汽车动力学仿真基础PPT课件

1.3、系统-三要素
实体 属性 活动
研究系统，就是研究系统状 态的变化，即研究系统的动 态特性和运动规律.
性能状态
系统状态
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1.4、系统-分类
描述特性
连续系统：微分方程，差分方程 离散事件系统：逻辑条件，流程图
可以用有限个变量描
物数理学参结性述数的构质物系系体统统和的(，用运称质动为心定线 集)集描中述常性 中和和 参时非 数变线 和性 分布参需时数考(物虑体刚的体扭内转部，运场动)
是系统的本质特征的数学表达式，即用数学公式来 描述所研究的系统的某一方面的规律
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静态模型 :一般形式是代数方程、逻辑工表程达动力关学系式。
系统动力学
动态模型 :
确定性模型
集中参数 :常微分、状态
方程
热传导
连续
分布参数 :偏微分方程
系统
动
随机模型
计算机采样系统
态
模
离散
型
系统
时间离散 采样控制系统：差分、离散状例-工厂经济管理系统
原料
采购部门
制造车间
装配车间
运输车间
成品
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1.3、系统-特点
➢
系统是实体的集合
➢
组成系统的实体具有一定的属性。属性指组成
系统的每一个实体所具有的全部有效特征（如
状态和参数等）。
➢
系统处于活动之中。活动是指实体随时间推移
而发生的属性变化。
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• 多体动力学模型：需要建模者给定各部件的详细特征、运动学约束和系统的拓扑结构， 然后由相应软件工具如：基于Kane 方法的SD/FAST，AUTOSIM，SYMBA；基于 Euler方法的SD/FAST，AUTOSIM，NASTRAN，SIMPACK；基于Lagrange 方法的 ADAMS，DADS，MEDYNA，MADYMD 等自动建立运动学方程。多体模型包含部 件较多，有些参数难以从试验中测量得到，因而不能从整体上保证系统的准确性；另外， 复杂的模型在计算机上求解时花费时间较长，而且一旦模型出错，很难准确查找。
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四、虚拟样机的开发与分析软件
ADAMS软件首先是一个虚拟样机仿真分析软件：
✓它使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库， 创建完全参数化的机械系统动力学模型
✓可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分 析
✓后处理程序可输出各构件的位移、速度、加速度和 反作用力曲线及动画仿真
✓可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、
✓ 再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代替实物 模型进行虚拟实验，实现对设计的验证
✓虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成，是计算机 仿真技术的深化和扩展。
概念 设计
详细 设计
虚拟样机 测试
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产品定型 生产
三、虚拟样机技术(Virtual Prototype)
虚拟样机技术的成功应用范例：波音777飞机 的研制：
3) 结构有效：建模者了解系统内部运行情况， 也了解分解结构。
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3.1、仿真
直观上：仿真就是模仿真实的物理世界 ---简单的三维重现(静态)： Pro/E Solid Edge Solid Work UG 3D Max ---加入动画元素(动态)： Maya AD 第23页/共44页 AMS
➢ 缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场做出灵 活反应成为生产商所追求的目标；
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三、虚拟样机技术(Virtual Prototype)
✓ 利用CAD中的三维几何造型技术，在计算机中建立产品的几 何模型
✓采用计算机仿真技术在几何模型之上附加其它的功能特性， 使之成为产品的数字样机（虚拟样机）
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轮胎的基本功能
决定一辆汽车如何转向、制动和加速的关键控制力 产生于四块不大于人手掌大小的接触区。
1、支撑垂直载荷。 2、缓冲路面引起的振动、冲击。 3、提供加速和制动所需的纵向 力。 4、提供转向所需的侧向力。
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相关书籍推荐
• 余志生主编《汽车理论》第5版
• （美）Thomas D.Gillespie 著.车辆动力学基础.赵六奇，金 达锋，译.清华大学出版社
脉冲传递函数
交通系统、市场系
统、电话系统、计
算机分时系统
离散事件 概率型描述（输出不完全由输入作用产 生）
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汽车动力学模型分类
