空去悬架大客车研究

第一章 绪论
1.1 多体系统动力学研究发展概况
1.1.1 引言 多体系统动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究 多体系统 （一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成） 运动规律的科学。 多体动力学是在经典力学基础上发展起来的与运动生物力学、航天器控制、 机器人学、车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的分 支【1】 。 在传统研究车辆动力学问题中，对于自由度少或简单类型的多自由度模 型，可以使用牛顿定律、达朗伯贝尔原理、动量定理或动量矩定理来建立运 动微分方程组。对于复杂的多自由度系统，要用拉格朗日方程来推导出动力 学微分方程组。 随着汽车工业的发展，研究的车辆动力学模型越来越复杂，构造动力学 方程时，将面临十分繁重的代数和微分运算，并且极易出错，手工推导已很 难胜任。因此，目前以这些方法编制的车辆动力学软件有以下缺点： ¾ 对真实反映动力学系统实际情况的复杂模型，由于手工推导无法胜任， 不得不对系统作许多简化，降低自由度的个数，显然，这样做就很难得 到精确的分析结果。 ¾ 传统的方法是：建立模型→推导方程→编制计算机程序→调试软件→计 算分析所要解决的动力学问题。一旦研究的对象或内容发生变化，不得 不重新建立新的模型，或者对已有模型进行修改。这一费时费工的操作， 已不能适应当前科技与生产迅速发展的需要。 为此，人们提出了一个想法：动力学方程的生成和求解全由计算机来实 现，即只要机械系统的物理模型一旦建立，给计算机输入描述系统的最基本 的参数，如几何、物理参数和各分离体间相互约束的关系，以后的工作就由 计算机自动完成。从而推动了传统的刚体动力学的发展，产生了多刚体动力 学这一力学分支。为了研究有多刚体与多柔体组成的机械系统动力学问题，
第六章 试验与结果分析…………………………………………58
第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法
6.1 试验仪器及方法………………………………………………………… 58 6.2 试验数据处理…………………………………………………………… 60 6.3 试验与仿真结果对比…………………………………………………… 63 6.4 本章小结………………………………………………………………… 65
第七章 空气悬架对大客车平顺性影响的仿真分析……………66
7.1 空气悬架大客车空载工况平顺性仿真………………………………… 66 7.2 空气悬架大客车空载工况和满载工况平顺性仿真结果对比………… 67 7.3 本章小结………………………………………………………………… 68
第八章 全文总结…………………………………………………69 参考文献………………………………………………………… 71 致谢……………………………………………………………… 75 中文摘要………………………………………………………… ⅰ 英文摘要………………………………………………………… ⅴ
第五章 整车多体系统动力学仿真模型的建立…………………38
5.1 路面对汽车激励的时域模型建立……………………………………… 38 5.1.1 路面不平度功率谱……………………………………………… 38 5.1.2 空间频率谱函数与时间频率谱函数的转化…………………… 40 5.1.3 双辙路面模型的建立…………………………………………… 41 5.1.4 路面激励时域模型在 ADAMS 中的再现……………………… 45 5.2 轮胎仿真模型的建立…………………………………………………… 48 5.3 空气弹簧仿真模型的建立……………………………………………… 50 5.4 减振器仿真模型的建立………………………………………………… 51 5.5 整车多体系统仿真模型………………………………………………… 52 5.6 整车动力学仿真………………………………………………………… 53 5.7 仿真计算结果…………………………………………………………… 53 5.8 本章小结………………………………………………………………… 57
第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法………
2.1 ADAMS 软件简介………………………………………………………… 2.2 ADAMS 软件的特点………………….3 分析、计算方法………………………………………………………… 14 2.3.1 广义坐标选择…………………………………………………… 14 2.3.2 动力学方程的建立……………………………………………… 14 2.3.3 动力学方程的求解……………………………………………… 15 2.3.4 静力学分析、运动学分析、初始条件分析……………………… 18 2.4 解决 ADAMS 软件数值发散的技巧…………………………………… 21 2.5 本章小节………………………………………………………………… 22
第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法
