多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)在400沙灘車開發(fā)中的應(yīng)用

崔宇航劉建軍史春濤鄭宗志（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

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多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)在400沙灘車開發(fā)中的應(yīng)用

崔宇航劉建軍史春濤鄭宗志
（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

沙灘車近年來(lái)在我國(guó)不斷發(fā)展。以虛擬樣機(jī)技術(shù)為輔助討論多體動(dòng)力學(xué)在沙灘車開發(fā)中的應(yīng)用，包括了沙灘車的三維建模，多體動(dòng)力學(xué)模型的建立，并對(duì)沙灘車的斜坡跳躍運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬仿真力學(xué)分析。虛擬的沙灘車模型對(duì)于減少產(chǎn)品開發(fā)成本具有重要的意義，同時(shí)該結(jié)果也能為沙灘車的開發(fā)設(shè)計(jì)提供更好的參考價(jià)值。

沙灘車多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模擬仿真

引言

沙灘車最早興起于歐美等國(guó)家，自1970年日本廠商HONDA推出第一款全地形車至今，沙灘車已經(jīng)不斷發(fā)展形成了含實(shí)用型、越野競(jìng)技型（運(yùn)動(dòng)型）、休閑型等多種類型，并且涵蓋了農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、狩獵、牧場(chǎng)及軍事等多種應(yīng)用領(lǐng)域的新型交通工具［1］。目前國(guó)內(nèi)的沙灘車行業(yè)雖說(shuō)在不斷發(fā)展，但基本停滯于仿制階段，多數(shù)企業(yè)還在打價(jià)格仗，因此依靠性能及質(zhì)量來(lái)贏得市場(chǎng)是國(guó)內(nèi)沙灘車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

整車性能的優(yōu)劣取決于車輛研發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程的好壞，以往研發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程存在很多弊端，極大地增加了產(chǎn)品開發(fā)成本及資源投入。本文將通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法，將多體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于某型400沙灘車的開發(fā)與分析，并向生產(chǎn)商提供分析結(jié)果與建議。

1　沙灘車三維模型的建立

沙灘車的多體動(dòng)力學(xué)模型是利用ADAMS軟件對(duì)沙灘車三維模型進(jìn)行約束設(shè)定以及運(yùn)動(dòng)副設(shè)置等一系列操作而構(gòu)建。但由于ADAMS軟件本身的建模功能并不強(qiáng)大，難以構(gòu)建復(fù)雜的三維模型，因此利用建模軟件UG建立沙灘車整車三維模型，之后將建立好的三維模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入到ADAMS軟件之中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的仿真［2-3］。

1.1模型簡(jiǎn)化

沙灘車的整車模型的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其復(fù)雜程度相對(duì)于兩輪摩托車來(lái)說(shuō)，更接近小型轎車。由于本文重點(diǎn)研究沙灘車斜坡跳躍之后的車架上關(guān)鍵部位的受力問(wèn)題，因此在保留關(guān)鍵的影響因素后對(duì)整車模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省去了傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，但保留其質(zhì)量屬性，進(jìn)而在使得模型簡(jiǎn)化，仿真復(fù)雜度降低的同時(shí)，盡可能地保留了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2車架及前后懸架的建模

在影響沙灘車斜坡跳躍仿真結(jié)果的眾多因素當(dāng)中，車架的結(jié)構(gòu)以及車輛懸架的模型對(duì)仿真結(jié)果的影響最為顯著，因此著重介紹著車架與懸架的建模，為仿真做進(jìn)一步的準(zhǔn)備。

1）車架建模

車架作為沙灘車骨架，承受的靜載荷包括整車及外加載荷的重量，其模型的建立是整個(gè)建模環(huán)節(jié)中最為重要的一個(gè)部分，對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性影響也最大。沙灘車通常為把式轉(zhuǎn)向、四車輪的結(jié)構(gòu)，其車架的結(jié)構(gòu)既不同于四輪汽車的車架更不同于普通的兩輪摩托車的車架，車架和懸架對(duì)沙灘車的各個(gè)重要部件起到了固定和限位作用。其中需要注意的是在裝配連接件時(shí)要保證前后懸架與車架的連接孔分別在同一軸線上，并且保持水平，其會(huì)最終影響到仿真成功與否。完整的沙灘車車架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　沙灘車車架三維模型

2）懸架建模

為提高沙灘車的操作舒適性，沙灘車前后懸架均采用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，與汽車的懸架結(jié)構(gòu)有一定的相似性，不過(guò)與普通摩托車的懸架結(jié)構(gòu)完全不同，有著本質(zhì)的區(qū)別。懸架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因?yàn)槁访姘纪共黄蕉舷聰[動(dòng)，從而緩沖路面帶給駕駛?cè)藛T的顛簸感。該沙灘車的前、后懸架均由上、下臂組成，并且懸架與車架之間采用鉸鏈連接，同樣需要注意的就是同一擺臂的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)一定要保證在同一軸線上，并且同樣保持水平，否則將會(huì)影響之后裝配的準(zhǔn)確性及動(dòng)力學(xué)模型的建立，最終導(dǎo)致仿真錯(cuò)誤。為保證懸架結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度，關(guān)鍵位置局部加強(qiáng)。完整的沙灘車前后懸架模型如圖2所示。

