)固有頻率和相對阻尼系數的測量方法”、1985年的“汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法”和“汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法一”以及“客車平順性評價指標及限值”等，構成了我國比較為完善的汽車平順性評價方法體系。汽車的平順性主要是保持汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適

19、性的影響在一定界限之內，因此平順性主要根據乘員主觀感受的舒適性來評價，對載貨汽車還包括保持貨物完好的性能，它是現代高速汽車的主要性能之一。2.2 .1人體對振動的反應汽車的振動通過人體表面作用于人，在人的體內引起一系列生理、心理反應，是人體感到不舒適的主要來源。根據振動的反應結果可分為以下幾類：健康狀況、舒適程度、工作效能、主觀感覺、暈車反應等。然而輕微的振動對人體是無害的，但是強度比較大的振動就會給人體健康造成危害，太過強烈的振動還直接導致人體器官的機械損傷。汽車的振動對人體的影響，取決于振動的頻率、強度、作用方向和持續(xù)時間，根據每個人的心理與身體素質不同，故對振動的敏感程度有很大的差異。國

20、際標準化組織(ISO)，在1997年公布的ISO 2631:1997 (E)人體承受全身振動評價第一部分：一般要求，這個標準主要用于評價長時間作用的隨機振動和多輸入點多軸向振動環(huán)境對人體的影響，能與主觀感覺更好的符合。我國對相應標準進行了修訂，公布了GB/T4970-1996汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法。目前主要采用的是總加權值評價方法及其評價指標23。ISO提出的ISO2631人體承受全身振動的評價指南根據加速度均方根值給出在中心頻率180HZ振動頻率范圍內人體對振動反應的三種不同的感覺界限。我國根據ISO2631標準制定了國家標準汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法和客車平順性評價指標及極限。

21、其中ISO2631用加速度均方根值給出了人體在180Hz振動頻率范圍內對振動反應的三個不同感覺界限：舒適降低界限、疲勞工效降低界限和暴露極限4。（1）舒適降低界限：在此極限內，人體對所暴露的振動環(huán)境主觀感覺良好，并能順利完成吃、讀、寫等動作。（2）疲勞-工效降低界限：當駕駛員承受振動在此極限內時，能保持正常地進行駕駛。（3）暴露極限：當人體承受的振動強度在這個極限之內，將保持健康或安全。 圖2-2 IS02631給出的暴露界限、疲勞工效降低界限及舒適性降低界限 由圖2-2可知，三個界限只是振動加速度容許值不同?！氨┞稑O限”值為“疲勞工效降低界限”的2倍；“舒適降低界限”為“疲勞工效降低界限”的

22、1/3.15倍；其中各個界限容許的加速度值隨頻率的變化趨勢完全相同。2.2.2 平順性的評價方法汽車平順性的評價方法，通常是根據人體對振動的生理感受及對保持貨物完整性的影響制定的，并根據振動的物理量，如頻率、振幅、位移、加速度等作為平順性的評價指標。ISO 2631:1997 (E)標準規(guī)定了圖2-3所示的人體坐姿受振模型，在進行平順性評價時，除了考慮座椅支承面處輸入點3個方向的線振動，還考慮該點3個方向的角振動，以及座椅靠背和腳支承面兩個輸入點各3個方向的線振動,共3個輸入點12個軸向的振動24。圖2-3 人體坐姿受振模型規(guī)定了人體對不同頻率振動的敏感程度不同，在圖2-4上給出了各軸向0.5

23、-80Hz的頻率加權函數(漸進線)，又考慮不同輸入點、不同軸向的振動對人體影響的差異，還給出了各軸向振動的軸加權系數k。圖2-4 各軸向振動的軸加權系數表2-1 頻率加權函數、軸加權函數和某小轎車上振動測量結果上表2-1給出了三個輸入點12個軸向，然后選用哪一個頻率加權函數和相應軸加權系數k，還列出汽車在城市公路上行駛時，實際測得的各軸向加權加速度均方根值，及總的加權加速度均方根值。 由表2-1上各軸向的軸加權系數可以看出，椅面輸入點、三個線振動的軸加權系數1，他們是12個軸向中人體最敏感的方向，其余各軸向的軸加權系數均小于0.8。另外，ISO 2631:1997 (E)還規(guī)定，當評價振動對人

