基于adams整车行驶特性分析

基于adams整车行驶特性分析
摘要：随着虚拟仿真技术的发展，汽车产品的研发越来越依赖于计算机。

对汽车而言，在样车制造之前，通过利用数字化样机，仿真车辆的平顺性，并优化其参数，能够有效降低相关产品的风险。

但目前对车辆平顺性的研究一般采用多刚体动力学方法，而很少将车体柔性部件纳入分析或考量时直接将其用刚体来近似模拟，使得仿真参数与实际情况存在一定的差异。

因此，本文对仿真模型进行整车刚柔耦合系统动力学研究既具有理论意义，又具有工程实用价值。

关键词：虚拟样机；刚柔耦合；整车平顺性；仿真优化
引言
整车行驶平顺性作为汽车主要的使用性能之一，其主要是当汽车在行驶过程中产生振动或受到路面传来冲击时，将他们对车内乘员的影响控制在一定界限之内。

因此，在评价汽车平顺性时，我们往往以实车实验时车内乘员对乘坐舒适的主观感受来进行评价，对运载货物的汽车，则还应包括其保持货物的完好性。

随着我国高速公路的蓬勃发展、路面等级的不断提升和汽车设定车速的不断提高，汽车行驶平顺性也越发显得重要，已成为汽车设计者主要关心的问题之一，同时也是各大汽车厂商在竞争中赖之以生存的一项重要砝码。

一、ADAMS 软件概述
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是一款机械系统动态仿真软件，由美国机械动力公司（MechanicalDynamics Inc.）所开发。

在ADAMS 软件中，要创建完全参数化的机械系统几何模型，可以使用交互图形环境、部件库、约束库和力库。

在对虚拟机械系统进行运动学和动力学分析时，通过其采用多体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法的求解器，建立多体系统动力学方程。

在ADAMS 软件里，多种可选模块被提供给用户，包括交互式图形环境ADAMS/View （图形用户界面模块）、ADAMS/Solver （仿真求解器）和ADAMS/Postprocessor（专用后处理）等在内的核心软件；此外还有ADAMS/FEA（有限元接口）、ADAMS/Animation（高级动画显示）、ADAMS/IGES （与CAD 软件交换几何图形数据）、ADAMS/Control（控制系统接口模块）、ADAMS/Flex（柔性体模块）、ADAMS/Hydraulics（液压系统模块）、ADAMS/CAR(轿车模块)等模块。

尤其是本文建模中主要用到的ADAMS/CAR 模块，它是前MDI 公司与奥迪Audi、宝马BMW、雷诺Renault 和沃尔沃VOLVO 等公司合作开发的轿车专用分析软件包，将其公司专家在汽车设计、开发方面拥有的经验进行打包、集成，并通过在ADAMS/CAR 模块中，成功融入轮胎模块、解算器模块和后处理等模块。

使得汽车各个子系统的虚拟原型可以被汽车工程师随意建造，并如同试验真实样机一样，任意对其进行计算机仿真与分析，同时，输出表示操作稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的性能参数。

二、ADAMS 软件理论基础
（一）、ADAMS 建模坐标系统
在ADAMS 软件中，三种坐标定义方式被系统所提供：
①地面坐标系（Ground Coordinate System）即绝对坐标系，它被固定在地面（Ground Part）上。

ADAMS中所有刚（柔）体部件均以地面坐标系为参照来确定自身的位置和方向。

②局部坐标系（Local Part Reference Franme，LPRF）局部参考坐标系存在于每个部件中-LPRF，其位置和方位相对于绝对坐标系（即地面）来定义，并随部件一起运动。

③标记系统（Marker）在各个部件中，共拥有两类独有坐标系统：一种是固定标记（FixedMarker）——固结于部件上并随其一起运动。

相对于LPRF来定义，固定标记的位置和方向并不随时间变化而变化，一般用于定义部件的图形边界、质心、作用力和约束；另一种是浮动标记（FloatingMarker）——约束和一些力在ADAMS中通过它来确定作用力，其位置和方向为自动标明。

（二）、ADAMS 软件中系统自由度计算
在ADAMS 建模系统中，既有一般约束库，又有基础约束库。

其中，机械系统常见的约束被包含在一般约束库中，如转动副、移动副、固定副等等；基础约束库则是一些抽象的约束。

在ADAMS 软件中，对机构属运动学分析或是动力学分析的类型，由机构的自由度决定。

（ADAMS 无法计算超静定问题，故忽略机构自由度小于0 的情况）。

若DOF=0,对机构进行运动学分析。

此时，只需考虑系统的运动规律，而不需考虑产生运动的外力。

在运动学分析中，当确定某些构件的运动状态后，其余构件的位移、速度和加速度随时间变化的规律，是通过机构内部件间的约束关系来确定，并不是由牛顿定律确定，而在计算时，则是依据位移的非线性代数方程、加速度以及速度的线性代数方程迭代。

