ADAMS在某微轿整车动力学仿真中的应用及其二次开发

ADAMS在某微轿整车动力学仿真中的应用及其二次开发

张云清 陈立平 任为群 宋健华中科技大学 清华大学

摘 要：本文利用ADAMS软件建立了某国产轿车的操纵动力学多体仿真模型，详细考虑了前后悬架系统、转向系统以及轮胎，并考虑了各种连接件中的弹性衬套的影响，对该车稳态、瞬态以及制动等工况进行了动力学仿真。并结合该车的拓扑结构对ADAMS进行了二次开发，形成了一个自动化建模、仿真系统。

关键词：多体系统动力学，车辆动力学，操纵稳定性，自动化建模，仿真系统

一、前言

数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用，许多国际知名汽车企业均已构建了数字化虚拟样机设计、开发环境，许多产品已完全实现了数字化。系统动力学仿真是数字化虚拟样机技术的核心、关键技术。对汽车而言，车辆动力学性能尤为重要，为了降低产品开发风险，在样车制造出之前，利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真，并优化其参数就显得十分必要了。车辆动力学问题本身是多体系统动力学问题，目前国外许多汽车企业都已经大规模应用多体分析程序来进行车辆动力学仿真，并且利用系统仿真的概念，从设计--试验--改进设计—再试验—再设计的设计理念转为设计--仿真--试验，使设计中的主要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解决。目前在汽车上的应用已经可以集成机械、弹性体、液压、控制于一体进行动力学仿真，已处于成熟应用阶段[2~3]。而且为了能够实现真正的并行工程，许多企业拥有自己的多体车辆动力学仿真专用系统，如ADAMS/Car、 ADAMS/Pre使建模自动化，大大缩短建模、仿真时间。 本文利用多体分析软件ADAMS建立了某国产轿车的操纵动力学多体仿真模型，详细考虑了前悬架系统（麦克弗逊式撑杆式悬架）、后悬架系统（查普曼式撑杆式悬架）、转向系统（齿轮—齿条转向系统）以及轮胎，并考虑了各种连接件中的弹性衬套的影响，对该车进行了整车稳态回转、瞬态以及制动等工况进行了动力学仿真。并根据该车的拓扑结构对ADAMS进行了二次开发，建立了一个面向设计师的、自动化建模仿真系统。

二、ADAMS整车多体仿真模型

2.1 前悬架模型

该车前悬架为典型的麦克弗逊式撑杆式悬架，其结构简图如图1(前悬架Pro/Engineer 三维造型)。由下摆臂、羊角、减振器上端构成，各部件质量、惯量信息由Pro/Engineer给出，下摆臂与车身间由两个弹性衬套（不考虑弹性衬套时为转动铰链）相连，下摆臂与羊角由球铰相连，减振器上端与羊角由圆柱铰相连，减振器上端与车身间弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链）相连，减振器上端与羊角间还有弹簧、阻尼器力元。

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2.2转向系统模型

该车转向系统为齿轮—齿条式转向系统，由方向盘、转向轴、转向传动轴、转向输出轴、转向齿条、转向横拉杆构成。方向盘与转向轴间为固定铰，转向轴与车身间为转动铰，转向传动轴与车身之间为转动铰链，转向输出轴与车身之间为转动铰链，转向输出轴与转向齿条之间为复合铰链，转向轴与车身间转动铰与转向传动轴与车身间转动铰链为复合铰链，转向传动轴与车身间转动铰与转向输出轴与车身间转动铰链为复合铰链，齿条与转向横拉杆之间为万向节铰链，转向横拉杆与羊角之间为球铰，齿条与车身之间为移动铰链，转向输出轴与

转向齿轮之间还作用有扭转弹簧—阻尼器 。

2.3后悬架系统模型

该车前悬架为查普曼式撑杆式悬架（麦克弗逊悬架的一种变形），其结构简图如图2(后悬架Pro/Engineer 三维造型) 。由羊角、减振器上端、前下摆臂、后下摆臂、纵推力杆构成。减振器上端与羊角之间为圆柱铰链，减振器上端与车身之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链），前下摆臂与羊角之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为球铰链），后下摆臂与羊角之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为球铰链），前下摆臂与车身之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链），后下摆臂与车身之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链），纵推力杆与羊角之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为球铰链），纵推力杆与车身之间为弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链），减振器上端与羊角之间

图1 图2

还有弹簧、阻尼器单元。

2.4轮胎模型

轮胎与羊角之间为转动铰链，在轮胎与地面之间作用六个分力来描述轮胎力学特性。为了进行转弯制动工况仿真采用了基于轮胎侧偏特性试验数据、考虑侧滑、纵滑联合工况的轮胎侧偏特性理论模型--UA轮胎模型，有关UA轮胎模型理论可参考[4~5]。