24、體健康的影響時，就需要考慮、這三個軸向，而且、 兩個水平軸加權系數取1.4，比垂直方向更敏感。標準規(guī)定座椅靠背水平軸向、可以由椅面、，水平軸向代替，此時軸加權系數取=1.4。還規(guī)定對不同軸向分量及不同頻率的振動有不同的敏感程度。椅面垂直軸向頻率加權函數的最敏感頻率范圍為412.5Hz,其中48Hz頻率范圍內，人體內臟器官最易產生共振，而812.5Hz范圍的振動對人體脊椎系統(tǒng)影響最大。椅面水平軸向、的頻率加權函數的最敏感頻率范圍均為0.52Hz，大約在3Hz以下，水平振動比垂直振動更加敏感。因此，我國在修訂的相應GB/T4970-1996汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法時，評價汽車平順性就考慮椅面

25、、這三個軸向234。 在IS02631：1997E標準以及我國的客車平順性評價指標及限值、汽車平順性隨機輸人行駛試驗方法等標準中，通常以總加權加速度均方根值來評價汽車平順性及振動對人體舒適和健康的影響，具體計算方法如下2345： （1）先對軸向加速度時間歷程進行頻譜分析，得到功率譜密度函數，再根據下式計算出頻率加權后的加速度均方根值： (2-1)頻率加權函數（漸進線）用以下公式表示，式中頻率的單位為Hz (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) （2）在評價振動對人體健康的影響時，僅僅只考慮、這三個軸向，并且、這兩個水平軸向的軸加權系數比垂直軸向更敏感，另外還規(guī)定座椅靠背水平軸向、可以由

26、椅面、水平軸向代替，因此水平軸向加權系數取k=14。因此三個軸向的總加權加速度均方根值按下式計算： （2-6） （3）根據標準的評價方法，需要采用加權振級，它與加權加速度均方根值換算，可根據下式進行計算 (2-7) 其中，為參考加速度均方根值，。 （4）最后將計算出的加權加速度均方根值和加權振級根據下表2-2和與人的主觀感覺之間的關系來評價汽車的乘坐舒適性。表2-2 和與人的主觀感覺之間的關系2.3 本章小結 本章根據人體對振動的反應和人體內部器官在汽車振動環(huán)境內可能發(fā)生共振的現象，結合國內外汽車平順性評價標準，介紹了汽車平順性的評價指標及其評價方法，重點介紹了總加權值評價方法，首先計算出各軸

27、向加權加速度均方根值，再計算出總加權加速度均方根值，然后根據加權加速度均方根值和加權振級來評價汽車的平順性。第三章 基于ADAMS整車虛擬樣機模型建立3.1 引言 在進行汽車平順性仿真之前，首先需要建立整車虛擬樣機模型，然后驗證模型的準確性，模型是否正確對仿真結果有很大的影響。本章主要介紹利用ADAMS軟件建立汽車前后懸架、輪胎等各子系統(tǒng)、構建整車模型，并對模型的可行性進行驗證。3.2 ADAMS軟件簡介3.2.1 ADAMS軟件的發(fā)展ADAMS即機械動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），美國MDI（Mechanic

