基于多体动力学的悬架建模及载荷仿真研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 5.94MB 72 页 15积分

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摘要

汽车悬架系统是传递车身与轮胎之间各种力和力矩的连接装置。悬架作为轿

车上至为重要的结构件，既要承受整车的大部分重量，又要吸收来自地面对车体

的冲击能量，还要保证整车的平顺性和操纵稳定性。而悬架系统又是一个复杂的

多体系统，其构件之间的运动关系十分复杂，这就给通过传统的计算方法分析悬

架的各种特性带来许多的困难。随着数学、力学和计算机信息科学技术等学科的

发展而发展起来的多体系统动力学为解决汽车悬架的分析、设计和控制等问题提

供了有力的工具。基于 ADAMS 的虚拟样机技术，在汽车等领域中有着广泛的应

用，但模型往往不能通过相应的实验验证其准确性，这就给仿真结果的可靠性带

来诸多疑问。

本文以某型轿车为研究对象，首先通过 UG 软件建立出其三维模型，以取得

悬架系统中各零件的质量参数和转动惯量。根据该悬架整车下的坐标系定位出

ADAMS 软件建模所需的硬点坐标；通过实验得出弹簧的刚度曲线、减震器的阻

尼特性曲线和各部件间衬套的非线性刚度曲线；运用多体系统动力学的理论和方

法搭建出该后悬架的多体动力学模型。并且进行了左右车轮平行跳动运动学仿真

试验，得到了定位参数随轮跳变化曲线。通过处理典型路面的道路谱后，得到了

与仿真模型相对应的输出曲线即应力-位移曲线，随后为进一步提高模型精度对该

车进行典型道路载荷谱采集和处理，在与模型得出的仿真曲线的对比中，进一步

验证了模型的准确性和可靠性,实现了载荷的仿真。最后分析了误差产生的原因，

并提供了初步解决方案。

该论文中运用的方法为研究人员利用该模型对其它种类悬架进行平顺性、操

纵稳定性提供技术参考和依据。并为下一步研究悬架耐久性快速评价提供虚拟仿

真平台及载荷仿真方法。

关键词：多体动力学悬架系统仿真 ADAMS/CAR 载荷谱

ABSTRACT

The vehicle suspension system is a connecting device, which transmit various

force and moment between body and tire. As a vital structural component, it must

sustain the most of body’s weight. Furthermore it has to absorb the impact energy from

the road surface. The vehicle ride performance and handling performance also be

ensured. But the suspension system is a complicate multi-body system. The motion

relationship among the parts is very complicate, so it brings many difficulties to

compute the various characteristics with traditional computation methods. The theory

of multi-body dynamics that developed with mathematics, mechanics and computer

science supplies a good tool for it in analysis, design and control problems etc.

ADAMS virtual model technology is widely used auto industry. But the result of

simulation is trustless from lack of corresponding experiments. The outcome of the

simulation is suspected.

This dissertation takes a type of some car as the research object. The 3D model is

created by using UG software which can get the mass parameter and moment of inertia

of the components firstly. The suspension system’s simulation models are built by

utilizing ADAMS/CAR software. The hard point coordinate has been acquired based on

the vehicle axis system for simulation model. Stiffness curve of the spring、damping

performance curve of absorber and bush nonlinearity curve are all be obtained base on

several test. The simulation model for the suspension is investigated and kinematics

analysis is also studied by analyzes the curve of the left and right wheel parallel jump

suspension kinematics simulation. By deal with a typical load spectrum, the

corresponding stress-displacement curves are gotten. Then the road test was done on

the intensified stone block pavement to acquire the multi-channel road response signal.

Then data processing and contrastive analysis with model curve is done for inspect and

verify the precision of the model.The simulation of load is achieved. At last,the reasons

of the difference are analyzed, preliminary solution is provided.

The method of this paper was instructive to research on the vehicle ride

performance and handling performance. The simulation platform and load simulation

method is provided for the further study in quickly evaluation of suspension durability.

