基于虚拟样机的客车操纵稳定性仿真分析及试验设计

分类号 分类号 U462.3 密级 公开 U D C 629.1-45 编号 10299S0504021 硕 士 学 位 论 文 基于虚拟样机的客车操纵稳定性仿真分析及试验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 Handling and Stability Simulation Analysis and Design of Experiments of Bus Based on Virtual Prototype 指导教师 薛念文 教授 作者姓名 沙 鸥 申请学位级别 硕 士 学科专业 车 辆 工 程 论文提交日期 2008年4月 论文答辩日期 2008年6月 学位授予单位和日期 江苏大学 2008 年 月 答辩委员会主席 _______________ 评阅人 ______________ 2008年6月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 □ ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 □ 。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 2008 年 月 日 2008年 月 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 基于虚拟样机的客车操纵稳定性仿真分析及试验设计 Handling and Stability Simulation Analysis and Design of Experiments of Bus Based on Virtual Prototype 专业名称 车 辆 工 程 指导教师 薛念文 教授 姓 名 沙 鸥 2008年6月 摘 要 论文对亚星奔驰有限公司空气悬架高档旅游客车（YBL6891H）进行了虚拟仿真分析。以多体动力学理论及建立在该理论上的虚拟样机技术为基础，利用动力学仿真软件ADAMS创建空气悬架系统的客车模型，并进行了空气悬架系统的性能分析、试验设计、回归分析及改进等主要工作。 本文以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统仿真分析软件 ADAMS，创建了某大型空气悬架客车前悬架、后悬架及转向系等多体系统动力学模型，并在此基础上创建了包括发动机、车身、前后轮胎等在内的整车模型。 论文中首先对客车进行了平顺性的实车试验和虚拟样机整车模型的平顺性仿真试验。将试验数据和仿真数据进行了对比，发现在误差允许的范围内的趋势和结果都吻合较好，验证了所创建的整车模型的正确性。在此基础上，对虚拟整车模型进行了操纵稳定性的仿真试验，并对各项指标进行了评价计分。其中包括稳态回转试验、转向盘角阶跃输入试验、转向盘角脉冲输入试验、蛇形试验和转向轻便性试验。 最后对整车的操纵稳定性能进行探讨，针对其稳态转向工况出现的计分评价偏低的情况进行探讨并提出相应的改善 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。对导向机构的安装位置进行参数化分析——试验设计（DOE）。建立了线性、二次和三次回归模型，利用ADAMS/Insight拟合回归方程，并对回归模型进行评价。将三种模型的仿真结果相对比，得出对目标函数影响的程度。最后对改进后的整车重新进行了一系列操纵稳定性试验。从试验设计前后的结果可以看出：在不影响整车其他稳定性能的同时，保证了该车稳态回转性能。从而符合了汽车行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 QC/T480-1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》。 关键词: 虚拟样机、空气悬架、操纵稳定性、试验设计（DOE） ABSTRACT Virtual Prototype is used for the analysis about the air spring suspension bus (YBL6891H) of Yaxing-Benz Co., Ltd. Based on the theory of multi-body dynamics and virtual prototyping technique, is used to establish the design system of air spring suspension. It works as an excellent tool for the performance analysis, design, sensitive variable analysis, products improvement and so on. Based on the theory of Multi-Body System Dynamics, multi-body system dynamics models of front and rear suspensions model are built in the Mechanical System Simulation software ADAMS, and dynamic simulation of front and rear suspensions system dynamics were performed and the modifying strategies were put forward; the full vehicle model including engine, steering system, front and rear tire etc based on the analysis of front and rear suspension. In the paper, the ride comfort test and simulation about the passenger car are achieved. The