28、al Dynamics Incorporated ）公司由美國密西根大學的ADAMS代碼開發(fā)人員發(fā)起成立，位于美國密西根州的Ann Arbor。2002年MSC.Software以1.2億美金收購了MDI著名虛擬樣機仿真軟件公司。從1977年發(fā)展至今，ADAMS軟件不斷進行更新，新的版本增加了很多實用的模塊。由于其領先的“功能化數字樣機”技術，ADAMS目前成為國際上應該廣泛且具有權威性的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，占據了該領域53%的市場，在航天、航空、汽車、鐵道、船舶工業(yè)以及工程機械等領域得到廣泛應用。很多國際化大公司、企業(yè)均采用ADAMS軟件作為其機械系統(tǒng)動力學仿真分析平臺。中國一汽、二

29、汽、上海通用、長安、奇瑞等汽車公司都采用ADAMS技術進行設計研究，國內許多著名高校也將ADAMS虛擬樣機仿真軟件作為機械類專業(yè)學生必須掌握的工具軟件，并開設了相關課程6。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境及零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型，其中的求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學及動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞、峰值載荷以及計算有限原件的輸入載荷等。利用ADAMS軟件，用戶可以方便、快速地創(chuàng)建參數化的機械系統(tǒng)動力學模型，然后提交

30、給Solver計算，ADAMS會根據計算結果自動建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行與實際情況非常接近的靜力學、運動學及動力學分析。ADAMS中提供了進行系統(tǒng)設計研究、設計試驗和優(yōu)化分析的工具，同時，ADAMS根據其開發(fā)性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)平臺。3.2.2 ADAMS軟件的基本模塊ADAMS軟件是由一些模塊組成的，包括基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)模塊及工具箱。每種模塊中包含具體的若干模塊，用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，并且可以采用專用模塊對其特定行業(yè)應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析67。（1） AD

31、AMS/View (用戶界面模塊)ADAMS/View (用戶界面模塊)是ADAMS系列產品的最基本的核心模塊之一，是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境。它將簡單的圖標、菜單、鼠標點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫演示、X-Y曲線圖處理、結果分析和數據打印等功能完美地集成在一起。而且ADAMS/View采用簡單的分層方式進行建模，提供了豐富的零件約束庫和力庫，并且支持布爾運算。仿真結果采用強有力的、形象直觀方式描述，并可以將結果形象逼真的輸出。UG幾何造型可通過IGES接口輸入ADAMS/View，豐富了ADAMS/View自身的建模功能。另外，ADAMS/View還提供多種位移函數、速度函數

32、、加速度函數、接觸函數、樣條函數、力和力矩函數、用戶子程序函數等多種函數。（2）ADAMS/Solver(求解器模塊)ADAMS/Solver也是ADAMS系列產品的核心模塊之一，是ADAMS產品中處于心臟地位的仿真“發(fā)動機”。ADAMS/Solver能自動形成仿真模型的動力學方程，提供靜力學、運動學、動力學的解算結果。該模塊提供各種建模和求解選項，以便用戶根據具體要求精確有效的解決各種工況問題。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進行仿真研究，除了輸出力、位移、速度、加速度外，用戶還可以輸出自定義的數據以便進行有限元分析。（3）ADAMS/Post-Processor(專業(yè)后處理模塊)

33、專業(yè)后處理模塊用來輸出各種數據曲線、高性能動畫，還可以進行曲線的編輯和數字信號的處理。該軟件是為了提高仿真結果的后處理能力而開發(fā)的模塊，可以使用戶在該模塊里更方便的觀察、研究仿真將結果。該模塊既可以在ADAMS/View環(huán)境下運行，也可以在獨立的環(huán)境下運行。它的主要特點 有如下幾點：1） 快速的顯示高質量的動畫，有利于從每個角度深入理解分析設計方案的有效性；2） 能夠清晰分層次的顯示樹狀數據結構，快速檢索到對象；3） 具有數據作圖、數據處理及文件輸出功能；4） 窗口靈活多變，能夠分割窗口畫面及多頁面儲存；5） 能夠同步顯示多視窗動畫與曲線結果，且可將其錄制成電影文件；6） 具有完備的曲線數據統(tǒng)