Key Words: multi-body dynamics, suspension system, simulation,

ADAMS/CAR, load spectrum

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题研究背景 ................................................. 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................... 2

§1.2.1 虚拟样机技术在悬架系统设计中的应用 ....................... 2

§1.2.2 多体系统动力学研究发展 ................................... 3

§1.3 课题来源及其目的、意义 ....................................... 5

§1.4 本文主要工作内容 ............................................. 5

第二章多体系统动力学及建模基本理论 .................................. 6

§2.1 多体系统动力学理论 ........................................... 6

§2.2 多体系统动力学建模与求解过程 ................................. 8

§2.3 多刚体系统动力学分析与计算 ................................... 9

§2.3.1 自由度的计算 ............................................. 9

§2.3.2 动力学方程的建立 ........................................ 11

§2.3.3 运动学分析 .............................................. 14

§2.3.4 初始条件分析 ............................................ 15

§2.4 本章小结 .................................................... 18

第三章悬架多体系统建模 ............................................. 19

§3.1 悬架多体系统建模概述 ........................................ 19

§3.2 悬架系统模型建立条件 ........................................ 21

§3.2.1 模型惯性参数和几何参数 .................................. 21

§3.2.2 衬套、弹簧及阻尼器等力元模型 ............................ 21

§3.3 仿真试验台模型 .............................................. 26

§3.4 模型建立 .................................................... 26

§3.5 本章小结 .................................................... 29

第四章悬架载荷仿真与分析 ........................................... 30

4.1 仿真结果与分析 ................................................ 30

§4.2 载荷谱预处理 ................................................ 31

§4.2.1 功率谱密度分析 .......................................... 31

§4.2.2 零件载荷时间历程滤波 .................................... 34

§4.3 应力-位移曲线回归 ........................................... 37

§4.4 仿真结果评价 ................................................ 40

§4.5 本章小结 .................................................... 42

第五章悬架载荷仿真的实际验证 ....................................... 43

§5.1 传感器位置的选择 ............................................ 43

§5.2 传感器的制作 ................................................ 44

§5.2.1 传感器的制作原则 ........................................ 44

§5.2.2 传感器制作过程 .......................................... 45

§5.3 测量仪器及传感器标定 ........................................ 51

§5.3.1 测量仪器及测量系统介绍 .................................. 51

§5.3.2 传感器标定 .............................................. 52

§5.4 试验道路及载荷谱的采集 ...................................... 55

§5.4.1 道路试验方法 ............................................ 55

§5.4.2 试验道路和试验工况 ...................................... 56

§5.5 实验结果及模型验证 .......................................... 59

§5.6 本章小结 .................................................... 63

第六章全文总结及展望 ............................................... 64

§6.1 全文总结 .................................................... 64

§6.2 本文的创新点 ................................................ 64

§6.3 展望 ........................................................ 64

附录 ............................................................... 65

参考文献 ............................................................ 66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 69