圖2　　沙灘車前后懸架模型

圖3　沙灘車部分零件模型

3）其它零部件建模

除了上述的懸架與車架模型之外，沙灘車的其它一些零部件模型如圖3所示。

2　沙灘車多體動(dòng)力學(xué)建模

利用UG軟件建模得到的沙灘車模型導(dǎo)入到ADAMS軟件之中，根據(jù)實(shí)際情況添加各種約束以及運(yùn)動(dòng)副，并對(duì)一些特定零件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，建立動(dòng)力學(xué)模型，為之后對(duì)其進(jìn)行斜坡跳躍的仿真與分析奠定基礎(chǔ)。

2.1車架與懸架多體動(dòng)力學(xué)模型

車架作為一個(gè)整體是其它各個(gè)部件的裝配基體，上下擺臂與車架之間采用“旋轉(zhuǎn)副”連接，與轉(zhuǎn)向節(jié)之間采用“球面副”連接。另外，轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向搖臂之間分別采用“球面副”連接。車架與懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的約束如圖4所示，左右兩側(cè)完全對(duì)稱。上下擺臂中，任何一個(gè)擺臂與車架之間的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副必須在同一軸線上，否則仿真時(shí)容易出現(xiàn)干涉。

圖4　前后懸架、車架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副約束

在懸架與車架的連接中，還需對(duì)減震器和彈簧進(jìn)行設(shè)置。該設(shè)置可直接由ADAMS力庫(kù)調(diào)出，通過(guò)修改彈簧屬性完成彈簧和減震器的添加其參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5　彈簧參數(shù)設(shè)置

2.2輪胎模型

ADAMS軟件自帶的輪胎模型需要輸入很多輪胎自身特性參數(shù)，這些參數(shù)真實(shí)數(shù)值的獲得需要對(duì)輪胎進(jìn)行專業(yè)測(cè)試，因此本文直接利用UG軟件建立輪胎模型，在保證了輪胎的尺寸與形狀前提下將其設(shè)置成剛性屬性，并將其裝配到車架上。最后分別在兩個(gè)后輪上加上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)力矩，輪胎模型驅(qū)動(dòng)及力矩的參數(shù)設(shè)置分別如圖6、圖7所示。

圖6　后輪驅(qū)動(dòng)及其參數(shù)設(shè)置

圖7　后輪驅(qū)動(dòng)力矩及參數(shù)設(shè)置

2.3斜坡模型

斜坡、坑洼路面等是沙灘車最經(jīng)常行駛的環(huán)境，而截至目前類似這方面的研究較少，本文通過(guò)研究沙灘車在通過(guò)斜坡跳躍落地時(shí)車體關(guān)鍵部位的受力情況來(lái)模擬分析車輛在惡劣路面上的運(yùn)行情況。其中斜坡模型直接在ADAMS軟件中簡(jiǎn)化生成。最后在路面與四個(gè)輪胎之間分別設(shè)置一個(gè)接觸，沙灘車多體動(dòng)力學(xué)模型如圖8所示。

圖8　沙灘車多體動(dòng)力學(xué)模型

2.4模型運(yùn)動(dòng)檢驗(yàn)及自由度分析

在機(jī)械系統(tǒng)中，自由度表示確定一個(gè)零部件在空間位置所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)目，用來(lái)衡量該零部件可以相對(duì)于其他零部件運(yùn)動(dòng)的可能性。因此，整個(gè)系統(tǒng)的自由度是表示系統(tǒng)特性的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，與整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)件的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)量、原動(dòng)機(jī)的類型和數(shù)量以及其他約束條件有關(guān)。每個(gè)自由構(gòu)件具有6個(gè)自由度。

ADMAS中自由度（DOF）的計(jì)算公式為：

式中：n為系統(tǒng)的零部件數(shù)目（包括地面）；ni為系統(tǒng)內(nèi)各約束所限制的自由度數(shù)目。

本文所建立的沙灘車動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)過(guò)ADAMS的驗(yàn)證，有四個(gè)重復(fù)的約束，實(shí)際為必須，不必移除，沒(méi)有多余的運(yùn)動(dòng)方程，模型檢驗(yàn)正確。ADAMS的自檢對(duì)話框如圖9所示。

圖9　模型驗(yàn)證正確

圖10　仿真過(guò)程部分時(shí)刻沙灘車狀態(tài)