34、計功能：求平均值、極值、和、乘積及斜率等；7） 含有豐富的數據處理功能：曲線的代數計算、縮放、偏置、編輯、FFT變換、濾波等。（4）ADAMS/Insight(試驗設計與分析模塊)ADAMS/Insight為用戶提供了各種專業(yè)化系統(tǒng)分析工具，能夠對試驗結果進行分析、對比、評估，幫助用戶更好地分析復雜機械系統(tǒng)的性能。該模塊是基于網絡技術的模塊，通過數據統(tǒng)計中的多元非線性回歸方法，能夠精確地給出性能與參數之間的回歸表達式。用戶可以借助該模塊將仿真試驗置于網頁上，實現資源共享，加速決策過程。ADAMS/Insight是選裝模塊既可以在ADAMS/View, 也能在ADAMS軟件中獨立運行。ADAMS

35、/Insight具有很多種功能即可方便的修改和優(yōu)化模型，也可進行模型的參數化分析、找出模型的關鍵參數和非關鍵參數等。（5）ADAMS/Car(汽車模塊)汽車模塊是ADAMS軟件的專業(yè)模塊之一，是MDI公司與Audi、BMW、Renault、Volvo等公司合作開發(fā)的整車設計模塊?；贏DAMS/Car模塊，用戶可以快速建立高精度的整車虛擬樣機，其中包括懸架、車身、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、發(fā)動機、輪胎、制動系統(tǒng)等，用戶可通過高速動畫直觀地再現在各試驗工況下的整車動力學響應，并輸出標志操作穩(wěn)定性、制動性、平順性和完全性的參數，用戶還可以通過在各種不同的路面工況下進行仿真，分析模型的操縱穩(wěn)定性，安全性，

36、平順性及其它性能參數。在ADAMS軟件中，還含有概念化懸架模塊、駕駛員模塊、動力傳動系統(tǒng)模塊、發(fā)動機設計模塊、經驗動力學模塊及振動分析模塊等。用戶在進行建模時，在相應模板中輸入必要的數據，就可以快速建立包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉向機構、制動系統(tǒng)等在內的高精度的整車虛擬樣機，并進行仿真。ADAMS軟件的日常汽車開發(fā)中得到廣泛應用，許多汽車廠商在進行汽車研發(fā)中都使用到ADAMS軟件。在ADAMS/Car環(huán)境下建立整車系統(tǒng)的動力學仿真模型，分為以下幾個步驟： 1) 首先將整車各子系統(tǒng)進行分解及運動學、動力學抽象分析，然后構建各子系統(tǒng)的拓撲圖。 2) 在建模過程中最重要的部分就是建立模板，在

37、template builder下建立各子系統(tǒng)的template文件，定義各子系統(tǒng)之間的communicator，此時則需要知道各子系統(tǒng)的拓撲結構，而不用知道各子系統(tǒng)的詳細參數。 3) 通過計算獲取各子系統(tǒng)的幾何定位參數、質量特性參數、物理參數和力學參數。 4) 然后在Standard中建立各子系統(tǒng)相應template的subsystem文件，并將其代入各子系統(tǒng)的參數特征。 5) 之后在Standard下建立整車的assembly文件，構建各子系統(tǒng)模型組成整車系統(tǒng)模型。 6) 針對整車研究的不同方面，進行不同工況的仿真文件進行整車平順性仿真。 7) 最后將仿真計算結果的后處理。（6）ADAMS

38、/Tire(輪胎模塊) 輪胎模塊是研究輪胎與道路相互作用的可選模塊。ADAMS / Tire模塊可以完善地計算側向力、自動回正力矩及由于路面坑洼等障礙而產生的力，還可以計算輪胎因克服滾動阻力而受到的垂直、縱向和橫向載荷、仿真研究車輛在制動、轉向和滑行、滑移等大變形位移下的動力學特性，不僅可以研究車輛穩(wěn)定性，計算汽車的偏移、俯沖和側傾特性，還可以進行其輸出力和加速度數據作為有限元分析軟件包的輸入載荷進行相應的應力和疲勞特性研究，并計算由于制動力矩和轉動力矩產生的反作用力。3.2.3 ADAMS建?；AADAMS軟件根據笛卡爾坐標和歐拉角參數來描述物體的空間位置，然后采用吉爾（Gear）的剛性積分

