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基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究.pdf

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上传者: purecccc 2012-07-05 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究pdf》,可适用于人文社科领域,主题内容包含大连理工大学硕士学位论文基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究姓名:郑振森申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:于学兵大连理工大学硕士学位论文摘符等。

大连理工大学硕士学位论文基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究姓名:郑振森申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:于学兵大连理工大学硕士学位论文摘要行驶平顺性是汽车的重要性能之一它不仅影响了乘客的乘坐舒适性而且也是防止司机疲劳避免造成车祸的重要因素因此行驶平顺性曰益受到人们的重视。但是传统的研究分析方法已无法满足现代汽车的研究要求虚拟样机技术作为一项新的技术已经开始应用到各个领域。本文正是利用动力学仿真软件ADAMS研究探讨悬架系统对行驶平顺性的影响。本文比较详细的介绍了行驶平顺性的概念、评价指标和评价方法以及目前该领域的研究现状。并介绍了ADAMS软件的主要模块和软件的理论基础为后面的建模和仿真分析奠定了基础。本文利用ADAMS/VIEW模块建立了包括双横臂式前悬架单斜臂式后悬架齿轮齿条式转向系简化车身以及座椅等部分的某车型的整车模型并在LIFEMOD模块中建立人体坐姿模型然后将整车模型和人体模型合并至一个模型中。采用谐波叠加法编制B级路面谱所生成的路谱基本与实际路面相符将整车模型置于此B级仿真路面上令其在km/hkm/hkm/h三种不同速度下直线行驶由仿真结果得到人体模型在这三种速度下的振动状态。利用ADAMS的后处理模块根据GB的评价标准对试验结果进行处理得到整车模型在三种速度下的平顺性评价:速度越高悬架刚度越大则汽车行驶平顺性越差。由于该车为越野车型悬架刚度较大因此行驶平顺性不佳。为了提高该车的行驶平顺性在不改变悬架刚度的Iji『提下在悬架中加入主动力该主动力采用模糊控制策略进行控制在行驶过程中实时给出数值联合ADAMS和MATLAB对采用主动悬架的虚拟样车进行仿真试验得到其行驶平顺性评价。仿真试验结果表明采用模糊控制主动悬架的汽车行驶平顺性比采用被动悬架的有了很大的提高。一关键词:行驶平顺性ADAMSMATLAB主动悬架基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究TheResearchofVehicleRidingComfortBasedonADAMSAbsttactThetidingcomfortisoneofthemostimportantperformancesofvehicle.Itcallinfluencenotonlythefeelingofpassengersbutalsothepreventionofcrashbyavoidingmakingthedrivertired、SOitispaidmoreandmoreemphasisgradually.etraditionalresearchmethodcarlnotmatchthemodernrequirementofvehiel船’researchanddevelopment.SOVirtualPrototypingTechnologyhasbeenappliedinmanyfieldsasanewindustrialtechnology.ThisdissertationismainlyabouttheresearchofvehicleridingcomfortbasedonADAMS.Thisdissertationintroducestheconcept.evaluatingindicator,evaluationmethodandthepresentstatusofvehicletidingcomfortindetail.ThenthekeymodulesandthetheoreticalbasisofADAMSaleintroduced.whichwillbeusedinthefollowingchapters.Thesetheoriesalethebaseofsubsequentmodelbuildingandsimulationanalysis.ThewholevehiclemodelisbuiltinADAMS/VIEWitincludesdoublewishbonearnlfrontsuspensionsin毋eobliquearlUrearsuspension,rackandpinionsteeringsystemsimplifiedbodyandseat.ThehumanmodelinsittingpostureisbuiltinLIFEMODmergethetwomodelsintoonemodelprogramtheBroadwiththemethodofsuperpositionofharmoniewaves.theroadproducedinthiswayiSclosetotherealroadputthewholevehiclemodelontheaboveroad.performthesimulationinthreekindsofspeed:kin/h,km/gkrn/h,thevibrationmodeofhumanmodelcomesoutaftersimulation.GettheridingcomfortevaluationbyusingtheADAMS/'PTtoprocessthesimulationresultsaccordingtoGBstandard.Thehigheroftherunningspeedandtherigidityofsuspension,thewo硌eoftheridingcomfort.Becausethisvehicleissportutilityvehicle,therigidityofitssuspensionishigllasaresultitstidingcomfortisnotgood.InthepurposeofraisingtheridingcomfortonthepremiseofkeepingtherigidityofthesuspensionAddcontrolforceintosuspension,thevalueofthecontrolforceisgivenaccordingtofuzzycontrolpolicy,performcosimulationbasedonADAMSandMATLABgettheridingcomfortevaluationoftheactivesuspension.esimulationresultshowsthattheridingcomfortoftheactivesuspensionwithfuzzycontrolpolicyismuchbetterthanthepassivesuspension.KeyWords:RidingComfortADAMSMATLAB:ActiveSuspension.Ⅱ独创性说明作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名:日期:大连理T大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名:茎霉扣塾盔导师繇形一大连理工大学硕士学位论文绪论.引言悬架是汽车的重要组成部分它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性连接起来其主要作用是传递作用在车轮与车架(或车身)之间的一切力和力矩限定车轴(或车轮)与车架(或车身)之间的相对运动缓和由不平路面传来的冲击载荷衰减由此引起的承载系统的振动从而保证汽车的平顺行驶。汽车悬架设计的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性ll】、制动安全性、乘坐舒适性和动力性等汽车动力学性能的优劣对轮胎的磨损和使用寿命也有一定的影响。因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题。汽车行驶平顺性是汽车重要使用性能之一其好坏不仅影响乘员的乘坐舒适性和货物的安全可靠运输而且也影响着汽车多种使用性能的发挥和行驶系的寿命t。随着高速公路的不断发展和车速的提高汽车行驶平顺性日益显得重要它是现代高速、高效率汽车的一个主要性能如何改善汽车行驶平顺性已成为设计者十分关注的问题也是汽车在市场竞争中一项重要性能指标。因此提高汽车行驶平顺性已成为汽车设计和改型工作中的重要任务之一。然而汽车本身是一个复杂的多体系统集合外界载荷的作用更加复杂多变人、车、环境三位一体的相互作用致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是个难题。随着多刚体系统动力学的诞生和发展机械系统运动学、动力学软件得到了迅速发展。ADAMS软件采用虚拟样机模拟技术它具有建模、分析、求解通用平台因此上述问题迎刃而解pJ。基于ADAMS软件的仿真技术是数字化功能技术的重要体现它改变了传统的物理样机为基础的设计我们借助ADAMS软件可以在计算机上建立更加准确的整车模型并对它进行平顺性仿真研究这样可以大大降低费事费力的物理样机的制造和实验过程从而缩短产品的开发周期降低产品成本提高经济效益。.汽车行驶平顺性研究的意义汽车行驶平顺性是汽车以常用车速行驶时保持乘员乘坐舒适度的能力对于货车而言还是包括货物在运输过程中保持完好无损的性能。随着生活水平的提高和生活节奏的加快人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高。引起汽车振动的原因有车辆系统本身的振动和路面的不平度振动影响了乘员的舒适性、工作效能和身体健康。行驶过程中要保证乘员舒适到达目的地后要保证乘员能立即以充沛的精力投入到工作中去。但是目前的调查表明%以上的人乘车过程中有过难受、晕车甚至呕吐的经历达到目的基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究地后也不能立即投入到工作中去【】。汽车行驶平顺性不仅使工作效率降低还严重影响着人的身体健康长期处于不舒适的振动环境中不仅容易引起疲劳心慌还容易引发各种心脏疾病。汽车的各种性能是相互影响的汽车行驶平顺性也影响着其它性能的发挥。在汽车行驶过程中如果行驶平顺性太差强烈振动产生的动载荷会冲击汽车的零部件加速零部件的磨损降低零部件的疲劳寿命。汽车的强烈振动还会使车轮跳离路面影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性。