致谢 ............................................................... 70

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

近年来随着国内汽车工业的持续快速发展，涌现出一批具有自主知识产权的

民族轿车品牌，从一定程度上改变了国内轿车市场上外国品牌一统天下的局面；

但是通过委托国外公司开发设计得来的知识产权并不能从根本上提升民族汽车工

业的自主研发能力，如果这种情况得不到有效解决，最终将形成有产权无知识的

尴尬境地。总之，在核心技术方面依然过于依赖国外汽车公司，缺乏完整的自主

知识产权，自主开发设计能力低，技术储备薄弱等因素严重制约着我国汽车工业

的发展。因此，建立企业自主研发能力势在必行，也只有这样才能提高企业的核

心竞争力，只有依靠我们自身的设计能力才能开发出真正适合国情的国民车来，

为民族汽车工业在激烈的市场竞争中发展壮大打下坚实的基础。

汽车的开发从大的方面分为两个阶段，功能开发和耐久性保障。但是限于我

国长期在汽车研发方面积累欠缺，汽车技术的跨越式发展受到制约。一般功能基

本都能满足，往往耐久性较差，使竞争力大大降低。特别是整车和零部件的耐久

性评价技术比较薄弱，影响了整车开发的水平。

汽车是一个包含惯性、弹性和阻尼等动力学特征的复杂非线形机械系统[1]，

如转向、悬架、传动机构等之间的相互耦合作用，使组成汽车的动态特征非常复

杂。车辆的运动工况也是多种多样，在实际行驶过程中，会有各种各样的外在激

励及内在控制，不同的工况下车辆各个零件的空间位置及受力情况均有变化。这

些都给运动学和动力学的分析带来很大的困难，以前用简化条件下的图解法等方

式分析车辆这样复杂的空间机构是非常困难的，不仅误差大，而且费时费力。

在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析和求解始

终是一个关键问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，

加上人-车-人环境的相互作用，给汽车动力学研究带来了很大的困难。由于理论方

法和计算手段的限制，该学科曾一度发展较为缓慢。主要障碍之一在于无法有效

的处理复杂受力下多自由度分析模型的建立和求解问题。许多情况下，不得不把

模型简化，以便使用古典力学的方法人工求解，从而导致汽车的许多重要的特性

无法得到较精确的定量分析。计算机技术的飞速发展，使我们在处理上述复杂问

题上产生了质的飞跃。有限元技术、模态分析技术以及随后出现的多体系统动力

基于多体动力学的悬架建模及载荷仿真研究

学正是在这种情况下发展起来的。这些理论方法出现以后，很快在汽车技术领域

中得到了应用。

国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研

究的发展过程。力学模型逐渐由线形模型发展到非线形多体系统模型;模型的自由

度由两个自由度发展到数十个自由度。到了 80 年代初，不仅有许多通用的软件可

以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。

研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。80 年代中

期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。国外各主要汽车厂家和

研究机构在其 CAD 系统中安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分

析、优化设计等软件一起构成一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作

用。商品化的多体软件的销售量呈上升趋势。目前市场上占有率最高的是美国 MDI

公司开发的 ADAMS，其在汽车行业中的使用率为 43%，该软件在为客户提供通

用平台时，还专门提供了用于车辆分析的专门模块(ADAMS/Car)(2-5)，使用起来非

常方便。

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 虚拟样机技术在悬架系统设计中的应用

通过上述的回顾可以发现，近年来虚拟样机、虚拟试验技术逐渐得到各大汽

车厂家和研究人员的重视，并被日益广泛地应用于产品开发。这一趋势的形成客

观上是随着计算机技术的发展，多种大型的专用和通用 CAD／CAE／CAM 软件

应用日益广泛，以其为基础的虚拟样机虚拟试验技术的可靠性逐步得到验证，主

观上则是日益严峻的市场竞争，使得缩短产品开发周期、降低开发成本成为各大

汽车厂家迫切需要。

虚拟样机技术(Virtual Prototype Technology)是指在计算机上使用工具软件建

立机械系统的三维实体模型、运动学模型和动力学模型，分析和评估系统性能，

为物理样机设计、制造和研究提供参数依据的技术。

虚拟样机的核心实际上就是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括

三维 CAD 建模、有限元分析、系统及元件的最优化设计、机电液控制等相关技术。

采用虚拟样机和虚拟试验，在产品的设计阶段即可评价产品的性能，对缩短新产

品开发周期、降低设计成本具有重要意义。针对机械工程子学科的车辆工程，以

车辆系统动力学为核心，辅助以其他 CAD／CAE 相关技术，即可构建车辆或其子

系统虚拟样机，进行性能分析及零部件的设计和优化。

第一章绪论

车辆系统动力学主要研究车辆受到的力和运动的关系，并找出车辆主要性能