2.5整车约束与自由度分析

图3为整车ADAMS 模型。约定不考虑弹性衬套为多刚体模型，考虑弹性衬套为多柔体模型，从以下表中可以看出整车系统的约束与自由度情况：

对多刚体模型而言其16个自由度分别对应以下自由度：车身6个自由度；前悬架两下摆 臂的2个摆动自由度；后悬架两减振器处2个相对位移自由度；4个车轮的4个转动自由度；

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齿条的1个移动自由度；考虑转向系统弹性的1个转动自由度；相应多柔体模型而言则有 84个自由度。

模型 28个PART 铰链类型 铰链个数 约束自由度 整车自由度数 1 4 10 10 3 1 4 8 4 3 1*5 4*4 10*5 10*3 12*4 3*1 1*5 4*4 8*5 4*3 2*4 3*1 表一 图3

84 16 圆柱副 转动副 球副 复合副 多柔体模型 移动副 28个PART 圆柱副 转动副 球副 复合副 多刚体模型 移动副 万向节副 12

万向节副 2

三、操纵稳定性仿真结果

3.1稳态试验仿真

为了验证多体模型的正确性，对整车稳态仿真结果与实车试验结果进行了对比。试验为满载工况，按GB/T6323.6-94的要求进行。整车质量为1065Kg,其中前轴570Kg,后轴495Kg,初始转弯半径为20 米。仿真模型为多柔体84自由度模型，仿真边界条件与试验相同。整车满载在干路面上右转的稳态转向特性的仿真与试验（前后侧偏角差特性）对比结果见图4，可知仿真结果与试验结果变化趋势相同，在小横向加速度下（线性范围下）吻合相当好，在大横向加速度下（非线性范围下）有一定差别。仿真模型还输出了其他一些重要参数，图5为车身侧倾角与横向加速度关系图，图6为车身横摆角速度与横向加速度关系图。为了分析前后悬架中的弹性（衬套）对整车的稳态回转特性的影响，分别对前后悬架均为刚体的16自由度模型，前悬架为柔性体、后悬架为刚体的34自由度模型，前悬架为刚性体、后悬架

为柔体的65自由度模型，以及前后悬架均为柔体的84自由度模型进行了对比分析。empty 表

图4 图5

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示空载工况，F 表示前悬架， R表示后悬架 ，r表示刚体模型， f表示柔体模型。图7结果显示前悬架中的弹性产生轻微的不足转向特性，后悬架中的弹性则产生较强的过度转向特性。

图6 图7

3.2瞬态试验仿真

汽车的瞬态特性是评价汽车操纵稳定性好坏的重要评价方法。因此象角阶跃、角脉冲、力阶跃、力脉冲、转向回正、单移线、双移线、正弦输入等评价方法在不同国家得到不同重视。同时车辆的瞬态特性的计算机仿真已成为汽车瞬态特性理论研究与样车性能预测的重要手段。本文仅给出转向回正特性仿真结果并与试验结果进行对比验证。图8--图11为低速回正试验仿真，汽车沿半径为15米的圆周行驶，并使侧向加速度达到0.4g ,然后撒手。其中横摆角速度与试验对比见表二。

表二 表三

分 类 对比项目 起始横摆角速度（°/s） 残留横摆角速度（°/s） 试 验 28．18 仿 真 28．20 对 比 项目 车速（Km/h） 30 50 80 试验结果 5．7 14．1 40．9 仿真结果 6．1 16．9 43．3 1．16 1．6 稳定时间（s） 1．88 1．64 图8 图9

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图10 图11

3.3制动试验仿真

整车制动性能的仿真试验，包括直线制动、转弯制动情况下的仿真计算与分析，与直线制动实车试验进行了比较验证，结果对比见表三。

图12—图19为整车满载在峰值摩擦系数μ=0.94，滑动摩擦系数μ=0.74路面上，初始车速为40Km/h，侧向加速度0.32g，制动踏板力分别为（图14，17）8Kg，（图15，18）30Kg,（图16，19）100Kg三种不同制动强度下的转弯制动稳定性仿真计算结果。由制动分析结果可知：在小制动强度下，制动过程中前轮未抱死，整车制动轨迹仍能保持圆周方向；在大制动强度下，前轮抱死，丧失转向能力，但车辆仍保持稳定。