为了减小汽车振动驾驶员必须放慢车速使运输效率降低。汽车低速行驶又会导致燃油燃烧不充分使燃油经济性变差排放性能也变差。如果不放慢车速汽车的强烈振动不仅降低零部件的疲劳寿命使乘员晕车、呕吐还会使驾驶员疲惫、精力不集中容易引发交通事故【卯。汽车振动的舒适程度在保证驾驶员在长时间复杂的行驶和操纵条件下对影响系统的操纵稳定性。确保安全行驶是非常重要的。由此可见改善汽车行驶平顺性意义重大。.汽车行驶平顺性研究的发展概况..平顺性的评价研究对平顺性的试验与研究工作己经进行了半个多世纪的努力。最早的研究文章发表于年但平顺性研究工作取得较大进展还是在年代后期。在我国从年代后期随着对基础理论的深入研究以及一些先进测试设备仪器的引进汽车平顺性的试验工作取得了突飞猛进的发展。年Janeway提出承受振动的人体舒适性评价标准认为影响人体舒适性的主要因素是在低频时为加加速度中频时为加速度高频时为速度。并给出计算评价指标J值的计算公式其J值在Janeway准则曲线之上时振动将引起疲劳和极不舒适的感觉【】。年DEGoldman等人在试验和总结前人经验的基础上提出人体在承受低频(Hz)低振级振动时可简化为具有刚度阻尼质量的集中系统并指出该模型在.Hz时产生胸腹共振Hz时产生头.颈.肩共振.Hz时产生眼球共振用。年Pradko等人的试验结果表明在Hz内输入力为N身体变形为.mm时人体可近似被看作是一线性系统并由此提出了吸收功率法嗍。年德国米奇克提出用座椅垂直加速度的均方根值和整车纵向加速度的均方根值评价汽车的平顺性。但是这种方法只考虑了汽车本身的振动而没有考虑承受振动的人的因素【】。大连理工大学硕士学位论文年代国际标准化组织(ISO)开始着手制定“人体承受全身振动的评价指南”并于年颁布了(E)国际标准修改后分别于年、年重新颁布年重新颁布。年西安公路交通大学张玉芳等利用模糊数学评价各因素对汽车平顺性的影响的研究试验结果表明:对乘坐舒适性影响最大的因素是振动其次是上下颠簸余下依次为噪音、前后摇尾、左右摇摆【。因此对汽车设计者来讲应设法降低车辆振动而对道路设计者和管理者而言应减小及改善道路的纵向不平整度这样才有利于乘坐舒适性。..汽车平顺性改进及仿真的研究概况八十年代初有关改进汽车平顺性的研究工作也取得了相当的进展包括:汽车结构动力学模型及平顺性计算机模拟的研究汽车座椅振动特性及其改进的研究汽车悬架系统的结构分析与改进的研究。年长春汽车研究所郭孔辉曾就如何改善汽车平顺性对单输入自由度汽车系统定性地探讨了如何选择悬挂参数的问题。年武汉工学院提出了汽车个自由度振动模型并在电子计算机上模拟四个车轮上随机输入预测车身上加速度响应。八十年代对汽车座椅的试验分析工作说明座椅是影响汽车平顺性的重要因素”。清华大学、长春汽车研究所进行了许多有关座椅传递特性、人一椅系统动态参数识别、座椅特性与汽车底盘振动特性的合理匹配等方面的研究。.本文研究的主要内容本文利用多体动力学仿真软件ADAMS建立整车多体动力学模型然后进行平顺性仿真分析对分析结果进行评价建立基于模糊控制策略的主动控制悬架将ADAMS和SIMULINK进行联合仿真对比被动悬架和主动悬架的振动特性。具体为以下几个方面:夺利用虚拟样机技术借助ADAMS多体动力学软件建立包括前后悬架、车身、轮胎、转向系统、人、座椅等系统的仿真模型。利用谐波叠加法编制B级路面。进行仿真试验获得人在路面不平度激励下的响应。夺根据.:(E)标准进行评价。建立模糊控制主动悬架进行联合仿真试验。对比被动悬架和主动悬架的振动特性。基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究ADAMS软件的理论基础.ADAMS软件简介ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)是美国MDI(MechanicalDynamicsInc)开发的著名的虚拟样机分析软件。工程中可以利用AMAMS交互式图形环境、零件约束、力库等建立机械系统三维参数化模型通过对其运动性能进行高精度逼真的仿真分析和比较研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。ADAMS自动输出位移、速度、加速度和作用力其仿真结果可显示为逼真的动画或XY曲线图形ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷支持ADAMS同大多数cAD、FLEX(柔性模块)及控制设计软件包之间的双向通讯而且用户可以根据具体要求进行二次开发。ADAMS的核心配置方案是核心仿真软件包它包括交互式图形界面ADAMS/VIEW和仿真核心的求解器ADAMS/Solver等。..ADANS软件模块介绍““”ADAMS软件包括基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真而且可以采用专用模块对特定行业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。大连理工大学硕士学位论文表格.ADAES软件主要模块分类Tab..ThemainmodulesofADAMS()ADAMSNiew(用户界面模块)ADAMS/View(用户界面模块)是最基本的核心模块之一。ADAMSNiew采用简单的分层方式进行建模提供了丰富的零件约束库和力库并且支持布尔运算。仿真结果采用强有力的、形象直观方式描述并可以将结果形象逼真的输出。CAD几何造型可通过IGES接口输入ADAMSNiov丰富了ADAMS/View自身的建模功能。