基于ADAMS-Car的汽車建模與仿真研究

么鳴濤 曹鋒 曲勁松 李勇 李丹 王旭鵬

摘 要：為了有效應用多體動力學軟件ADAMS/Car進行車輛動力學研究，介紹并建立了包括汽車底盤、車身、轉向、前后懸架、輪胎、動力總成等分系統(tǒng)的汽車整車模型，將整車系統(tǒng)簡化為單自由度的質量-剛度-阻尼系統(tǒng)，建立微分方程，分別應用Matlab/Simulink和ADAMS/Car兩種仿真方法，對整車模型進行了正弦激勵輸入下的仿真，比較計算結果可知達到穩(wěn)態(tài)后的車身響應曲線非常吻合。研究表明：基于ADAMS/Car建立的整車多體動力學模型準確，可以用于實際車輛的仿真研究。

關鍵詞：多體動力學;車輛動力學;單自由度;質量-剛度-阻尼系統(tǒng);正弦激勵

中圖分類號：U462.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-138-05

Abstract： In order to effectively apply multi-body dynamics software ADAMS/Car to the research on vehicle dynamics， the whole model including automobile chassis， body， front and rear suspensions， tires and powertrain were introduced and established. The whole automobile was simplified to a mass-stiffness-damping system with single-degree-of-freedom， and a differential equation was set up. Afterwards， two simulation methods of Matlab/Simulink and ADAMS/Car were used respectively to simulate the whole automobile model under sinusoidal excitation input. The response curves of the vehicle body after reaching steady state were very consistent by comparing calculation results. According to the research， the multi-body dynamics model of the whole automobile based on ADAMS/Car is accurate and can be used for the simulation of actual vehicles.

Keywords： Multi-body dynamics; Vehicle dynamics; Single-degree-of-freedom; Mass-stiffness-damping system; Sinu -soidal excitation

1 整車系統(tǒng)分析

車輛是一個多自由度的“質量-剛度-阻尼”系統(tǒng)[1]，汽車行駛時，路面產(chǎn)生的振動經(jīng)輪胎、懸架系統(tǒng)、座椅等最終傳遞到人體上。整車虛擬模型的建立，既要保證運動系統(tǒng)的準確性，同時又要對和主要研究目標影響不大的因素進行簡化，以提高運算仿真的速度。本文在進行建模時，進行了如下假設[2]：

（1）車身作為汽車結構的一部分，是駕駛員工作的場所，為駕駛員提供良好的操作條件和舒適的乘坐條件，極大影響乘員的主觀感覺。本文在建模時將車身簡化為一剛體，并集中質量于底盤上，通過改變車身質量來修改整車質量。

（2）汽車在行駛時，路面不平度、輪胎及傳動系零件旋轉的不均勻性、發(fā)動機工作時轉矩的瞬變過程等都將引起汽車的振動。本文在建模時把動力總成簡化為一個剛體，并集中質量于底盤。

（3）汽車行駛時，路面不平度經(jīng)輪胎、懸架、座墊等彈性、阻尼元件組成的振動系統(tǒng)最終傳遞到人身體上，因此在建模時必須考慮輪胎和懸架的特性。本研究中考慮輪胎的彈性特性，把具體的零部件（如轉向節(jié)，下擺臂）視為剛體，這樣既考慮到懸架的緩沖、減振作用又簡化了懸架的建模。

經(jīng)過上面的簡化，最終的整車系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：底盤模型、車身模型、動力總成模型、轉向系統(tǒng)模型、前后懸架模型、輪胎模型，表1列出了某款汽車一些主要技術參數(shù)。

2 ADAMS/Car的建模方法

ADAMS/Car是一種基于模板的建模和仿真工具，大大加速和簡化了建模的步驟。用戶只需在模板中輸入必要的數(shù)據(jù)，就可以快速構造包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉向機構、制動系統(tǒng)等在內的高精度的整車虛擬樣機，并進行仿真。利用ADAMS/Car的數(shù)據(jù)庫功能，可以有效地選擇襯套、限位塊、減振器等以裝配各個子系統(tǒng)，節(jié)約用戶每次重復輸入數(shù)據(jù)的時間。通過高速動畫直觀地顯示在各種試驗工況下整車動力學響應，并輸出標志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減小對物理樣機的依賴。一個完整的懸架或整車裝配由以下四個層次構成：特性文件、模板文件、子系統(tǒng)文件和裝配文件，如圖1所示，研究車輛系統(tǒng)動力學，建立車輛仿真模型，歸納起來有以下幾個典型步驟[3]：

（1）機械系統(tǒng)的物理抽象;獲取模型的運動學（幾何定位）參數(shù)，建立抽象系統(tǒng)的運動部件、約束，從而建立運動學模型;

（2）校正模型的自由度及正確性;