39、來解決稀疏矩陣的求解問題，ADAMS/Solver中提供許多種功能成熟的求解器，可以對所建模型進行運動學、靜力學、動力學分析。ADAMS軟件的多剛體動力學分析步驟如下67：（1） ADAMS多剛體系統(tǒng)的自由度 機械系統(tǒng)中各構件相對于地面機架所具有的獨立運動數量稱為機械系統(tǒng)的自由度。機械系統(tǒng)的自由度與構成機械的構件數量、運動副的類型和數量、原動機的類型和數量、以及其他約束條件有關。在ADAMS軟件中，機械系統(tǒng)的自由度（DOF）和原動機的數量與機械系統(tǒng)的運動特性有著密切的關系，機構的自由度決定該機構的分析類型：運動學分析或動力學分析67。ADAMS中自由度（DOF）的計算公式為： （3-1）式中n

40、系統(tǒng)的部件數目（包括地面）；系統(tǒng)中各約束所限制的自由度數目。其中，當 DOF0時，對機構進行動力學分析，即分析其運動狀況是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求構件運動不僅要滿足約束要求，而且還要滿足給定的運動規(guī)律。包括有靜力學分析、準靜力學分析和瞬態(tài)動力學分析。其中的動力學運動方程即機構中運動的約束方程和拉格朗日乘子微分方程組成的方程組。當 DOF0時，對機構進行運動學分析，即僅考慮系統(tǒng)的運動規(guī)律，而不用考慮產生運動的外力。在機構運動學分析中，某些機構構件的運動狀態(tài)確定后，其余構件的位移、速度和加速度隨時間變化的規(guī)律，不是依據牛頓定律來確定的，而是完全由機構內構件間的約束關系來確定，是通

41、過位移的非線性代數方程與速度、加速度的線性代數方程迭代運算求解。當 DOF0時，屬于超靜定問題，目前ADAMS還無法解決。ADAMS系統(tǒng)中包括一般約束庫和基礎約束庫，一般約束庫中含有機械系統(tǒng)常見的約束，基礎約束庫則是一些抽象的約束，一般約束所限制的自由度如表3-1示。表3-1 一般約束所限制的自由度平動轉 動01230固定副旋轉副萬向副球鉸副1滑移副圓柱副2平面副（2） ADAMS多剛體系統(tǒng)動力學方程的建立建立動力學方程，其求解的速度很大程度上取決于廣義坐標的選擇。在研究剛體在慣性空間中的一般運動時，通常使用它的連體基的圓點(一般與質心重合)來確定位置，使用連體基相對慣性基的方向余弦矩陣來確定

42、方位。通常為了更好的描述方位，必須規(guī)定一組轉動廣義坐標表示方向余弦矩陣。在確定轉動廣義坐標通常有三種方法。一種方法是用方向余弦矩陣本身的元素作為轉動廣義坐標，但是它的變量太多，同時還要附加六個約束方程；另一種方法是使用歐拉角或卡爾登角作為轉動坐標，它的算法規(guī)范，缺點是在逆問題中存在奇點，在奇點位置豎直計算容易出現困難；最后一種方法是用歐拉參數作為轉動廣義坐標，由于它的變量不太多，方向余弦計算歐拉角時不存在奇點，所以通常情況下采用第三種方法來確定轉動廣義坐標67。ADAMS軟件用剛體的質心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標，即： （3-2） （3-3）由于采用不獨立的廣義坐標，系統(tǒng)動力