contrast of data between test and simulation, the results tally with each other. Accordingly, it validates correctness about the vehicle model. Based on that, the simulation tests about handling and stability include Steady Static Circular Test, Steering Wheel Step Input Test, Steering Wheel Impulse Input Test, Fish Hook Test, Steering Handiness Test etc. Then, evaluating and marking the simulation tests. In the end, discussing the handling and stability of full vehicle. Aiming at the lowness about evaluation and mark of Steady Static Circular Test, advanceing corresponding ameliorative project. The installation locations of guide mechanism make parameter analysis(Design of Experiments) . Then, build the regression model. The improved full vehicle model do a series of the simulation tests about handling and stability again. The contrast of data between unimproved and improved full vehicle model, the result is that ensuring the performance of Steady Static Circular while not affect other handling and stability of full vehicle. Consequently, it measures up the vehicle standard QC/T 480-1999. Key words: virtual prototype ,air spring suspension ,handling and stability, design of experiments(DOE) 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 第一章 绪 论 1 1.1 空气悬架的发展概况 1 1.2 整车行驶平顺性和操纵稳定性研究概况 3 1.2.1 汽车平顺性研究概况 3 1.2.2 汽车操纵稳定性研究概况 6 1.3 虚拟样机技术的发展 8 1.4 本文研究的意义和主要内容 10 第二章 虚拟样机软件ADAMS的基本算法 11 2.1 引言 11 2.2 多体系统动力学简介 11 2.3 ADAMS软件基本算法 12 2.3.1 运动学分析 12 2.3.2 动力学分析 13 2.3.3 静力学分析 16 2.3.4 初始条件分析 16 2.4 本章小结 19 第三章 整车参数准备及仿真模型的创建 20 3.1 引言 20 3.2 虚拟样机参数准备 20 3.2.1 运动学参数 21 3.2.2 质量特性参数 22 3.2.3 力学特性参数 23 3.2.4 外界参数 24 3.3 虚拟样机模型创建 24 3.3.1 前悬架模型 24 3.3.2 后悬架模型 25 3.3.3 横向稳定杆模型 26 3.3.4 转向系模型 26 3.3.5 发动机模型 27 3.3.6 轮胎模型 27 3.3.7 车身模型 28 3.3.8 整车模型 29 3.4 本章小结 30 第四章 平顺性试验及虚拟样机模型验证 31 4.1 引言 31 4.2 整车平顺性道路试验 31 4.2.1 平顺性道路试验准备 31 4.2.2 试验数据处理 32 4.2.3 平顺性评价指标的计算 33 4.3 整车行驶平顺性仿真分析 35 4.3.1 随机路面生成 35 4.3.2 仿真数据处理 37 4.4 试验数据与仿真数据对比分析 38 4.5 本章小结 39 第五章 整车操纵稳定性仿真分析 40 5.1 引言 40 5.2 操纵稳定性评价方法 40 5.3 整车操纵稳定性仿真及评价 41 5.3.1 稳态回转仿真试验 41 5.3.2 转向盘角阶跃输入仿真试验 45 5.3.3 转向盘角脉冲输入仿真试验 46 5.3.4 蛇形仿真试验 49 5.3.5 转向轻便性仿真试验 52 5.4 操纵稳定性仿真试验数据分析 55 5.5 本章小结 56 第六章 基于虚拟样机的空气悬架结构参数试验设计及回归分析 58 6.1 引言 58 6.1.1 空气悬架导向机构分析 58 6.1.2 虚拟样机的参数化分析 60 6.2 空气悬架导向机构试验设计（DOE） 61 6.3 导向机构安装位置点的试验设计结果 63 6.4 ADAMS/Insight的回归分析 63 6.4.1 多元回归模型及求解原理 64 6.4.2 拟合回归方程 68 6.5 整车操纵稳定性仿真试验设计对比 72 6.5.1 稳态回转仿真改进前后结果比较 72 6.5.2 转向盘角阶跃输入仿真改进前后结果比较 73 6.5.3 转向盘角脉冲输入仿真改进前后结果比较 74 6.5.4 蛇行仿真改进前后结果比较 75 6.5.5 转向轻便性仿真改进前后结果比较 77 6.6 本章小结 78 第七章 总结与展望 79 7.1 总结 79 7.2 展望 80 参考文献 81 致 谢 84 攻读硕士学位期间发表的学术论文 85 第一章 绪 论 1.1 空气悬架的发展概况 随着人们生活水平的日益提高，要求汽车有更好的行驶平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定性。