另外基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究ADAMS/View还提供多种位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力和力矩函数、用户子程序函数等多种函数。()ADAMS/Solver(求解器模块)ADAMS/Solver也是ADAMS系列产品的核心模块之一是ADAMS产品中处于心脏地位的仿真“发动机”。ADAMS/Solver能自动形成仿真模型的动力学方程提供静力学、运动学、动力学的解算结果。该软件模块提供各种建模和求解选项以便用户根据具体要求精确有效的解决各种工况问题。ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究除了输出力、位移、速度、加速度外用户还可以输出自定义的数据以便进行有限元分析。()ADAMS/PostProcessor(后处理模块该模块用来输出各种数据曲线、动画还可以进行曲线的编辑和数字的处理。用户可以在该模块里更方便的观察、研究仿真的结果。该模块既可以在ADAMS/View环境下运行也可以独立运行。()ADAMS/Insight(设计与分析模块)该模块是ADAMS软件的功能扩展模块它是网页技术的新模块。工程师可以借助该模块将仿真试验簧于网页上实现资源共享加速决策过程。ADAMS/Insight是选装模块既可以在ADAMS/ViewADAMS/Car运行也可以独立运行。ADAMS/Insight具有多种功能:可以更快的修改和优化模型进行模型的参数化分析、找出模型的关键参数和非关键参数等。()ADAMS/Cat(轿车模块)ADAMS/Car(轿车模块)是ADAMS软件的专业模块之一是MDI公司与AudiBMWRenaultVolvo等公司合作开发的整车设计软件包。利用该软件模块工程师可以快捷的建立精确的样机包括悬架、车身、转向系、轮胎、制动系等。用户可以在各种不同的路面下仿真分析模型的操纵稳定性安全性乘坐舒适性及其它性能参数。()ADAMS/Tire(轮胎模块)ADAMS/Tire是研究轮胎与道路相互作用的可选模块。该模块更完善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力ADAMS/Tire可计算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直、纵向和横向载荷可仿真研究车辆在制动、转向和滑行、滑移等大变形位移下的动力学特性研究车辆稳定性计算汽车的偏移、俯冲和侧倾特性其输出力和加速度数据可作为有限元分析软件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研究计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力。大连理l:大学硕士学位论文此外还包括Hydraulics(液压系统模堤)、tLinear(线性分析模块)、Exchangej(图形接口模块)、Controls(控制模块)、Flex(柔性体模块)、Animation(动画模块)、MECHANISM/Pro(机构分析模块)、Driver(驾驶员模块)等模块。.ADAMS软件特点ADAMS软件特点可以概况为以下几点:夺具有先进的数值分析技术和强有力的求解器其动力学数值积分有极强的适应性积分步长无关用户可以成功地进行高频输出。分析类型包括运动学、静力学、准静力学、动力学分析。其静平衡法包括多种级别积分因此当一种积分方法失效后软件就自动开始进行第二次积分。解算器可以处理病态矩阵。夺具有二维和三维建模能力。夺具有五十多秽联结副、力和运动发生器组成的库。具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型的某一变化过程。具有开发式结构允许用户集成自己的子程序。夺具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。夺有限元载荷的输出接口ADAMS运动时刚体和柔体模型的载荷都直接输出ANSYS、NASTRAN或ABAQus兼容的格式。夺表面接触功能可自动检测接触是否发生并作出响应。夺通过采用全局定位识别过约束系统功能更强精度更高。.多体动力学概述多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学是研究多体(一般有若干个柔体和剐性物体相互连接所组成)运动规律的科学。早在世纪、年代美国的R.E.RobersonT.R.Kane联邦德国J.witternburg苏联的E.H.波波夫等人先后提出了各自的方法解决复杂系统的动力学问题他们方法共同的特点是:建立的数学模型适用于计算机建模和计算。于是将古典的刚体力学分析力学和现代的电子计算机技术结合的力学新分支多刚体系统动力学就诞生了。近二十年来由于各种复杂机械系统的高性能、高精度的设计要求再加上计算机技术的迅猛发展和计算方法的成熟多体系统动力学由早期的刚体系统动力学发展成柔体系统动力学。多柔体不同于多刚体系统他包含有弹性部分其变形不可忽略其逆运动学是不确定的它与结构力学不同部件在自身变形运动的同时空问经历着较大的刚体位移和转动刚体运动和变形基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究运动相互强烈耦合它与一般的系统不同多柔体系统是一个时边、高度耦合、高度非线性的复杂系统【】。多刚体系统动力学的主要研究方法有:()牛顿.欧拉法。对作为隔离体的单个刚体列写牛顿.欧拉方程时铰约束力的出现使未知变量的疏密明显增多故即使直接采用牛顿.