基于ADMAS的車輛工程專業(yè)教學中汽車動力學仿真實驗方法研究

肖平 周陸俊 梁利東 賈文友

摘?要：為了提高車輛工程專業(yè)學生實踐能力，對ADMAS仿真軟件在車輛工程專業(yè)實踐教學中的應用進行了研究。首先，在分析該軟件功能特點的基礎上，建立汽車子系統(tǒng)模型;進而基于子系統(tǒng)模型搭建整車仿真平臺;最后，以B級路面為輸入進行汽車系統(tǒng)動力學仿真實驗并對結果進行分析。本文為采用仿真軟件替代實車實驗進行車輛工程專業(yè)實踐教學奠定了一定的理論與實踐基礎。

關鍵詞：車輛工程專業(yè);實踐教學;ADMAS仿真

1?緒論

目前，我國已名副其實地進入汽車社會[1]。隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車保有量的不斷提升，我國對汽車類人才的需求也在逐年上升[2]。為了順應人才市場對汽車類人才的需求，很多高校都開設了車輛工程專業(yè)。而車輛工程專業(yè)是實踐性很強的工科專業(yè)類型。目前，很多高校車輛工程專業(yè)都在積極地進行國際工程認證以及實施卓越工程師培養(yǎng)計劃，這要求該專業(yè)培養(yǎng)方案中必須加大對學生實踐能力培養(yǎng)的學分比重，必須增加本科實驗設備投入，然而在短期內很多新辦車輛工程專業(yè)難以實現[3]。為了彌補這一不足，計算機仿真技術可以很好地為車輛工程專業(yè)各類實驗提供平臺，利用汽車仿真技術部分地替代實車實驗，可以快速、安全和高效地讓學生掌握相關技術原理，從而達到實踐教學目的。

2?ADAMS仿真軟件介紹

目前機械汽車類仿真軟件很多，例如美國的MATLAB軟件，其SIMULINK模塊中含有很多的汽車系統(tǒng)模型，但是他們大多是根據動力學方程結合建模模塊得到，不具備機械直觀的效果;ADVISOR軟件是美國開發(fā)的另一款電動汽車仿真軟件，汽車子系統(tǒng)模型采用物理特性與外特性相結合的方式建立，仿真方便快速，二次開發(fā)容易實現，但該模型也不具備機械直觀的效果。ADAMS軟件也是美國開發(fā)的一款機械/汽車系統(tǒng)仿真軟件，該軟件采用剛體動力學界面，模塊庫中包含了很多汽車系統(tǒng)模型，包括發(fā)動機、變速器、懸架、轉向以及制動系統(tǒng)等[4];在仿真時實驗者可以方便地根據自己的需要進行選擇、修改等。同時，該仿真軟件中還包含各種機械系統(tǒng)模型，如桿件、軸承、質點、曲柄、連桿等，實驗者可以根據自己需要自行搭建汽車系統(tǒng)模型。該仿真軟件具有機械直觀的效果，實驗者可以將機械原理、汽車構造、內燃機原理以及汽車理論等理論與實踐知識直接運用到模型的搭建之中，非常方便。因此，這款軟件非常適合車輛工程專業(yè)學生在培養(yǎng)過程中進行動力學、運動學的仿真實驗，從而可以實現在沒有實物的情況下，可以使學生了解汽車系統(tǒng)的結構與工作原理、參數配置與性能特點等等，可以快速地達到實踐教學目的且可以取得良好的教學效果。

3?基于ADAMS軟件的汽車系統(tǒng)建模與仿真

為了進行汽車系統(tǒng)的仿真實驗，首先必須搭建各子系統(tǒng)仿真模塊。首先，實驗者可以根據實驗系統(tǒng)要求在模塊庫中選擇相應子系統(tǒng)模型;在此基礎上對該模型參數進行修改使之符合自己仿真的車型要求。圖1（a），（b），（c），（d），（e），（f）為所建立的前懸架、后懸架、發(fā)動機系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、后輪系統(tǒng)以及車身系統(tǒng)模型。

