基于ADAMS與MATLAB聯(lián)合的載貨汽車平順性仿真方法研究★

陳志寧，劉夫云，鄧聚才

基于ADAMS與MATLAB聯(lián)合的載貨汽車平順性仿真方法研究★

陳志寧1，劉夫云2，鄧聚才1

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，商用車技術(shù)中心，柳州 545005；2.桂林電子科技大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

對(duì)載貨汽車虛擬仿真模型建模方法進(jìn)行了分析，基于ADAMS 建立了某型號(hào)載貨汽車剛?cè)狁詈系钠巾樞苑抡嫣摂M樣機(jī)模型；基于MATLAB Simulink 工具箱建立了載貨汽車平順性仿真的路面激勵(lì)和阻尼力模型；基于ADAMS Control 模塊與MATLAB Simulink 接口建立了ADAMS/MATLAB 聯(lián)合仿真模型，開(kāi)發(fā)了仿真優(yōu)化程序。以某型號(hào)載貨汽車為例，對(duì)提出的方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，提出的方法比以往剛體動(dòng)力學(xué)模型具有更高的仿真精度，仿真效率和操作便利性符合企業(yè)需求。

載貨汽車；平順性仿真；剛?cè)狁詈?/p>

1　引言

平順性是指保持汽車在行駛過(guò)程中由于路面不平度和發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及車輪等旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)乘員舒適性的影響；在一定的界限之內(nèi)，對(duì)于載貨汽車還包括保持運(yùn)載貨物完好的性能。車輛的平順性已成為現(xiàn)代運(yùn)載車輛的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。近年來(lái)，載貨汽車向高品質(zhì)方向發(fā)展已成為一種趨勢(shì)，客戶對(duì)車輛舒適性的高要求使得車輛的平順性成為各大廠商關(guān)注的主要性能指標(biāo)之一。目前國(guó)產(chǎn)汽車技術(shù)性能與先進(jìn)國(guó)家相比還存在著一定差距，尤其是載貨汽車的平順性與舒適性與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距更大，導(dǎo)致駕駛員在行車過(guò)程中易產(chǎn)生作業(yè)疲勞，這不僅影響駕駛員的身體健康，還易引起疲勞駕駛，造成事故隱患。因此，提高駕駛室平順性，從而提升載貨汽車舒適性和整車性能，對(duì)增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義［1-3］。

近年來(lái)，隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的興起，人們基于ADAMS軟件，通過(guò)建立實(shí)體模型、定義各種約束并選擇適宜的求解器，對(duì)載貨汽車進(jìn)行平順性仿真，取得了一些積極成果［4-6］。一些學(xué)者對(duì)ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了初步探討［7-9］。從目前的文獻(xiàn)看，提出的ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真方法尚未充分發(fā)揮ADAMS在剛?cè)狁詈辖?、MATLAB及其Simulink工具箱在控制、數(shù)值計(jì)算方面的強(qiáng)大功能。本文對(duì)ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了較深入研究，建立基于聯(lián)合仿真技術(shù)的、具有多個(gè)外部可調(diào)參數(shù)的載貨汽車平順性聯(lián)合仿真參數(shù)化模型，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了可以方便地對(duì)剛度、阻尼、激勵(lì)等參數(shù)進(jìn)行平順性聯(lián)合仿真與優(yōu)化的仿真優(yōu)化程序，為載貨汽車平順性仿真與優(yōu)化提供了操作便利的參數(shù)化仿真優(yōu)化方法與平臺(tái)。

2　剛?cè)狁詈陷d貨汽車虛擬樣機(jī)模型建立

載貨汽車是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，本文主要對(duì)底盤懸架以及駕駛室懸置剛度、阻尼以及路面和輪胎激勵(lì)等參數(shù)對(duì)車輛平順性的影響進(jìn)行研究。從簡(jiǎn)化模型、提高仿真效率的角度出發(fā)，將一些對(duì)車輛平順性影響較小的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將它們的質(zhì)量、慣量等結(jié)構(gòu)參數(shù)等效到與其相關(guān)聯(lián)的部件上。本文所建立的ADAMS虛擬樣機(jī)仿真模型主要由駕駛室、駕駛室懸置、車架、底盤懸架系統(tǒng)、前后橋（含輪胎）和路面激勵(lì)等所組成。利用ADAMS/View模塊，建立的某長(zhǎng)頭車二類底盤簡(jiǎn)化的虛擬樣機(jī)仿真模型如圖1所示。

需要說(shuō)明的是，建立的模型駕駛室采用半浮懸置，前懸為橡膠襯套，剛度比后懸明顯大，為更準(zhǔn)確地仿真駕駛室半浮懸置以及車架柔性對(duì)平順性的影響，對(duì)車架及駕駛室前懸置進(jìn)行柔性化處理。建立了剛?cè)狁詈系妮d貨汽車虛擬樣機(jī)模型。