欧拉方法时也必须加以发展制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的程式化方法并致力于自动消除铰的约束能力。德国学者Schiehen在这方面做了大量的工作。其特点是在列写出系统的牛顿.欧拉方程后将不独立的笛卡尔广义坐标变化成独立变量对完整约束系统用Alembert原理消除约束反力对非完整约束系统用Jourdain原理消除约束反力最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程希林等人编制了符号推导的计算机程序NEWEUL。()拉格朗日方程法。由于多刚体系统的复杂性在建立系统动力学方程时采用系统独立的Langrage坐标将是十分困难的而采用不独立的笛卡尔广义坐标比较方便对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统用带乘子的拉氏方程处理是非常规范化的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。Chance等人应用Gear的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率编制了ADAMS程序Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法编制了DADS程序。()图论(RW)方法。R.E.Roberson和J.wittemburg创造性的将图论引入了多刚体系统动力学利用其中的一些基本概念和数学工具成功地描述了系统内各刚体之间的联系状况即系统的结构【。Rw方法以十分优美的风格处理了树结构的多刚体系统。对于非树系统则必须利用铰切割或者刚体切割方法转变成树系统处理。RW方法以相邻刚体之问的相对位移做广义坐标对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式。并据此推导了系统的运动微分方程相应的程序有MESAVERDE。()KaneHouston方法。R.w方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式而Kane方法提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程广义速度的选择也需要一定的经验和技巧这是它的缺点但是这种方法不用动力学函数无需求导计算只需要进行矢量点积、叉积等计算节省时间。美国辛辛那提大学教授Houston将Kane方法程式化不需要人为选择广义速率。其主要特点是提出低序阵列作为描述多体系统拓补结构的数学工具。采用Kane方程作为动力学建模的理论基础(含低序列阵列、变换矩阵、广义坐标及其导数、运动学参数计算和动力学方程等)方法从柔性体的有限段方法发展到综合模态大连理工大学硕士学位论文分析方法。将变形表示为二阶小量形式基于小变形原理适时进行线性化以获取动力刚体项和一致线性化方程。()变分方法。在经典力学中变分原理是对力学规律的概括而在计算技术飞速发展的现代变分方法已成为可以不必建立动力学方程而借助于数值计算直接寻求运动规律的有效方法。变分方法主要用于工业机器人运动学有利于结合控制系统的优化进行分析对于变步态系统可以避免其它方法每次需要重新建立微分方程的缺点。对于以上几种研究方法虽然风格迥然不同但共同目标是要实现一种高度程式化适于编制计算程序的动力学方程建模方法。.ADAMS的多刚体动力学理论嘲ADAMS软件是世界范围内广泛使用的机械系统仿真分析软件该软件是以多刚体动力学理论为基础而开发出来的他在汽车、航天等领域有着广泛的应用。软件本身通过求解动力学方程来进行模型的仿真分析。用户只需要熟练使用界面就可以完成任务。但是要想更好的理解该软件的强大求解功能充分掌握该软件就有必要了解ADAMS软件的多刚体动力学理论。只有了解ADAMS软件的理论基础和求解方法才能真正发挥其求解功能下面系统介绍一下ADAMS的理论基础和求解方法。..广义坐标的选择在ADAMS软件中广义坐标的选择直接影响动力学方程的求解速度。ADAMS用反映刚体方位的欧拉角(或广义欧拉角)和刚体i的质心笛卡尔坐标作为广义坐标。即吼=kyz矿伊】q=【g。...qr】。每个刚体用六个广义坐标描述。..动力学方程的建立ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程:丢c嚣一c哥p彰Q矿(gt)=(.)e(qqf)=其中:烈gt)=O是完整约束方程O(qqf)=O是非完整约束方程T一系统动能q一系统广义坐标列阵Q.广义力列阵p一对应于完整约束的拉氏乘子列阵基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究一对应于非完整约束的拉氏乘子列阵重新改写(.)式成为一般形式为:Q“Af)=G(ug)=“一q=(gqf)=(.)其中:q广义坐标列阵口lr广义速度列阵五一约束反力及作用力列阵卜系统动力学微分方程及用户定义的微分方程o一描述非完整约束的代数方程列阵o一描述完整约束的代数方程列阵。如定义系统状态矢量y=k“A。】r式(.)可改写成单一矩阵方程:g=(yyD==o(.)..运动学分析运动学分析是研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束反力因此只需要求解系统的约束方程:o(g‘)=(.)用(Gear)预估一校正法可以有效计算上式再根据当前时刻系统的状态矢量值用Taylor级数预估下一时刻系统的状态矢量值。‰=咒誓一壶争肌汜s式中:时间步长||I=tn。一‘任一时刻‘位置的确定可由约束方程的NewtonRaphson迭代求得:鼢昏舻屯力眩大连理:大学硕士学位论文其中:g=qj。