3　沙灘車運(yùn)動(dòng)仿真及分析

沙灘車的斜坡跳躍可分為前輪離開地面、后輪離開地面、前輪接觸地面、后輪接觸地面四個(gè)過(guò)程。其中前輪與后輪接觸地面的瞬間沙灘車受到的沖擊最大，對(duì)車以及人的影響最為顯著。利用ADAMS軟件對(duì)沙灘車從斜坡躍下之后，前輪與后輪接觸地面的瞬間車上關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行分析。仿真過(guò)程部分時(shí)刻的狀態(tài)如圖10所示。

3.1仿真結(jié)果分析

在仿真過(guò)程結(jié)束后，單擊仿真控制面板中的繪圖按鈕，進(jìn)入仿真后處理模塊，對(duì)沙灘車的前輪、后輪、及前后懸架位置的受力情況進(jìn)行繪圖，獲得的受力曲線如圖11至圖14所示。

圖11　前輪受力曲線

圖12　后輪受力曲線

圖13　前懸架受力曲線

圖14　后懸架受力曲線

由圖11、圖12可知，在沙灘車前輪與后輪著地時(shí)，各部位受力均達(dá)到一個(gè)峰值，其中前輪所受的最大力超過(guò)10 000 N，后輪受到的最大沖擊力也超過(guò)10 000 N，前懸架所受到的最大沖擊力約為4 000 N，后懸架所受到的沖擊力接近5 000 N。

各測(cè)量點(diǎn)的位置如圖15所示，其中各字母代表的位置分別為：前懸架（A-彈簧上支架；B-上臂前支架；C-上臂后支架；D-下臂前支架；E-下臂后支架），對(duì)應(yīng)的有后懸架（a-彈簧上支架；b-上臂前支架；c-上臂后支架；d-下臂前支架；e-下臂后支架）各點(diǎn)的受力情況如表1、2所示。

圖15　前、后懸架測(cè)量點(diǎn)

表1　前懸架各點(diǎn)受力情況

表2　后懸架各點(diǎn)受力情況

顯然受力超過(guò)車體所能承受的極限，有可能造成駕駛員的生命安全，必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。

3.2模型優(yōu)化

通過(guò)仿真結(jié)果可知，原本的沙灘車模型在斜坡跳躍時(shí)沖擊力較大，不僅對(duì)車輛的穩(wěn)定性造成影響，更會(huì)降低駕駛?cè)藛T的駕駛舒適性以及安全性。為此，需要對(duì)沙灘車的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)整了前后懸架的結(jié)構(gòu)，重新設(shè)置了彈簧阻尼器的剛度以及阻尼系數(shù)，同時(shí)改變了前后貨架的設(shè)計(jì)，在車架的關(guān)鍵部位重新設(shè)計(jì)了支撐結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)化內(nèi)容如圖16所示。

調(diào)整后的沙灘車受力情況如圖17、18、表3、表4所示。

圖16優(yōu)化內(nèi)容

圖17　優(yōu)化的前輪受力曲線

圖18優(yōu)化的后輪受力曲線

表3　優(yōu)化的前懸架各點(diǎn)受力情況

通過(guò)對(duì)比可知，優(yōu)化后的模型有效地降低了沙灘車斜坡跳躍后落地時(shí)的沖擊力，改善了駕乘的舒適性與安全性。

表4　優(yōu)化的后懸架各點(diǎn)受力情況

4　結(jié)論

本文介紹了沙灘車三維模型及多體動(dòng)力學(xué)模型的建立，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)沙灘車進(jìn)行了斜坡跳躍的動(dòng)力學(xué)仿真研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)，為多體動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)用于沙灘摩托車的研究開發(fā)建立了一個(gè)平臺(tái)。

1李發(fā)家，崔元?jiǎng)伲瑢O傳祝.沙灘摩托車發(fā)展現(xiàn)狀及傳動(dòng)系仿真分析［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（4）：18-22

2Kamalakkannan K，Elayaperumal A，Managlaramam S.Simulation aspects of a full-car ATV model semi-active suspension［J］.Engineering，2012，4（7）：384-389

3李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實(shí)例教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002

Application of Multi-body Dynamics Technique on ATV400 Developing

Cui Yuhang，Liu Jianjun，Shi Chuntao，Zheng Zongzhi
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Nowadays，ATV has been rapidly developing in China.This paper is about the application of multi-body-dynamics on the ATV′s R&D procedure with the help of Virtual Prototype technology，

including ATV 3D model and ATV multi-body dynamics model，and the simulation of ATV′s jumping down the hill is analyzed in detail.It is of great meaning for reducing the cost in the procedure of ATV research and developing by using the virtue prototype，the result is valuable in designing ATV as well.

ATV，Multi-body-dynamic，Virtual prototype，Simulation

U489

A

2095-8234（2015）06-0062-06

崔宇航（1983-），女，工程師，主要從事整車結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)工作。

（2015-07-21）