（a）前懸架系統(tǒng)（b）后懸架系統(tǒng)

（c）發(fā)動機系統(tǒng)?（d）制動系統(tǒng)

（e）后輪系統(tǒng)?（f）車身

圖1?整車子系統(tǒng)模型

待所有模型建立完畢，開始進行整車系統(tǒng)的裝配。進入ADAMS/Car的Standard?Interface?模塊，單擊File→New→Full-Vehicle?Assembly，彈出整車裝配對話框與整車模型如圖2與圖3所示。

圖2?整車裝配對話框

圖3?整車模型

4?仿真與分析

整車仿真實驗較實車教學實驗有很多優(yōu)勢，例如在實車實驗中不方便進行有一定為危險性的實車測試、不方便進行某些特定工況下的實車測試，如在零下30℃測試發(fā)動機的起動性能，這些在高校實驗條件下難以實現，而在仿真軟件中很容易實現。ADAMS軟件提供了很多仿真工況供實驗者選擇，例如，為了進行汽車振動系統(tǒng)的仿真實驗，必須選擇一個路況。在ADAMS軟件中提供了豐富的路況模型如白噪聲路面輸入、脈沖路面輸入、正弦波路面輸入等;同時，還可以根據路面具體情況對不同波形的路面輸入進行修改使之符合路面的實際情況，例如對白噪聲路面模型進行修改可以正確地表達A、B、C級等公路特性，非常方便。

本次仿真采用B級路面為輸入，仿真時間為6秒，仿真可以觀測很多指標，如汽車質心振動加速度、懸架動撓度、輪胎動載荷、汽車俯仰角加速度、側傾角加速度等;如圖4所示為觀測到的汽車平順性重要指標——汽車質心振動加速度振動曲線，由圖4可以看出，汽車平順性良好，其最大振動加速度不超過1m·s-2，說明汽車的乘坐舒適性好，垂向動力學特性優(yōu)良。

圖4?仿真結果

5?結論

由以上建模與仿真過程可以看出，學生如果要建立汽車動力學仿真模型，必須對汽車懸架、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、發(fā)動機等結構與工作原理知識有很好地掌握。同時，還必須對實驗工況、實驗結果等有充分的理解，這樣才能很好地完成建模與實驗工作。同時，計算機還可以對某些實車無法完成的實驗進行模擬，從而解決某些實驗由于危險以及條件限制而不能開設的問題，可以達到很好的教學效果。

參考文獻：

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[3]譚正平，李躍平.汽車理論實車道路實驗教學探討[J].教育教學論壇，2016，（28）：270-271.

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[5]胡明，鄧宗全，高海波.基于ADAMS的六輪月球車動力學建模與仿真[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39（1）：28-31.

基金項目：2017年度安徽省高等學校省級質量工程項目資助“示范實驗實訓中心——汽車工程虛擬仿真實驗教學中心（編號：2017sxzx24）;安徽工程大學2017年校級本科教學質量提升計劃項目——汽車工程虛擬仿真實驗教學中心（編號：2017xnfzsyzx01）;安徽工程大學2012校級雙語教學示范課程——汽車技術概論;新工科示范課程項目（編號：2018xgksfkc07）;安徽省省級質量工程教學研究項目“成果導向（OBE）理念下課程體系的設計研究”（編號：2017jyxm0334）;安徽省省級質量工程虛擬仿真實驗教學項目“機械制造裝備虛擬仿真實驗教學項目”（編號：2018xfsyxm002）;安徽工程大學2019年校級本科教學質量提升計劃項目——基于VR技術的虛擬教學創(chuàng)新型教學模式與平臺研究

作者簡介：肖平（1973-），男，安徽銅陵人，博士，教授，研究方向：汽車動力學與仿真技術。