的内在联系和规律。一般来讲，车辆动力学模型主要分为物理模型和数学模型。

车辆模型的建立、分析和求解一直困扰着研究人员，既是阻碍车辆动力学发展的

障碍，也是研究的重点。车辆系统动力学隶属于机械系统动力学，一般可分为多

刚体系统动力学和多柔体系统动力学，统称多体系统动力学。多体动力学理论基

础将在第二章中做详细阐述。

§1.2.2 多体系统动力学研究发展

60 年代初，宇航及机械领域的一些学者们率先开始了多刚体动力学的研究

工作，到了 60 年末 70 年代初，美国、德国和前苏联的一些学者提出了各自较为

系统的理论和方法。70 年代初一些多刚体系统动力学的分析软件相继问世，多柔

体系统动力学的理论工作已经展开。1977 年，在德国 Munich 由国际理论与应用

力学大会(IUTAM)主持召开的第一次国际多体系统动力学讨论会[6]，1983 年，在

美国的 IONA 由“机械系统动力学计算机分析与优化讲习会"对多体系统动力学的

发展起到了很大的推动作用[7]。

1985 年，在意大利的 Udine，由国际机械与机构理

论联合会(IFToMM)联合主办的第二次国际多体系统动力学研讨会上，展示了代表

多种多刚体系统动力学方法体系的最新成果[8]，它标志着多刚体动力学的日趋成

熟。在这次会议上，多柔体系统动力学方面的研究也十分活跃。80 年代中期和后

期是多柔体发展较快的时期，不仅出现了大量的有关文献[9-13]，甚至还出现了有关

专著[14-15]。在一些多体软件中，有关柔性体的内容不断增加。1989-1990 年由德国

Stuttgart 大学的 Schiehlen 教授主持，完成了《多体系统手册》

[16]的编辑出版工作。

该手册对世界上多体系统动力学领域的 17 个研究团体的工作和成果进行了介绍。

在该手册介绍的软件中，有 8个软件包括了多柔体，其中包括 ADAMS、DADS、

DISCOS、MEDYNA 等许多著名软件。

70 年代初期，Erdman 等人就用运动弹性力学线性理论[17-18]的求解策略对柔

性系统做了分析研究，但计算缺乏精度。70 年代中期，美国 Lehigh 大学 Likins

教授[19]首次提出了用离散坐标描述物体的大位移运动，用模态坐标或有限元节点

坐标描述物体的弹性变形。在他的研究中，力学系统可以是柔性树结构和可变拓

扑等系统，内体约束可以包括定常和非定常、完整和非完整约束。在控制系统中，

他提供了 8种可供选择的传感器和 5种可供选择的执行机构。Ho 和Hooker 对内

联多刚体末端为柔性体的树状多体航天器动力学进行了研究[20]，Ho 用直接通路法

将各物体的运动量转换到一个指定的主体上，消去物体间的约束力后得到系统的

动力学方程。

1985 年，

Ho 建立了每个物体均为变形状的树状柔性多体航天器动力

基于多体动力学的悬架建模及载荷仿真研究

学与控制方程[21]，并通过摄动法对所建立的方程进行线性化，在此基础上研制了

ALLFLEX 通用软件，其特点是能够充分利用结构力学分析程序产生的模态信息。

Hooker 也应用直接通路法描述系统的拓扑结构，并用嵌套体自动消除约束反力[22]。

Boland 等人把多刚体系统动力学中的 Roberson-Wittenburg 方法作了直接发展，用

d’Alembert 原理建立任意物体均为变形体的树状及含闭环的柔性多体系统动力学

方程[23]，并且推导出了供稳定性分析的线性化方程。

Haug 用有限元法得到柔性体

的质量分布、刚度分布特征量及弹性变形模态，将柔性体和刚体的耦合运动方程

编入了 DADS 动力学分析方程。

我国从 1986 年多刚体系统动力学研讨会(北京)，尤其是 1988 年柔性多体系

统动力学研讨会(长春)以来，在该领域的研究工作进展很快。1992 年，多体系统

动力学理论、计算方法和应用学术会议在上海召开，展示了一批理论和应用的最

新成果[24]。1996 年在山东长岛召开的“全国多体系统动力学与控制学术会议”在理

论与计算方法研究、工程应用和实验研究三个方面取得了更新的进展。国内出版

了多种有关多体系统动力学方面的教材和著作，许多学者在建模理论、计算方法

等方面发表了高质量的论文[25-28]，并且在多体系统碰撞动力学与变拓扑的多体系

统动力学方面作了大量工作。1999 年，洪嘉振完成《计算多体系统动力学》一书，

全面叙述了多体系统动力学学科内容，力求理论推导、计算方法与软件实现三个

方面的相互贯通[29]，明确指出了多体系统动力学与计算机辅助工程(CAE)技术、计

算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)技术之间的关系，如图 1.1 所示。

图1-1 多体系统动力学与计算机辅助工程的关系图

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摘要：

摘要汽车悬架系统是传递车身与轮胎之间各种力和力矩的连接装置。悬架作为轿车上至为重要的结构件，既要承受整车的大部分重量，又要吸收来自地面对车体的冲击能量，还要保证整车的平顺性和操纵稳定性。而悬架系统又是一个复杂的多体系统，其构件之间的运动关系十分复杂，这就给通过传统的计算方法分析悬架的各种特性带来许多的困难。随着数学、力学和计算机信息科学技术等学科的发展而发展起来的多体系统动力学为解决汽车悬架的分析、设计和控制等问题提供了有力的工具。基于ADAMS的虚拟样机技术，在汽车等领域中有着广泛的应用，但模型往往不能通过相应的实验验证其准确性，这就给仿真结果的可靠性带来诸多疑问。本文以某型轿车为研究对象，...

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