所以大部分汽车采用了空气悬架来满足这些要求。空气悬架系统性能优越，市场前景广阔。由于其技术含量高，所以很多有实力的生产厂商都在加大投资力度，以便寻求市场所需的新技术。现在已经有很多生产厂商开始这方面的研究工作了，比如已开发出封闭式压缩空气系统的空气悬架。除此之外,生产厂商还在向智能化、重量轻、成本低以及结构尺寸紧凑等方面发展。 空气弹簧诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备隔振。1947 年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧 ，相继意大利、英国、法国及日本等国家对空气弹簧作了大量的研究工作。到 1964 年，德国生产的 55 种大中型公共汽车，有 38 种使用了空气弹簧悬架。目前，空气悬架在国外豪华汽车上已经被广泛采用，在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到 100％，在中、重型货车以及挂车上也超过 80%，如美国的 Ford，德国的 Benz、Man、Neoplan，瑞典的 Volvo，法国的雷诺，日本的尼桑、日野、五十铃、三菱等。部分高级轿车上也可以选装空气弹簧悬架，如美国的林肯，德国的 Benz300SE 和 Benz600等。在一些特种车辆（如对防震性要求高的仪表车、救护车及要求带高度调节的集装箱运输车）上，空气弹簧悬架应用的更为广泛 。并且汽车工业发达国家先后出现了几大空气悬架和空气弹簧生产厂家，如美国的 Neway、Ridewell、Firestone、Good year 和德国的 SAF、BPW 等。随空气悬架应用的推广，对空气悬架的研究也得到了重视。J．R．EVANS等人对空气弹簧在火车上的应用作了深入的研究，并在 1970 年作了空气弹簧垂直特性试验，建立空气弹簧垂直动态特性模型。空气弹簧的侧向特性试验于1994 年完成，在大幅值情况下，测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和变形，并用正弦波和锯齿波输入来观察速度对侧向特性的影响。在空气悬架系统中，除空气弹簧外，还要有辅助气室和连接管路来实现空气弹簧刚度系数的连续变化。Katsuya Yoyofuku 等人通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析管道和气室对弹簧特性变化的影响 。Jon Bunne 和 Roger Jable 研究了空气悬架对传动系统振动的影响。John woodrooffe 通过试验分别评价重型货车空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的路面附着性和行驶平顺性 。随后，Alf Homeyer 等人采用有限元法优化了空气弹簧结构，提出了空气弹簧设计的新思想 。 我国早在二十世纪五十年代就对空气弹簧进行了研究。1957 年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究 。同年底制造出我国第一辆空气悬架货车。1958 年长春汽车研究所和北京交通运输局基本建设处一起设计了高度控制阀，这种高度控制阀由车门来控制。第二年又设计出高级轿车使用的具有举升系统的高度控制阀。这段时期，我国共设计出十余种空气弹簧气囊和三种高度控制阀。其中最早的高度控制阀是一种带有油压迟滞机构的延时型阀。但这阶段的研究工作也存在一些问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，如高度控制阀的可靠性、整个系统的密封性、悬架的稳定性以及空气弹簧的特性理论等问题没有得到解决。 八十年代初长春汽车研究所再次进行空气悬架的研究，并为武汉客车制配厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂家设计了空气悬架，当时汽车自振频率可降低到 1.1～1.2Hz，平均车速提高了 17%。悬架质量也比钢板弹簧悬架减轻了 50－60 公斤。同年为沈阳电车公司修配厂试制的沈阳 SY662 空气弹簧无轨电车，运行了 6 万公里，车身、车桥基本没有损伤。这个时期国产空气悬架存在的主要问题是橡胶空气囊的寿命偏低和高度控制阀存在有泄漏问题。 上世纪，国内客车厂纷纷从国外购置空气悬架及空气悬架底盘装车使用，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、西安飞机制造厂、安凯汽车股份有限公司、亚星客车集团公司和丹东汽车制造厂等。同时国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究。如东风汽车工程研究所对混合式空气悬架进行过设计 。中国重型汽车集团公司在斯泰尔车上安装了浮动桥空气悬架。上海汇众汽车制造公司重型汽车厂对 KL6120HF3 型旅游客车底盘进行了改进设计。1991 年交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬架的导向机构进行了研究。1999 年交通部重庆公路科学研究所又对WD6890H 型客车安装 Neway 空气悬架的整车进行了研究。江苏省交通科学研究院与江苏亚星客车厂共同开发中型客车用混合式空气悬架。北京理工大学也进行了日野 RC420 型客车空气弹簧的台架试验，并进行了空气弹簧静、动特性和气室容积特性的分析。在这段时期沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了 GB11612—89《客车空气悬架用高度控制阀》和 GB/T13061—91《汽车悬架用空气弹簧——橡胶气囊》，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。 