3　聯(lián)合仿真模型建立

3.1模型參數(shù)分析

對(duì)建立的ADAMS虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行參數(shù)分析， 其參數(shù)主要分為兩類，狀態(tài)變量參數(shù)和非狀態(tài)變量參數(shù)。狀態(tài)變量參數(shù)可以通過(guò)ADAMS與MATLAB 通訊接口進(jìn)行輸入和輸出，也是實(shí)現(xiàn)ADAMS和MATLAB 聯(lián)合仿真的關(guān)鍵。

本文主要研究路面激勵(lì)、輪胎激勵(lì)以及阻尼對(duì)載貨汽車平順性的影響，經(jīng)過(guò)分析，共設(shè)置了27個(gè)狀態(tài)變量，其中14個(gè)輸入狀態(tài)變量，13個(gè)輸出狀態(tài)變量。輸入狀態(tài)變量主要有：輪胎處的位移激勵(lì)（包含路面激勵(lì)和輪胎偏心激勵(lì)）參數(shù)4個(gè)，前橋懸架、后橋懸架以及駕駛室懸置處的阻尼力參數(shù)10個(gè)。輸出狀態(tài)變量主要有：各個(gè)懸置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)10個(gè)，駕駛室質(zhì)心位置3個(gè)方向的加速度參數(shù)3個(gè)。

3.2聯(lián)合仿真模型建立

利用ADAMS Control 模塊提供的ADAMS與MATLAB之間的接口，建立了ADAMS與MATLAB兩個(gè)軟件之間的相互通訊，通過(guò)ADAMS Control 將載貨汽車整車動(dòng)力學(xué)模型輸入到MATLAB。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真需要，對(duì)模型進(jìn)行修改，主要是添加輸入輸出變量。完整的載貨汽車聯(lián)合仿真模型如圖2所示：

圖2中黃色部分是由ADAMS生成的動(dòng)力學(xué)模型adams_sub模塊，大大簡(jiǎn)化了Simulink中的建模工作，在Simulink中，主要是對(duì)一些輸入、輸出變量進(jìn)行建模。

3.3模型參數(shù)輸入界面開(kāi)發(fā)

聯(lián)合仿真模型，包括兩類不同的參數(shù)，狀態(tài)變量參數(shù)和非狀態(tài)變量參數(shù)，作為ADAMS模型中的輸入狀態(tài)變量參數(shù)，可以通過(guò)ADAMS和MATLAB接口，通過(guò)MATLAB進(jìn)行輸入和控制。非狀態(tài)變量參數(shù)，目前尚不能通過(guò)MATLAB進(jìn)行輸入和控制，需要在ADAMS 中對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化并通過(guò)ADAMS進(jìn)行輸入與修改。針對(duì)兩種不同的參數(shù)，開(kāi)發(fā)了不同的輸入輸出界面。

對(duì)質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置等非狀態(tài)變量，利用ADAMS 軟件自帶的菜單編輯器創(chuàng)建參數(shù)輸入菜單。利用 ADAMS提供的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)，開(kāi)發(fā)參數(shù)輸入界面。創(chuàng)建的參數(shù)輸入菜單及參數(shù)輸入界面如圖3所示：

對(duì)力、位移、速度、加速度等狀態(tài)變量參數(shù)，利用MATLAB開(kāi)發(fā)了程序，實(shí)現(xiàn)路面激勵(lì)、阻尼力等狀態(tài)變量參數(shù)，以及仿真時(shí)間等仿真參數(shù)的輸入和修改，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整車平順性的仿真和優(yōu)化。開(kāi)發(fā)的狀態(tài)變量輸入?yún)?shù)以及仿真優(yōu)化程序運(yùn)行界面如圖4所示：

4　應(yīng)用舉例

某駕駛室半浮車型，利用MATLAB建立的剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差距，難以指導(dǎo)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，需要更為準(zhǔn)確的仿真模型。利用本文建立的參數(shù)化聯(lián)合仿真模型以及仿真優(yōu)化程序，以上述駕駛室半浮車型為例，對(duì)該車型進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化，得到了阻尼參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)阻尼參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，試制新的前橋減振器，并裝車進(jìn)行路面電測(cè)試驗(yàn)，得到的整改前、后平順性實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況如圖5所示。

由圖5可以看出，整改后的車型，平順性特別是低速段的平順性得到明顯改善，低速段平順性值從1.6降低到1.0，此外，車輛的平順性穩(wěn)定性也得到改善，車輛的舒適性得到明顯提高。

5　結(jié)束語(yǔ)

