汽车动力学仿真基础

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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• （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
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• 使用ADAMS/car，工程师可以建立整车的虚拟样机，修改各 种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显示仿真数据结果
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
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 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； 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；
集中质量平顺性研究模型
2l m1 k m3 z3 m2 Iy c z2 z1
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。 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。
活动规则: 系统
模型建立 仿真模型建立 仿真实验
抽象
实物模型或 数学模型
仿真实验 计算机
3.5 系统仿真的分类
（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
温度 给定值 比较器 调节器 喷油量 加热炉 温度
温度器
1.2、系统-举例
输入信号 汽车位置 眼睛 大脑 转向盘 输出量 汽车位置
系统实例-闭环转向系统
订单
眼睛
生产管理部门
系统实例-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
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）。
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 户进行特定专业类型虚拟பைடு நூலகம்机分析的二次开发平台 例 如 ， 在 ADAMS 核 心 模 块 基 础 上 开 发 的 专 业 轿 车 模 块 ADAMS/car，就是一个专业的虚拟样机生成工具
欧拉方程
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。
式(2)
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； 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 。
车辆动力学基础
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。
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
研究内容与评价指标
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、 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

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。
1.3、系统-三要素
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.
实体 属性 活动
性能状态
系统状态
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
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 ADAMS
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： ADAMS (位移、速度、加速度 分析) MATLAB-SIMULINK ---有限元分析： ANSYS ALGOR MSC.Nastran，Fatigue SAP
数学模型 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
静态模型 :一般形式是代数方程、逻辑表达关系式。 工程动力学
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 分布参数 :偏微分方程
连续
系统
动 态 模 型
离散 系统
随机模型
计算机采样系统
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
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
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(1)
式中：m -----质点系总质量； rc -----质心位移； F i -----外力。
可以用有限个变量描 述的系统，称为集中 参数系统(用质心描述 物理结构和 物体的运动)
数学性质
线性和非线性 需考虑刚体内部运动 时 (物体的扭转，场) 定常和时变 集中参数和分布参数
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
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
仿真
模型
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；
四、虚拟样机的开发与分析软件
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)
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）
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
时间离散 采样控制系统：差分、离散状态方程、 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）
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。 • 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。
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。 （最优控制、大系统分解） 4) 人员训练 （飞行员，潜艇，核电站）
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
虚功率原理 高斯原理 非完整系统动力学
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。
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。
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
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：
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%
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： MATLAB ---三维电磁场仿真： ANSoft
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
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。 （有限元，波音777）
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）
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；
1.2、系统-定义
扰动
系统实例-加热炉温度控制系统