43、學雖然是最大數量，但是高度稀疏耦合的微分代數方程，卻適用于稀疏矩陣的方法高效求解。ADAMS程序通常采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程： (3-4)完整約束方程： （3-5） 非完整約束方程： （3-6） 式中：T動能；描述系統(tǒng)廣義坐標列陣；廣義力列陣；完整約束的拉格朗日乘子列陣；非完整約束的拉格朗日乘子列陣。把(3-4)式寫一般形式: （3-7） （3-8） （3-9）式中：廣義坐標列陣；廣義速度列陣；廣義速度列陣；約束反力及作用力列陣；系統(tǒng)動力學微分方程及用戶定義的微分方程。定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量： （3-10）則式(3-4)可寫成單一矩陣方程： （3-11） 在動力學分析時，ADAMS通常采

44、用兩種算法67:1）使用積分求解程序，采用坐標分離算法來計算獨立坐標的微分方程，使用這種方法主要用于模擬特征值經歷突變的系統(tǒng)或高頻系統(tǒng)。2）使用三種功能強大的變階、變步長積分求解程序（GSTIFF積分器、DSTIFF積分器和BDF積分器）來求解稀疏耦合的非線性微分代數方程，這種方法通常適用于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))。采用GEAR預估一校正算法可以有效地求解式(3-4)所示的微分代數方程： 首先，根據當前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值，采用泰勒級數預估下一時刻系統(tǒng)的狀態(tài)矢量值 (3-12)式中，時間步長 在采用這種預估算法時，得到的新時刻系統(tǒng)狀態(tài)矢量值通常不準確，式(3-4)右邊的項不等于零

45、，可以采用由Gear k+1階積分求解程序(或其它向后差分積分程序)來校正。如果采用預估算法得到的新時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值滿足(3-4)，則可以不必進行校正。 (3-13)式中：在時的系數值；Gear積分程序的系數值。將式(3-13)簡化為： (3-14)將式(3-4)在,時刻展開，得： (3-15)ADAMS使用修正的牛頓-拉夫森迭代程序求解上面的非線性方程，其迭代校正公式為： (3-16)式中，j表示第j次迭代。， (3-17)由式(3-14)可知： (3-18)由式(3-15)可知：， (3-19)將公式(3-18)和公式(3-19)代入式(3-16)，得： (3-20)公式(3-20)左

46、邊得系數矩陣稱系統(tǒng)的雅可比矩陣，式中：系統(tǒng)剛度矩陣；系統(tǒng)阻尼矩陣；系統(tǒng)質量矩陣。通過分解系統(tǒng)雅可比矩陣(通常為了提高計算效率，ADAMS采用符號方法分解矩陣)求解，然后計算出, , ,，重復上述迭代校正步驟，直到滿足收斂條件，最后是積分誤差控制步驟。如果預估值與校正值的差值小于規(guī)定的積分誤差限，接受該解，則進行下一時刻的求解；否則將拒絕該解，并減少積分步長，重新進行預估一校正過程。ADAMS在進行動力學、靜力學和運動學分析之前，ADAMS將自動進行初始條件分析，這有利于在初始系統(tǒng)模型中各物體的坐標與各種運動學約束之間達成一致協(xié)調，可以保證系統(tǒng)滿足所有約束條件。初始條件通過分析求解相應的位置、速

47、度、加速度的目標函數的最小值。分析初始條件位置，確定位置目標函數： （3-21）式中：n系統(tǒng)總的廣義坐標數； m系統(tǒng)約束方程數；約束方程；拉格朗日乘子微分方程；的加權系數。如果是準確坐標值，則取大值；如果是近似坐標值，則取小值；如果是程序指定的坐標值，則取零值。如果取最小值，則由，得： (3-22) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。其函數形式為： （3-23） 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m 。其中牛頓-拉夫森迭代公式為： (3-24) 式中：；中的下標表示第次迭代。分析初始速度，確定速度目標函數： (3-25) 式中：用戶設置的準確的或近似的初始速度值或程序設定的缺省速度