在多刚体动力学的基础上发展成多体系统动力学。 1.1.2 多体系统动力学的发展进程 在本世纪 60 年代中期，经过 Likings Hooker、 Margalies、 Roberson 和 Wittenburg 等人卓有成效的努力， 多刚体系统动力学诞生了。 它是在经典 力学基础上产生的新学科分支，它针对由多个刚体组成的力学模型，研究程 式化的求解算法，以便实现计算机自动建立方程并求解。多刚体系统动力学 诞生以后发展很快， 形成了几种风格不同的流派， 代表性的方法有 R-W 方法、 旋量方法、凯恩方法和第一类拉格朗日方法等。1977 年，国际理论和应用力 学学会主持召开的第一次多刚体系统动力学研讨会，是这门学科发展的重要 里程碑。它标志着多刚体系统动力学的建模方法已基本得到解决。从此，原 先从事多刚体系统动力学研究的学者纷纷转向对带柔性的多体系统动力学的 研究， 于是， “多刚体系统动力学” 的内涵得到延伸， 成为 “多体系统动力学” 。 1983 年，由 NATO-NSF-AR 在美国 Iowa 大学联合举办的机械系统动力学计算 机辅助分析和优化高级讲习会及 1984 年 IUTAM、 IFTOMN 主办的多体系统动力 学研究会可以充分看到这门学科从理论建模到面向工程的计算机辅助仿真研 究的大发展。短短几年内，许多大型通用计算机软件不断涌现，并在商业化 方面取得巨大成功。这些软件的应用领域非常广泛，以致西欧和北美的工程 师们已习惯于在机械系统的设计过程中，通过多体系统的仿真软件，对新设 计的产品进行研究、分析和优化，大大缩短了设计周期，并降低了通常研制 中制造、 调试样机所占用的成本消耗。 所以， 这个过程在计算机辅助工程 CAE （Computer Aided Engineering）中被称为 CAA（Computer Aided Analysis） ， 并示为一个必要的环节。同时，在车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专 题讨论会，以交流多体软件的开发和应用的经验，传递信息并提出新的思想 和研究方向。由 W・Schiehlen 编撰的多体系统手册（Multi-body System Handbook） 就是这种形式发展下的产物， 其中包括了全世界范围内近 20 个研 究团体的成果， 如著名的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 机械系统的自动动力分析)和 DADS(Dynamic Analysis and Design System 动力学分析和设计系统)等。这些软件结构性强、功用完备、操作方 便，不但能够求解航天器和机器人等以开环和低运动副为主的机构，而且能
第三章 空气悬架主要结构型式及建模对象结构简介………… 23
3.1 空气悬架的结构型式……………………………………………………23
3.2
建模对象结构简介………………………………………………………26
第四章 整车多体系统模型参数的确定及相关实验…………
28
4.1 几何参数、惯性参数的确定…………………………………………… 28 4.2 整车数据及参数…………………………………………………………… 28 4.3 前后空气弹簧及减振器特性实验………………………………………… 29 4.3.1 实验原理…………………………………………………………… 32 4.3.2 空气弹簧特性试验………………………………………………… 33 4.3.3 减振器特性实验…………………………………………………… 36 4.4 本章小结…………………………………………………………………… 37
第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法
目 录
第一章 绪论………………………………………………………
1
1.1 多体系统动力学研究发展概况…………………………………… 1 1.1.1 引言………………………………………………………………… 1 1.1.2 多体系统动力学的发展进程……………………………………… 1 1.2 多体系统动力学的基本任务……………………………………………2 1.3 多体系统动力学在汽车性能分析中的应用……………………………4 1.4 适用于车辆动力学的多体系统动力学通用软件………………………4 1.5 空气悬架的发展历史和应用现状………………………………………… 7 1.6 本文研究的主要内容和意义………………………………………… 9
求解车辆等结构形式复杂的多闭环系统【2】 。
1.2 多体系统动力学的基本任务
多体系统动力学是经典的动力学理论同现代计算机技术相结合的产物。 其计算动力学的基本任务是： ¾ 建立系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的 软件系统，用户只需输入描述系统的最基本的参数，计算机将自动进行 程式化的处理过程。 ¾ 开发和实现有效的稳定的数值计算方法，自动求解运动学和动力学方程， 得到运动学规律和动力学响应。 ¾ 合理解释仿真结果，提供仿真结果的图形输出或将分析计算结果用图表 方式告知用户。 正如有限元理论在计算固体力学中的地位一样，多体系统动力学是计算 动力学的基础， 它的主要任务是建立适用于计算机的程式化数学模型的推导。 根据动力学原理，多体系统动力学的各种建模方法分为分析法和综合法。无 论运用何种动力学原理，从最后所得的动力学方程的结构形式来看，基本上 分为两大类。 第一类数学模型其方程个数与系统自由度数相同， 一般形式为： A q = B 。这种形式首先是为开环的航天器推出的，它的优点是方程的个数最 少，缺点是方程呈严重的非线性，矩阵 A 和 B 形式相当复杂，这种复杂程度 与广义坐标的选择有关。因此，这种数学模型在建立时，广义坐标的选取还 需人工干预。另外，方程中不出现系统的约束反力，方程简洁。但是对于那 些需要系统的约束反力的工程对象来说，这样的数学模型就不太理想。第二 类数学模型是用统一的广义坐标描述刚体的位置和运动。例如用 3 个笛卡尔 坐标描述质心位置，4 个欧拉元素描述它的姿态，建立起 6N(N 为刚体数)的 含拉格朗日乘子的动力学方程，与这些广义坐标间的约束方程联立构成第二 类数学模型， 它是一组微分－代数混合方程组， 一般形式为：M q + J T λ = F ，