（3）獲得模型的動力學參數(shù)，定義模型中部件、鉸鏈與彈性元件及外界條件，建立動力學模型，對動力學模型進行調整與仿真計算。

3 子系統(tǒng)模型的建立

ADAMS/Car采用自上而下的建模順序，即整車模型和系統(tǒng)總成模型是建立在各個子系統(tǒng)模型之上，而各個子系統(tǒng)模型則需由模板來建立，故建立各個模板是建立整車模型的關鍵步驟，模板建立過程如下[5，4]：

（1）物理模型的簡化：根據(jù)子系統(tǒng)各個零件之間的相對運動關系，定義零件的“Topological Structure”（拓撲結構），對零件進行整合，把沒有運動關系的零件定義為一個“Gene -ral Part”（整合零件）。

（2）確定“Hard Point”（硬點）：硬點就是零件關鍵連接點處的幾何定位點，確定硬點就是在子系統(tǒng)坐標系內確定零件關鍵點的幾何坐標，硬點在整車模型和模板狀態(tài)下都能修改。

（3）確定零件的參數(shù)：計算或測量整合零件的質量、質心位置以及繞質心坐標系3個軸的轉動慣量，需要注意的是質心坐標系的3個坐標軸的方向必須與系統(tǒng)坐標系的三個軸的方向平行，整車的質心位置需要自己手動進行設置。

（4）創(chuàng)建零件的“Geometry”（幾何模型）：在硬點的基礎上建立零件的幾何模型。由于零件的動力學參數(shù)已經(jīng)確定，此幾何模型的形狀對動力學仿真結果沒有任何影響，但在運動學分析中，零件的外輪廓直接關系到零件的運動校核，而且考慮到模型的直觀性，零件的幾何形狀應該還是盡量貼近實際結構。

（5）定義“Constrain”（約束）：按照零件間的運動關系定義約束的類型，通過約束把各個零件連接起來，從而構成子系統(tǒng)結構模型。定義約束是正確建模的關鍵，直接關系著系統(tǒng)自由度的合理性。

（6）定義“Mount”（組裝）：在子系統(tǒng)和子系統(tǒng)或者外部模型之間連接處定義組裝命令。

（7）定義“Subsystem”（子系統(tǒng)）：將在Template中建好的模型轉入到標準模式中，定義各個子系統(tǒng)模型，為組裝整車模型做準備。

（8）定義“Assembly”（整車模型）：在標準模式中將各個子系統(tǒng)組裝成整車模型，這樣在ADAMS/Car模塊中完成物理模型的建立過程。通過添加屬性文件即可進行整車在不同工況下的仿真分析，從而獲得所需要的結果。

3.1 底盤模型

底盤把整車的其他系統(tǒng)連接起來，不考慮動力系統(tǒng)和車身的具體結構，把傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都集中于底盤上，把它們簡化為剛體，質量集中于底盤，在本文中用一個球形質量塊來表示集中質量，球形質量塊的大小、位置不重要，只要保證轉向系、懸架等其它零部件與底盤連接時，連接方式和位置都正確就可以， 整個底盤與其他系統(tǒng)連接的拓撲結構如圖2所示，可以通過調節(jié)球體的屬性來修改整車的質量和轉動慣量，同時也定義了幾個硬點用來確定車輪和車身的位置，相對于全局坐標系的位置坐標如表2所示。

3.2 車身系統(tǒng)模型

車身直接關系到駕駛員乘坐舒適性，平順性評價指標的車身垂向加速度的測量需要在車身上進行，而且整車質心位置和質量的調節(jié)也是通過改變車身來實現(xiàn)的，因而車身建模很重要，本課題將車身簡化為剛體，其外形定位的硬點坐標和需要測量的地方的硬點坐標如表3所示，（底盤+車身）模型如圖3所示。

3.3 動力總成系統(tǒng)模型

動力總成系統(tǒng)在ADAMS/Car中的功能是提供車輪驅動轉矩，所以不需實際結構建模，而是將發(fā)動機、離合器、變速器三個結構集合在一起，使用函數(shù)模板模擬實現(xiàn)其功能。由于發(fā)動機激勵也是引起汽車振動的激振源之一，為了減少發(fā)動機不平衡對車身振動的影響，汽車的發(fā)動機動力總成總是通過數(shù)個彈性支撐安裝在副車架上。動力總成模型的硬點坐標如表4所示，建好的動力總成模型如圖4所示。