一gj表示第j次迭代。厶时刻速度、加速度的确定可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到:(竺)j:丝(.)LiJLz.Jc著=一{拿喜喜去。昙c詈南c詈}cz.s‘时刻约束反力的确定可由带乘子的拉格朗日方程得到:c等A={一丢嚣哥Q}cz...动力学分析应用ADAMS软件建立的多体模型其动力学方程一般为隐式、非线性的微分代数混合方程(DifferentialandAlgebraicEquationsDAEs)。对于此类方程采用吉尔预测校J下算法求解较好。通过求解该方程可以得到系统中所有部件的运动参数如:力、速度、加速度。微分代数方程组求解时采用如下步骤:()高斯消元。在进行高斯消元时需要判断矩阵的主元以防止求解的失败。()Lu分解。完成高斯消元的方程组通过LU分解法求得方程组的解。进行动力学分析时ADAMS软件的积分器可以分为两种:刚性的和非刚性的积分器。功能强大的变阶、变步长刚性积分器:GSTIFF(Gear)积分器、WSTIFF(Wielengastiff)积分器、DSTIFF(DASSAL)积分器和SGSTIFF(StabilizedIndex一)积分器。此四种积分器都使用BDF(BackDifferenceFormulae)算法前三种积分器采用牛顿一拉弗逊迭代方法来求解稀疏耦合的非线性运动学方程这种方法适于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。非刚性的ABAM(AdamsBashforthAdamsMoulton)积分器采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程这种方法适于非刚性的系统模拟特征值经历突变或高频...微分一代数方程的求解算法根据当前时刻的系统状态矢量值用Taylor级数预估下一个时刻系统的状态矢量:基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究fF(吼.%。^.o。)={GcVnl~‰~嘲‰一缸小汜【Q(‰广‘。)=ADAMS使用修正的牛顿一拉弗逊迭代方法去求解上面的非线性方程其迭代校正公式为:巧筹锄塑u“塑Ou坼誓眈。。q筹"誓妒。眩叩著盼。j表示第j次迭代|qslqj,hvj=viHvi醵j=九J“一AJ汜e诂一岗蛳由上述公式得:百OG=去L”OGo'vnI矗从l由上公式得:OFfOFOFlf细瓦I丽一i鬲磊J...I百Jf上hP匮矿ooJ,OGI’”却”(乳o....o阱日汜蚴公式(.)左边的矩阵称为系统的雅可比矩阵。式中:OF一系统刚度阵(力相对广义坐标的雅可比矩阵):卯.大连理:大学硕士学位论文竺二一系统阻尼矩阵(力相对广义速度的雅可比矩阵)OvjF竺一一系统质量矩阵(力相对广义加速度的雅可比矩阵)。av通过分解系统雅可比矩阵求解gA巧乃计算劬.叶.乃l重复上述迭代校正步长直到满足收敛条件。最后是积分误差控制步骤如果预估值与校正值的差值小于规定的积分误差限则接受该解令t=th进行下一时刻的求解否则拒绝该解。并缩小积分步长重新进行预估一校正过程。可见用微分代数方程求解过程实际上就是重复预估、校正、误差控制知道求解时间达到规定的仿真时间。...坐标缩减的微分方程求解法ADAMS软件中提供的ABEM积分程序采用坐标分析算法将微分代数方程缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程然后用ABAM程序进行数值积分。()坐标分离。将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解可将系统的广义坐标分r.门解为独立列阵{}和非独立坐标列阵{一}。即{g}={:。}。L吁J()预估。用ABAM(AdamsBashandADAMS.Moulton)公式用独立坐标前几个时刻步长的值预估乙时刻独立坐标值{g。}p表示预估值。()校正。用ABAM(Adams.BashandADAMS.Moulton)公式对上面求的预估值进行校正得到独立坐标校正值{口叩c表示校正值。()确定相关坐标。确定独立坐标的校正值之后可以根据相应公式求解非独立坐标和系统的其他相关变量值。()控制积分误差。该步骤与上面算法的积分误差控制相同如果预估值与校正值的差值小于给定积分误差的界限则接受该解并计算下一时刻的解否则缩短积分步长重新从第二步开始进行预估、校正工作。..静力学分析ADAMS软件在做静力学和运动学分析时分别采用不同的求解方程。在进行静力学、准静力学分析时设速度、加速度都为零得到(.)所示的静力学方程:基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究嚣c争丝o鼢=鼢(.).ADAMS求解数值发散的原因及解决技巧尽管ADAMS提供了三种强大的变阶、变步长积分器来求解稀疏耦合的非线性微分一代数方程但由于模型系统复杂整车系统动力学微分方程的数值求解仍然会经常遇到数值发散问题。根据工作过程中经验总结出以下数值发散的原因和解决技巧。..数值发散的原因()函数的不连续性如条件函数IFFunction该函数可能在ADAlVIS仿真过程中在某一模拟过程产生变量的突变造成不连续。()用户自行缩小的函数USERFunction。用户采用FORTRAN语言或C语言中分段函数使用不当由力或位移等突变因素产生。()角度函数PSI、THETA、PHI、AX、AY、AZ等由于欧拉角奇异或者角输出的某些限制出现不连续。()系统建模单位使用不正确。()数值积分程序中控制参数选择不当。()系统阻尼设立不当。..