48、值；對應的加權系數；速度約束方程；對應速度約束方程的拉格朗日乘子。當取最小值時，則由，可得： (3-26) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。將（3-26）簡化為矩陣形式： (3-27) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m 。 公式(3-27)是關于，的線性方程，系數矩陣只與位置有關，而且它的非零項已經分解(見式(3-24)）,因此，可直接求解出，。 分析初始加速度、初始拉格朗日乘子，可以直接由系統(tǒng)動力學方程和系統(tǒng)約束方程的兩階導數來確定。首先將矩陣形式的系統(tǒng)動力學方程簡化為分量形式: （3-28）式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。 （3-29）然后將（3-29）簡化為矩

49、陣形式: (3-30) 式中：=1,2,3,n；=1,2,3,m。其中（3-30）中的非零項已經分解，見式(3-24)和(3-27)，由此，可以求解出，。3.3 基于ADAMS/Car建立整車虛擬樣機模型3.3.1 建立汽車各子系統(tǒng)模型（1） 建立前懸架動力學模型基于ADAMS/Car模塊對懸架系統(tǒng)進行建模，通常要求模型要與實際情況一致。汽車為一縱向對稱系統(tǒng)，模型在建立前需要確定每個部件的硬點，然后建立其中左邊或右邊的1/2懸架模型，另一部分則會自動生成68。汽車前懸架一般為麥克弗遜式撐桿式懸架，由彈簧、筒式減振器及滑柱、下擺臂、轉向節(jié)總成（減振器下體、輪轂軸）、轉向橫拉桿、羊角、減振器上端、

50、球頭銷、轉向器齒條、車輪總成、車身等剛體部分組成。其中下擺臂與車身間由兩個彈性襯套（不考慮彈性襯套時為轉動鉸鏈）相連，下擺臂與羊角由球鉸相連，減振器上端與羊角由圓柱鉸相連，減振器上端與車身間彈性襯套（不考慮彈性襯套時為萬向節(jié)鉸鏈）相連，減振器上端與羊角間還有彈簧阻尼器力元。將結構簡化分析，然后建立前懸架動力學模型子系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1 前懸架模型其中各部件約束如圖3-1所示，減振器上端采用用萬向節(jié)鉸與車身相連，轉向節(jié)總成與減振器上端用圓柱鉸約束，相對于減振器上半部分可以進行軸向移動和轉動；下擺臂的一端通過轉動鉸與車身相連（其中含有一個虛約束），可相對于車身上下擺動，另一端則通過球鉸與轉

51、向節(jié)總成相接；轉向橫拉桿的一端通過球鉸與轉向節(jié)總成相連，另一端則通過萬向節(jié)鉸與轉向齒條相連；其中懸架模型的鉸鏈類型與數目如下表3-1所示。表3-1 前懸架模型的鉸鏈類型與數目鉸鏈名稱鉸鏈約束的自由度約束鉸鏈數量平動轉動麥弗遜式固定鉸鏈3310轉動鉸鏈324平動鉸鏈232萬向節(jié)鉸鏈312圓柱鉸鏈223球鉸鏈304等速萬向節(jié)鉸鏈316平面副121其中麥弗遜式前懸架(不含轉向系)的約束方程為： (3-31)懸架模型中存在兩個Gruebler Count(相當于兩個自由度)，因此自由度為: (3-32)1) 建立前減振器模型懸架系統(tǒng)的主要阻尼元件即減振器，它與彈性元件并聯(lián)安裝，通過減振器的衰減，減小車身與車輪之間的相對振動。要利用ADAMS/Car模塊建立減振器模型，首先需要用戶建立一個自定義的減振器文件，然后利用其屬性對話框進行數據修改，也可利用“速度一力”曲線在曲線上直接修正，還可以通過其中的數列表進行比較準確的定義