若DOF>0，对机构进行动力学分析。

此时，因保守力和非保守力共同作用而引起机构运动，构件运动需满足约束要求和给定的运动规律，即包括静力学分析、准静力分析和瞬态动力学分析。

机构运动中的拉格朗日乘子微分方程、约束方程二者组成的方程组，即构成动力学的运动方程。

（三）、ADAMS 的算法
在ADAMS里，面对运动学和动力学分析中的一系列非线性方程，可以采
用修正后的Newton-Raphson迭代算法来迅速准确地求解[26]。

根据机械系统的特性，针对动力学微分方程选择不同的积分算法：对刚性系统，可采用变系数的BDF（Backwards Differentiation Formulation）刚性积分程序，它属于自动变阶与变步长的预估校正法（PECE，Predict-Evaluate-Correct-Evaluate）在积分的每一步均采用修正的Newton-Raphson迭代算法；对高频系统（High-Frequencies），可采用坐标分配法（Coordinate-Partitoned Equation）和（ADAMS-Bashforth-ADAMS-Moulton）方法。

三、整车行驶平顺性仿真和结果分析
行驶平顺性作为汽车主要的使用性能之一，其主要是当汽车在行驶过程中产生振动或受到路面传来冲击时，将他们对车内乘员的影响控制在一定界限之内。

因此，在评价汽车平顺性时，我们往往以实车实验时车内乘员对乘坐舒适的主观感受来进行评价，对运载货物的汽车，则还应包括其保持货物的完好性。

随着我国高速公路的蓬勃发展、路面等级的不断提升和汽车设定车速的不断提高，汽车行驶平顺性也越发显得重要，已成为汽车设计者主要关心的问题之一，同时也是各大汽车厂商在竞争中赖之以生存的一项重要砝码。

（一）、汽车平顺性的评价
汽车的行驶平顺性，主要是指因路面不平而引起的汽车振动，其频率范围大致为0.5~25Hz。

“路面-汽车-人”系统的框图（如图1所示），可以很好地分析汽车的平顺性。

路面不平度和车速构成了汽车振动系统的“输入”过程。

在此“输入”过程中，经由悬架、坐垫、轮胎等弹性元件、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量等振动系统的传递，得到振动系统的悬挂质量或进一步经座椅传至人体的加速度即系统的“输出”，此加速度通过人体感觉得到的对振动的反应——舒适性来评价汽车的平顺性。

通常情况下，还要综合考虑路面与车轮间的动载，以及悬架弹簧的动挠度，作为优化振动系统的“输出”目标。

它们均是撞击悬架限位概率和行驶安全性的影响因素。

图1 “路面-汽车-人”系统示意图
整车平顺性分析分别对随机路面输入、三角脉冲路面输入、长坡路面输入进行仿真计算，并分别对各种试验所测量的数据和曲线进行处理，按照国家标准进行评价。

（二）、三角脉冲输入平顺性试验
1、三角路面生成
根据GB/T/5902-86 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法的规定，三角形凸块的外形如图2所示。

图2三角形凸块示意图
三角凸块高h=60mm，底边长为400mm，B 视情况而定，但是必须大于轮宽。

三角脉冲路面可利用ADAMS/CAR Ride 里面的table functions 生成。

2、三角脉冲输入仿真
汽车分别以30km/h、60km/h车速驶过三角凸块，整车质心垂向加速度曲线分别如图3-图4所示。

图3整车质心处垂向加速度（30km/h）
图4整车质心处垂向加速度（60km/h）
（三）、评价分析
在ISO5631 新草案中对标准环境下凸块脉冲输入对平顺性试验提出了如
下指标，座椅表面传递给乘员的最大加速度响应绝对值ACCmax：①ACCmax > 43.02m/s 时，将危害健康；②ACCmax < 31.44m/s 时，对健康无害；③ACCmax 在31.44m/s 与43.02m/s 之间时对健康有一定的影响。

结束语
总之，首先介绍了平顺性的主要评价方法，然后分别给出了随机路面、三角脉冲输入路面、长坡脉冲输入路面的生成方法，并建立了与之对应的整车行驶平顺性仿真分析所需路面模型，最后对整车刚柔耦合仿真模型进行了不同车速、不同脉冲输入下的整车行驶平顺性仿真分析，并得出相应结论。

参考文献
[1] 鲍卫宁.基于ADAMS 软件的轿车悬架动态模拟与仿真[D].武汉理工大学硕士学位论文，2002:25-28.
[2] 骆涛.轿车悬架运动学及整车平顺性仿真[D].合肥：合肥工业大学，2008.。