解决数值发散的技巧针对上面讨论的数值发散产生的原因采取相应的技巧加以解决。()消除不连续函数在建模中尽量不使用IF函数可采用STEPSTEPImpact等函数代替。()增加系统阻尼值。()合理选择积分程序和积分控制函数。.LIFEMOD模块介绍LIFEMOD作为目前世界上最先进、最全面的人体仿真软件在建模的各个方面都具有其独到的特点为准确、科学地执行仿真提供平台‘矧。..人体模型()环节大连理工大学硕士学位论文夺夺夺夺建立人体环节时有个人体形态学数据库可供使用能够体现设定人群的形态特征也可以输入个性化的形态学数据符合设定的某个人的确切形态特征。默认环节的人体模型(头颈躯干上段躯干中段躯干下段锁骨一肩胛骨上臂前臂手大腿小腿足)。应用中可以根据需要提高环节的精度将一个环节细化成几个部分。能够自主添加环节为仿真畸形等特殊人群提供可能。能够只选择需要的部分环节建立局部的人体模型。环节的转动惯量、剐度等参数可以修改。可将人体模型显示为椭球体、骨骼、皮肤、棍图、碰撞假人等多种形式方便观察仿真的效果。l鳘|.环仃Fig..Link()关节初始关节是三轴铰链关节关节每个自由度上的功能可由用户自定义为固定、自由、受限、弹性/阻尼、力矩驱动等类型。能够精确的仿真功能受限或功能超常人群。夺根据需要将研究的关节运动简单化。在各个自由度性质的设定下去除驱动模型的运动数据中的异常点使模型的运动合乎实际。夺基础关节可根据需要被自定义为精度更高的关节来满足不同的研究需要关节内结构可被细化和修改。设置为受动关节时限制关节活动范围、刚度、阻尼等能够仿真模型在受动的情况下的反应。基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究模型的姿势和动作约束于设置的关节活动范围内。图.关节Fig..joint()软组织包括肌肉、肌腱和韧带。体现粘弹性体的性质能够体现滞后现象等粘弹性体性质。夺自动生成全身的个肌群。夺软组织附着点与模型成比例而且可根据研究需要人为调整。肌肉可添加、删除或修改便于仿真外科手术等的施行效果。图.软组织Fig..Softtissue..人体与环境的接触面鉴于ADAMS模拟器械的强大功能LIFEMOD能够精确模拟人体模型与器械、环境相接触时的相互作用【】。人与环境的相互作用力既可通过已有方程计算又能自行写入方程进行计算可以改变外界环境参数进行多次仿真并比较结果人体与环境的接触有多种形式可固定也可设置摩擦。大连理工大学硕士学位论文图.接触例子Fig.AContactexample..仿真的实质仿真的核心意义并不在于再现某些现实而在于能够将难以形成现实、甚至不能形成现实的情况通过计算机模拟表现出来【。对于体操、跳水等技巧项目教练员的一些新设想可以不让运动员冒险实现而是用LIFEMOD仿真中验证其可行性、并找到完成动作技术的关键后再作实际尝试不仅会大大降低运动员尝试新动作的危险性而且能够优化动作找到适合个人特点的动作控制方式。再如整形外科手术中使用LIFEMOD仿真手术方案预知手术方案施行的效果汽车安全设备研发中使用LIFEMOD中的碰撞假人仿真碰撞得到碰撞对于人体的作用运动器械研发中仿真某种动作求得运动损伤发生的条件等【。.本章小结ADAMS软件及其扩展模块LIFEMOD是本文研究的重要工具因此本章着重介绍了ADAMS软件的理论基础、计算求解方法和各主要模块的功能。另外作者还结合实际工作经验分析了ADAMS软件求解过程中求解发散的原因并提出相应的解决技巧。基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究在ADAMS中建立包含“人一车一路”的整车模型.车辆仿真模型的参数准备‘在车辆仿真模型建立后模型参数的精度是影响模型分析精度的主要因素。因此模型参数的准备工作必须引起仿真分析人员的高度重视【卸。建立车辆仿真模型所需的参数可以总结归纳为四类:运动学参数(几何定位)、质量参数(质量、质心与转动惯量等)、力学特性参数(刚度、阻尼等特性)与外界参数(道路谱、风力等等)。获得模型参数有数种方法:图纸查阅法、实验法、计算法、CAD建模法等【捌。()运动学参数(几何定位)运动学参数即车辆的相关运动部件的几何定位参数。在应用多体系统动力学理论建立车辆仿真模型需要依据车辆的具体结构型式在模型中输入各运动部件之间的安装连接位置与相对角度等参数。这些参数决定了车辆各运动部件的空间运动关系。运动学参数一般可以在汽车的设计图纸中查得。应该注意的是各运动部件的相对连接位置应在统一的整车参考坐标系中测量。在无法获得如车辆总布置图这样的图纸时可以在掌握一些基本参数(如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等)的情况下通过作图法获得运动学参数。在通常情况下如果上述方法无法实现可以考虑利用三坐标测量仪测取车辆的几何定位参数。()质量参数在机械振动系统中系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特性。质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中质心、转动惯量等与测量时选取的参考坐标有关必要时应注明参考坐标。零部件的质量一般应在设计图纸上查取。但应注意到零件与多体意义上的运动部件的差别。在多体系统动力学中只要在运动过程中时刻具有相同的运动轨迹并具有特定的联系如通过各种方法固定在一起的零部件就是一个运动部件。一个运动部件应只有一个共同的质心与转动惯量。运动部件的质心与转动惯量的参数查取可以通过称重、计算、实验等方法获得。CAD技术的发展提供了测量运动部件质心与转动惯量的新方法。