3.4 轉向系統(tǒng)模型

轉向系統(tǒng)主要由以下幾個剛體組成：方向盤、轉向柱、轉向中間軸、轉向軸、轉向齒條、轉向器套筒等組成。方向盤通過旋轉副與底盤系統(tǒng)相連，通過圓柱副與轉向柱相連;轉向柱通過恒速度副與轉向中間軸相連;轉向中間軸通過恒速度副與轉向軸相連;轉向軸通過旋轉副與轉向器套筒相連;轉向器套筒通過滑動副與轉向齒條相連;方向盤的回轉運動通過轉向齒條轉化為直線運動，齒條帶動橫拉桿往復運動并與轉向節(jié)回轉實現(xiàn)汽車的轉向。轉向系統(tǒng)的硬點坐標如表5所示，虛擬樣機模型如圖5所示。

3.5 前后懸架系統(tǒng)模型

本文研究的車輛懸架系統(tǒng)使用了螺旋彈簧麥弗遜懸架，在虛擬樣機模型中，將懸架系統(tǒng)簡化為以下6個部分：轉向節(jié)、橫擺臂、螺旋彈簧、空氣彈簧、減振器支柱總成、轉向橫拉桿。橫擺臂內端通過旋轉副與車身相連，外端通過球形副與轉向節(jié)下端相連;轉向節(jié)上端通過棱柱副與減振器支柱總成下端相連，中間部分通過旋轉副和球形副分別與輪轂和轉向橫拉桿相連，減振器活塞桿通過球形副和車身相連，減振器活塞桿與減振器缸筒之間通過圓柱副相連，螺旋彈簧和減振器串在一起，中間還包括了一些采用襯套連接的地方，使虛擬模型更加符合實際。在建模過程的主要定位硬點如表6所示，虛擬樣機如圖6所示。

3.6 輪胎模型

在ADAMS/Car中，適合行駛平順性分析的輪胎主要是FTire（Flexible ring tire model）柔性環(huán)輪胎模型，在使用FTire輪胎模型時，需要輪胎屬性文件來定義輪胎的特性，本研究參考有關文獻[5][6]，輪胎的參數(shù)如表7所示，建好的虛擬樣機圖如7所示。

4 整車模型的建立

建立整車模型，通過添加橡膠襯套和其它約束元件，即可將上面的子系統(tǒng)進行裝配，建立適用于仿真的整車模型，如圖8所示：

5 模型檢驗

由于車輛系統(tǒng)是一個非常復雜的剛柔混合的多體系統(tǒng)，對于整車仿真，首先進行裝配以確定初始構型，然后從靜平衡狀態(tài)開始進行一系列仿真，實現(xiàn)車輛在路面上穩(wěn)定行駛。模型檢驗的方式是用Matlab/Simulink仿真結果和ADAMS/ Car仿真結果對比，以驗證模型是否正確。整車總質量為1650kg，通過ADAMS/Car靜平衡分析，可以求得在靜平衡位置時的參數(shù)如表8所示：

在實際仿真中，車輛以2.5m/s的速度在的正弦路面上行駛10s，測得車身垂向位移的響應。根據(jù)空間頻率與時間頻率的轉換公式，其中波長 ，可求出空間頻率，因此在時域的正弦激勵函數(shù)為 。

在理想狀態(tài)下，把整個汽車系統(tǒng)簡化如圖9的所示的單自由度質量-剛度-阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)如表9所示，以車身靜平衡位置為坐標原點，得到描述系統(tǒng)運動的微分方程如下：

應用Matlab/Simulink軟件，建立的仿真模型如圖10所示。利用Matlab/Simulink和ADAMS/Car仿真計算出的車身響應曲線如圖11所示。達到穩(wěn)態(tài)后，兩種方法的數(shù)據(jù)結果對比如表10所示：通過對比可知，對簡化后的系統(tǒng)在時域進行正弦激勵，

達到穩(wěn)態(tài)后，通過Matlab/Simulink和ADAMS/Car兩種方法仿真計算出的車身響應曲線非常吻合，故此整車模型是符合實際情況的。

6 結論

（1）根據(jù)實際的車輛模型，在不影響仿真結果的情況下對車輛模型進行了適當?shù)暮喕员阍谔摂M樣機中采用最簡潔的方法建立整車模型;

（2）介紹了ADAMS/Car建立整車模型的一般過程，詳細介紹了各子系統(tǒng)的建立過程;

（3）對建立好的整車模型進行了調試和檢驗，保證整車仿真的正確性。

參考文獻

[1] 么鳴濤，曹鋒，曲勁松，等.汽車電控空氣懸架試驗與仿真研究[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程， 2018， 56（9）： 36-40.

[2] Thomas D.Gillespie.車輛動力學基礎[M].北京：清華大學出版社， 2006.

[3] 陳立平，張云清，任衛(wèi)群，覃剛.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社， 2005.

[4] 邢俊文，陶永忠.MSC ADAMSView 高級培訓教程[M].北京：清華大學出版社， 2004.

[5] 李軍.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[6] 石博強，申焱華，寧曉斌，李躍娟.ADAMS基礎與工程范例教程[M]. 北京：中國鐵道出版社， 2007.