• 集中质量模型：车辆由众多零部件构成。在不同工况、不同研究目的中，对这些零部 件有不同的处理方法。例如，在制动过程中，车辆作为整体减速，可以假设整车是一个 集中质量块，这个质量块的质心位置与整车质心位置重合，这个质量块拥有与整车相同 的质量和惯性特性。实际上，加速、制动和大多数转向分析，把整车作为一个集中质量 来研究都可以满足要求。但在乘坐舒适性研究中，我们不能忽视弹性元件的作用，而必 须把整车质量分为“悬挂质量”和“非悬挂质量”。集中参数仿真模型计算时间短、效 率高，所需输入参数较少，但不能全面地得到系统中各子系统的运动及其相互的耦合作 用，且需要建模者对汽车进行离散化并推导汽车的运动学方程。
统分解）
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（最优控制、大系
3.4系统仿真
指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替实际 系统来进行实验和研究的一门综合性技术。
三要素:
系统 系统模型 计算机
模型建立
活动规则: 仿真模型建立
仿真实验
抽象
系统
仿真实验
实物模型或 数学模型
计算机
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3.5 系统仿真的分类
2.1、模型
建模总是和仿真一起提出来，他通常是 仿真的第一步
实际系统
计算机
建模
模型
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仿真
2.2 模型的概念
➢模型：是对系统的简化和抽象。 模型可以描述系统的本质和内在联系，通过对模型 进行分析和研究，以达到了解原系统的目的；
➢物理模型 根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物； ➢数学模型
波音777飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术 ✓整机外形、结构件和各飞行系统100%采用三维数字 化定义，100%应用数字化预装配 ✓整个设计制造过程没有完整的模型样机，一次定型 生产成功 ✓波音777成本降低了25%，出错返工率减少了75％， 制造周期缩短了50%
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四、虚拟样机的开发与分析软件
q i -----描述系统的广义坐标(主变量)； Q i -----作用于系统的广义力(力或力矩)； n -----系统方程阶数 。
虚功率原理
高斯原理 非完整系统动力学
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车辆动力学的建模方法及基础理论
三、多体系统动力学 1、以经典力学为基础。 2、多刚体、柔体的运动；采用分布参数体系。 3、由计算机建立动力学方程并进行求解。 4、ADAMS、SIMAPCK等。
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集中质量平顺性研究模型
2l
m1 Iy
k
m3
z3
c z1
m2
z2
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2.3、模型-建模
建模的三个层次：
1) 复制有效：建模者将实际系统看成一个黑箱,仅
从输入输出行为水平上认识系统。
2) 预测有效：建模者对实际系统的内部运行 情况了解清楚,可预测系统将来的状态和行为变化,但 对内部分解结构尚不明了。
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3.2、仿真
系统仿真的结构组成规律的有机整体。
系统
系统模型
系统仿真
研究对象
仿真的核心和前提
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3.3、仿真-作用
1) 实际系统未建立前，对方案进行论证和修改。
777）
（有限元，波音
2) 实际系统建立后，对系统进行改进，寻求最佳参数。
（有限元）
3) 在系统理论中，可检验理论推导。
动力性、 燃油经济性
安全性：制动、驱动、 操纵稳定性、被动安全性
舒适性： 平顺性、NVH
机动性： 通过能力
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可靠性、耐久性
以多学科为基础
一般力学 体系
空气动力学
轮胎力学
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车辆动力学的建模方法及基础理论
一、牛顿矢量力学体系：
牛顿第二定律 式中：m -----质点系总质量； rc -----质心位移； F i -----外力。
• 吴光强 主编.汽车理论.人民交通出版社 • 傅立敏 著.汽车空气动力学. 机械工业出版社 • 喻凡 ，林逸 编著.汽车系统动力学. 机械工业出版社
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仿真基础知识
1.1、系统的定义： 系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干部分结合在
一起而形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。 (主传动系统、施工图、教学大纲、培养方案、系统框图）
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1.5、机械系统的组成及特点
定义：是能够完成机械功或转化机械能的机构或机构 的组合
➢ 机构：是一种用来传递运动和力或改变运动形式的机 械装置。任一机构都是由两个以上的构件组合而成的
特点： ➢ 机械系统的构件间存在着相对运动 ➢ 相对运动的形式由联接各构件的运动副决定