在目前市场领先的维实体建模CAD软件中mM公司与法国Dassult联合推出的CAq’IASDRC公司的IDEAS.EDS公司的UnigraphicPTC公司的Pro/Engineer四种软件都具有在指定参考坐标系中分析零部件及零部件总成的质心与转动惯量的功能【。()力学特性参数大连理工大学硕士学位论文力学特性参数一般指系统的刚度、阻尼等特性。这些零部件的特性对汽车的各项性能特别是操纵性和平顺性等具有决定性影响。车辆有关零部件的刚度、阻尼等特性一般也可在设计图纸中查得。而如轮胎、橡胶元件动态特性等参数一般必须通过实验测得。()外界参数.车辆的使用环境是进行车辆动力学仿真的外界条件。这些外界条件众多如汽车行驶道路的道路谱高速行驶时的侧向风力等都是影响汽车动力学性能的外界因素。外界参数的内容主要有道路谱、风力等在某些分析中可以忽略。道路谱主要通过测量获得。而风力因数可以在分析计算的基础上结合实验获得。.车辆模型的建立..设置建模基本环境()设置主参考系OXYZ。主参考系OXYZ的原点位于前右侧车轮轴的几何中心X轴沿前车轮轴的中心线Y轴垂直于车架平面指向上方z轴平行于车架平面指向后方遵守右手规则。()设置并调整工作网格。()选择系统单位为MMKS即长度单位为毫米、质量单位为千克、力的单位为牛顿、时间单位为秒、角度单位为度、频率单位为赫兹。()将重力加速度设为..负号表示方向向下单位为m/s。..前悬架模型的建立前悬架选用双横臂独立悬架。双横臂悬架汽车的车轮在汽车横向平面内摆动双横臂悬架的诸多优点使得该种悬架广泛应用于轿车、轻型车等的前悬架。设计时导向机构在车轮的上下跳动过程中应不使主销的定位参数变化过大车轮与导向机构应运动协调。转向机构组成的系统是空间杆机构当转向梯形断开点位置选择不当时会造成横拉杆与悬架导向机构运动不协调汽车行驶时会出现前轮摆振现象破坏操纵稳定性加剧轮胎磨损。创建设计点和构件依据各个构件的位置和长度定好各个点的坐标创建设计点(point)。在ADAMS中设计点是建模的基础它只是表示点的位置不表示方向。需要注意的是给点命名的时候应该使名称表示该点的意义。基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究在点的基础上创建各个构件(part)包括主销(Kingpin)、上横臂(UCA)、下横臂(LCA)、拉臂(Pullarm)、转向拉杆(Tierod)、转节(Knucide)、车轮(Wheel)以及弹簧(spring)弹簧具有阻尼和刚度是一个简化了的减振器。对各个part之间施加约束建好的前悬架如图.所示:图.前悬架Fig..FrontSuspension..后悬架模型的建立后悬架采用结构简单的单斜置臂式独立悬架后悬架的两个斜置臂通过旋转副和底盘连接。弹簧和减振器下端与斜置臂相连上端固接于车身。如图.所示:大连理一大学硕十学位论文图.后悬架Fig..RearSuspension..车身模型的建立由于本文主要考虑汽车的行驶平顺性所进行的仿真试验车速较低可以忽略风阻的影响在ADAMS中起关键作用的是各部件之间的约束关系形状只是起着视觉辅助作用因此适当将车身进行简化。如图.所示:图.车身Fig..Chassis基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究..转向系模型的建立为了保证汽车能在路面上正常行驶必须具有转向系。本课题所用车辆采用的是齿轮齿条式转向机构。转向机构之间的约束方式见图.汽车产生转向动作的过程如下:方向盘处产生角输入通过恒速度副传到转向传动轴和转向机转向机和车身由转动副连接转向机可以相对车身转动。转向梯形中的转向摇臂通过转动副也可以相对车身转动。转动副和转动副之间通过耦合副传递方向盘的动作即:角输入传到转动副后被耦合副放大缩小一定的比例传递到转动副由转向摇臂把转动动作传递到转向梯形机构从而使汽车转向。图.转向机构模型Fig..Thesteeringsystemmodel其拓补结构如图.所示【:大连理工大学硕士学位论文图.转向系拓补结构Fig..Thesteeringsystemtopologystructure.人体模型的建立..建模步骤()从ADAMS中启动LIFEMOD进入ADAMS的VIEW晁面后点击菜单栏的ToolCommandNavigatorpluginload弹出如下图所示的对话框:图.启动对话框Fig..Startdialogbox在启动对话框中输入“lifemod”之后弹出LIFEMOD的主界面在其中的“HumanBodyName”中输入人体模型的名字“John”选择“HandGrip”选项其它选项保留为默认按下“OK”键待读入完毕后按下“CREATFULLBODY”如图.所示:基于ADAMS的汽车行驶平顺性初步研究图.主界面设置Fig..MainInterfaceSetUp()Joint设置在左上角的菜单栏里选择“Joint”其右边的方框中选择“CreatBASESet”然后点击“PrepareJointwithTRAINABLEPassiveElement”后的按钮。此时弹出“SpringDampersandJointLimitsProperties”详细设置内容因为乘员的姿势为坐姿涉及到所有的关节位置所以把所有的关节都打上勾完成后按下“Execute”。此时软件开始在关节处生成“Joint”具体的“Joint”设置参数在随后的对话框中显示具体设置如下图所示:大连理工大学硕士学位论文幽.Joint设置Fig..JointSetUp()SoRtissue(软组织)设置本文所进行的平顺性试验中主要研究的人体的位移、速度和加速度Softtissue(软组织)对试验结果影响不

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