論文對(duì)ADAMS 和MATLAB 聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了研究，提出了基于ADAMS 和MATLAB聯(lián)合的載貨汽車動(dòng)力學(xué)建模及仿真優(yōu)化方法，開(kāi)發(fā)了仿真優(yōu)化程序。提出的方法充分發(fā)揮了ADAMS 和MATLAB各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了載貨汽車剛?cè)狁詈掀巾樞苑抡?，與傳統(tǒng)的單純基于ADAMS 或單純基于MATLAB 的仿真方法相比，提出的聯(lián)合仿真方法具有建模難度低、仿真精度高、操作便利、仿真效率高等特點(diǎn)。最后，將提出的方法應(yīng)用于某駕駛室半浮載貨汽車平順性仿真，較好地解決了剛體動(dòng)力學(xué)仿真精度不高的問(wèn)題，解決了該型號(hào)載貨汽車的振動(dòng)控制問(wèn)題，對(duì)提出的方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。本論文研究工作中，尚未對(duì)柔性體參數(shù)化方法進(jìn)行深入研究。下一步將對(duì)柔性體參數(shù)化方法以及柔性體自動(dòng)替換剛性體方法進(jìn)行研究，提高模型的通用性和建模效率。

［1］龐輝，李紅艷，方宗德等。駕駛室懸置系統(tǒng)對(duì)重型車輛平順性影響的試驗(yàn)研究［J］. 汽車技術(shù)，2010，41（11）:52-56.

［2］徐陳夏.汽車平順性仿真分析與懸架參數(shù)優(yōu)化［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［3］鄧聚才，馮哲，劉夫云.某載貨汽車振動(dòng)控制與平順性提升方法［J］.汽車技術(shù)，2014，45（3）:10-12，30.

［4］李惠彬，劉亞彬，上官云飛.基于ADAMS的重型載貨汽車平順性仿真研究［J］.重型汽車，2007， 28（5）:10-12.

［5］邵磊，傅幸民，姚雪梅等.工程車輛ADAMS建模與平順性仿真［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，3（2）:144-148.

［6］趙亮亮，劉夫云，鄧聚才等.基于ADAMS的載貨汽車平順性仿真與優(yōu)化［J］.裝備制造技術(shù)，2014，2:44-47.

［7］李斌茂，錢志博，程洪杰，劉朝暉.AUV發(fā)動(dòng)機(jī)的ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（7）:1668-1673.

［8］孟杰，張凱，焦洪宇.空氣懸架的MATLAB和ADAMS的聯(lián)合仿真研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32（4）:40-43.

［9］徐寧，詹長(zhǎng)書(shū).基于ADAMS和MATLAB的空氣懸架系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究［J］.汽車技術(shù)，2013，44（1）:42-44.

專家推薦

劉浩：

論文作者應(yīng)用ADAMS 與MATLAB Simulink軟件，建立某汽車的聯(lián)合仿真模型，解決了單一軟件不能解決的剛?cè)狁詈嫌?jì)算問(wèn)題，同時(shí)創(chuàng)建了計(jì)算參數(shù)的控制及軟件間的交流方法，對(duì)該汽車的平順性進(jìn)行分析及優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果得到了實(shí)車驗(yàn)證，車輛的平順性得到了改善，說(shuō)明了模型的計(jì)算結(jié)果是可信的。文章是利用ADAMS 與MATLAB Simulink 軟件解決汽車低頻振動(dòng)問(wèn)題的很好案例，希望讀者能從中得到借鑒。

Research on Co-simulation of Ride Comfort of Vehicle based on ADAMS and MATLAB

CHEN Zhi-ning1，LIU Fu-yun2， DENG Ju-cai1
（1.Commercial Vehicle Technology Center， DongfengLiuzhou Motor CO.，LTD.，Liuzhou， 545005，China； 2. School of Mechanical & Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology，Guilin， 541004， China）

The method to build the virtual simulation model of vehicle is analyzed. Based on ADAMS， the rigid- flexible coupled virtual prototype model for ride comfort simulation of a type heavy truck is established. Based on MATLAB Simulink toolbox， the road excitation and damping force model of ride comfort simulation of vehicle is established. Based on ADAMS Control module and MATLAB Simulink interface， the co-simulation model was built. The simulation and optimization program was developed. As an example， the above methods and program are applied to a certain type of truck， the method and the program are validated. The results show that， the precision of the proposed method is higher than that of the simulation of rigid body dynamics model， the simulation efficiency and operation convenience of the proposed method can meet the requirements of enterprises.

heavy truck； ride comfort simulation； rigid-flexible coupling

U461.4； TH113

A

1005-2550（2015）02-0010-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.003

2014-09-18

★國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51265006），廣西科技研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（桂科攻1348005-11），廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任課題（桂科能11-031-12_008），柳州市科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2013H020401）。