图 12 图13

图14 图15

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图16 图17

图18 图19

四、ADAMS 二次开发的仿真系统简介

在车辆动力学研究的历史长廊中，对汽车的建模与仿真始终是一个关键问题。汽车本身是一个由各种力学铰链和弹性元件构成的复杂的多体系统，加上实际工况的复杂性，这给车辆动力学的研究提出了许多挑战。最初由于计算机硬件与软件方面的限制，人们不得不对汽车进行简化，采用经典力学方法，手工推导其动力学方程，手工编制程序，从最初的两自由度到十几自由度。这种经典方法对车辆动力学的研究起了非常重要的作用，特别是在车辆动力学的理论研究方面起了奠基作用。但这种方法均是不同程度对汽车进行某种简化下得出的，这使汽车的许多特性无法精巧得到，如在汽车的某种工况下所有铰链的受力情况。随着计算机技术的长足进步，特别八十年代以来这种情况得到了改变，多体系统动力学这一学科的成熟是车辆动力学的建模与仿真产生了巨大飞跃，特别是ADAMS软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出，使汽车的设计开发产生了本质变化，大大缩短了开发周期。虽然多体分析商品化软件能够解决车辆动力学中的模型的复杂性和精确性，但其本身应用也有一些问题。由于将汽车考虑为一复杂的多体系统，与经典方法相比建模的工作量明显增加，而且建模者需有较强的力学背景知识，加上车辆动力学的各种工况的复杂性，以及建模中输入变量、输出变量的复杂性，以及不同模型的变拓扑结构等问题，使一般的产品设计人员较难直接应用多体通用程序进行虚拟样机模拟来解决实际问题。因此国外的汽车公司均在多体商品化软件基础上开发有自己特色的虚拟样机仿真系统，如福特公司的ADAMS/PRE，ISUZU公司的ADAMS/ISUZU，大约28个主要汽车公司拥有在ADAMS基础上二次开发的专用仿真系统，其用户界面十分友好，一般产品设计人员均可直接使用，大大提高了仿真的工作效率。针对这种情况，我们在ADAMS 的基础上二次开发了该微轿整车操纵稳

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定性多工况自动仿真系统。

ADAMS本身是一个通用多体分析程序，如果直接利用ADAMS构造汽车的整车模型，则十分繁复，针对这种情况，MDI公司先后就汽车工业特点开发了ADAMS/Vehicle 和ADAMS/Car，ADAMS/Vehicle 是一个悬架仿真程序，不能完成整车的动力学仿真。ADAMS/Car是针对整车仿真开发的一个平台，借助这个平台可以更容易地二次开发各具特点的整车仿真程序。上面提到的28个主要汽车公司均是与MDI公司合作在ADAMS/Car的基础上开发各具自身特点的专用整车仿真系统。我们借鉴ADAMS/Car的特点，在ADAMS/View的基础上自主开发一个专用整车仿真系统-----整车操纵稳定性多工况自动仿真系统。ADAMS/View本身在开发整车仿真系统时虽没有ADAMS/Car方便，但其有相当强的开放性，其模型开发语言macro功能十分强大。就该仿真系统而言，其输入界面面向设计师，让设计师输入最少的数据量，让大量的建模工作由程序后台实现，尽量减少人的干预，最大限度地降低使用者对ADAMS的要求。同时该程序应能根据研究的需要可改变模型的拓扑结构，可仿真三种稳态工况、八种瞬态工况、直线制动工况及转弯制动工况。该系统大大提高了建模、仿真速度，同时使ADAMS的应用面扩大，尤其产品设计人员可自接使用，为今后真正实现并行工程打下了基础。

五、结论

本文利用ADAMS软件建立了某一轿车的操纵动力学模型，并进行了稳态、瞬态、制动等工况的仿真，并结合具体车型二次开发了一整车操纵稳定性多工况自动仿真系统。结果显示多体系统动力学在车辆操纵动力学仿真分析中是十分有效的。尤其在今后考虑ABS、TCS等动力学与控制集成问题多体系统动力学必将显示更大的生命力。

参 考 文 献

[1]Brach R Vehicle dynamics model for simulation on a macrocomputer. Int.J of Vehicle Design Vol 12 no 4 ,404~419

[2]Zeid A,Chang D Simulation of multibody systems for the computer-Aided-Design of Vehicle dynamic control SAE paper No 910236,1991

[3]Villoc G Co-simulation of an Automobile Control System using ADAMS and Xmath 1998 international ADAMS User Conference

[4]Gim G,,Nikravesh P An analytical model of pneumatic tyres for vehicle dynamic simulations Part 1:Pure slips Int. J of Vehicle Design ,Vol11 No 6 589~618,1991

[5] Gim G, Nikravesh P An analytical model of pneumatic tyres for vehicle dynamic simulations Part 2:Comprehensive slips Int. J of Vehicle Design ,Vol12 No 1 19~39,1991 [6]郭孔辉 汽车操纵动力学 长春 吉林科学技术出版社 1991

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Abstract: In this paper, a mini-car handling simulation model was built using multibody dynamics software ADAMS. In the model, we considered the front suspension system , rear suspension system ,steering system and the tire model in detail, and the bushing effect was included in this study. The steady state, transient and braking test are simulated. According the topology structure

Of the mini-car a customizing module system based on ADAMS/View was built, with this module the dynamics model of the mini-car can be made automated.

Key Words: Multibody dynamics, Vehicle dynamics, Vehicle handling, Automated model, Simulation system.

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