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3.1、仿真
加入各种物理量进行分析（对机械系统而 言）
---运动学、动力学分析：
加速度分析)
ADAMS (位移、速度、
M AT L A B - S I M U L I N K
---有限元分析：
ANSYS
ALGOR
MSC.Nastran，
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3.1、仿真
其它形式的仿真 ---物流系统仿真： Arena Flexsim ---控制系统仿真： M AT L A B ---三维电磁场仿真： ANSoft
2按仿真实验中所取的时间标尺模型时间与自然标尺t之间的比例t1非实时仿真3按参与仿真的模型的种类半实物仿真312最新发展1仿真实验任务的扩展2仿真技术的发展动向向广阔时空发展向快速高效与海量信息通道发展向规模化模型校核验证确认技术发展向虚拟现实技术发展向高水平的一体化智能化仿真环境发展向广阔的应用领域扩展与其它学科融合虚拟样机应用动态联盟的建立32二传统的产品开发流程设计制造物理样机物理样机测试产品定型生产发现问题修改设计并重新制造样机传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模型样机的仿真实验过程传统的产品开发过程是一个周而复始的设计实验设计过程对于结构复杂的系统这一过程是冗长的需要耗费大量的时间和资金
式(1)
欧拉方程
式(2)
式中：I -----刚体绕某轴的转动惯量矩阵；
ω -----刚体的角速度投影矩阵；
M 0 -----外力对于O点的主矩。
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车辆动力学的建模方法及基础理论
二、分析力学体系：
拉格朗日方程
式(3)
式中： ET 、E v 、ED -----系统总动能、总势能、总耗散能；
（1）根据系统的特征 •连续系统仿真：状态是随时间连续变化 •离散事件系统仿真：系统状态是在一些时间点上由于某种随机事件的驱动 而发生变化的系统进行仿真。
（2）按仿真实验中所取的时间标尺τ（模型时间）与自然标尺T之间的比例 • τ/T=1,实时仿真
• τ/T≠1,非实时仿真 （3）按参与仿真的模型的种类 • 物理仿真 • 数学仿真 • 半实物仿真
系统的特点： 第一，系统的整体性； 第二，系统的相关性； 第三，系统具有等级结构性；
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1.2、系统-定义
系统实例-加热炉温度控制系统
温度 给定值
比较器
调节器
扰动
喷油量
加热炉
温度
温度器
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1.2、系统-举例
输入信号 汽车位置
眼睛
大脑
系统实例-闭环转向系统
转向盘 眼睛
输出量 汽车位置
为什么要研究车辆动力学？
研究车辆动力学，为车辆设计、控制服务：
1、描述车辆的动力学性能。 2、预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案。 3、解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。
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研究内容与评价指标
1、纵向动力学 2、垂向(行驶)动力学 3、横向(操纵)动力学
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研究内容与评价指标
峰值载荷；计算构件的约束反力作为有限元分析的输
入载荷等
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四、虚拟样机的开发与分析软件
ADAMS软件也是一个虚拟样机的开发平台： ✓其开放性的程序结构和多种接口，可以成为不同专业领域用
二、传统的产品开发流程
概念 设计
详细 设计
制造物 理样机
物理样 产品定 机测试 型生产
发现问题，修改设 计并重新制造样机
➢ 传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模型(样机) 的仿真实验过程
➢ 传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计－实验－设 计过程，对于结构复杂的系统，这一过程是冗长的，需要 耗费大量的时间和资金；
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2、最新发展 （1）仿真实验任务的扩展 （2）仿真技术的发展动向
向广阔时空发展 向快速、高效与海量信息通道发展 向规模化模型校核，验证、确认技术发展 向虚拟现实技术发展 向高水平的一体化，智能化仿真环境发展 向广阔的应用领域扩展与其它学科融合 虚拟样机应用，动态联盟的建立
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✓90年代，在Chace的ADAMS计算程序的基础上，美 国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发了机械 系 统 运 动 学 与 动 力 学 仿 真 软 件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) ✓在Haug的DADS计算程序的基础上，比利时LMS公 司开发了机械系统运动学与动力学仿真软件 DADS(Dynamic Analysis and Design System)