为了满足空气悬架维修配件的需要，近年来国内已有一些企业正在生产空气悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡塑厂、铁道部四方车辆研究所等厂家，主要生产各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。也有些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所设计了空气阻尼制动高度调整阀，主要配置安装有空气弹簧的地铁车辆、铁路车辆、汽车和一些机械设备上。华中理工大学也曾设计开发过机械式高度控制阀。中国电子工程设计院研制了无延时机构机械式高度阀。交通部重庆公路科学研究所重庆康吉车辆技术开发公司生产的GDF—F 高度控制阀，主要应用于空气悬架的大客车上。浙江瑞安市东欧汽车零件厂生产了 GDF 气囊高度控制阀的系列产品。国内也有一些外资企业在中国进行空气悬架的生产和销售，如美国的 Neway 公司、Ridewell 公司和德国的SAF 公司等。其产品主要是客车、挂车和半挂车用空气悬架系统。 1.2 整车行驶平顺性和操纵稳定性研究概况 1.2.1 汽车平顺性研究概况 汽车平顺性的评价是一个极为复杂的过程，它包括路、车、人、环境四个环节，其中人是最复杂的因素。当前对汽车振动的评价主要分两类，即主观评价和客观评价。主观评价方法主要考虑乘员的主观反应，进行统计分析并对车辆进行评价。但由于人体自身复杂的心理、生理特性，即使相同的振动，也需要专门人员进行评价。客观评价方法主要考虑车辆的隔振性能，以机械振动的各物理量(如加速度振幅频率等)作为评价指标，并适当考虑人体对振动反应的敏感程度来评价汽车的平顺性，这是一种较为合适的评价方法。 早在1931年Reiher和Meister通过对十名自愿者在振动台上的振动试验，对评价方法进行了初步研究。后来，Jacklin, Liddell, Goldman, Dieckman和Janeway等先后对人体做了大量的试验，总结出一些评价方法和准则，其中比较有影响的是Dieckman的K系数法和Janeway准则。但是这些试验都是在振动台上以垂直的正弦振动形式输入给人体而进行的试验，所以难以用它们评价承受随机振动的汽车的平顺性。 Dieckman和K系数法指出:影响人体舒适性的主要因素在低频振动时是加 速度，中频振动时是速度，高频时是振幅，并给出计算评价指标K的公式和人体的舒适性界限 。 1948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。 1957年德国学者Dickman提出了K系数法（VDI2057），但这个标准是在确定性输入下建立的，并且试验是单向振动的。 1961年D.E.Goldman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级(0-100Hz)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3-6Hz时产生胸腹共振，20-30Hz时产生头—颈—肩共振，60-90Hz时产生眼球共振。 1968年，Pradko等人的试验结果表明：在0~60Hz内，输入力为0-320N，身体变形为0-10.16mm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。它认为人体是弹性体，复杂的人体弹性特性、阻尼特性将使能量产生流动，当振动能量被人体接受，并沿全身传递时人体产生振动，直到输入能量完全被耗散掉或转移走，这些能量的时间耗散率被定为吸收功率（AP）。在相同的振动条件下，健壮人体的AP值较小，，由吸收功率的概念可知，实车的试验对象必须是真人或是模拟人，若用沙袋、铁块等刚体代替结果误差较大。人体吸收的能量越大，所受的干扰越大，越感到不舒服。根据试验结果可知，主观反应是吸收功率的函数，相同的AP值表示相同的主观反应，这样就能把主观反应和吸收功率联系起来了。吸收功率具有很明确的物理意义，即人体在单位时间内吸收的振动能量。但是，吸收功率法没有明确规定舒适界线，因此它一般适合于在各车型之间进行舒适性的比较，对于某单一车型，则无法进行分析 。 1972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 。 1974年国际标准化组织制定了IS02631国际标准，并于1978年修订后重新发表，该标准推荐的两种评价方法：1/3倍频带分别评价方法、总加权值评价方法及其评价指标，适用于1-80Hz频率范围内对人体承受的全身振动的评价。但是应当指出，IS02631是以短时间简谐振动的试验研究成果为基础，所以目前对之应用于汽车的长时间随机振动环境以及其它一些冲击比较大的振动环境中仍有争议，所以至今还在不断补充和修正IS02631/1 。修改后分别于1978年、1985年重新颁布。 该标准的关键是三个界限：“暴露界限”、“疲劳—降低工效界限”和“降低舒适性界限”。该标准明确给出了振动频率、振动强度、振动方向以及暴露时间对人体的感觉的影响，提出了用1/3倍频带分别评价方法和总加权值方法来计算评价指标，这对全面系统地研究人体对振动的响应有着重大的指导意义。 （1）1/3倍频带分别评价法 通过数据记录仪将采集的随机振动信号输入到专用数据处理机上进行频谱分析，得到1/3倍频带每一中心频率相对应的加速度均方根值，然后把此数值组一起绘制在ISO2631人体振动反应的“疲劳降低效率界限”，即 （包括纵向和横向）谱图上，看所有各中心频率所对应的加速度均方根值是否都保持在那个感觉界限之内，任何一个频率的加速度主根值超过了该界限，即表明不能保持在该感觉界限之内，因此改善平顺性主要是不希望振动能量过于集中于某个频带内，尤其是不希望在人体最为敏感的频率范围内出现突出的尖峰。 （2）总的加速度加权均方根值评价法 大量试验数据表明，人们最敏感的频率范围对于垂直振动为4～8Hz，对于水平振动为1～2Hz，在该频率范围内人体对振动的承受能力最低，因此，该法采用频率加权，将所测得的1/3倍频带的加速度均方根值折算为等效于垂直方向4～8Hz，水平方向1～2Hz的数据，得到总的加速度加权均方根值 （垂直方向）、或 和 （水平方向），该值是折算到人体最敏感的频率范围内的各频带的振动能量，再将 、 或 值与ISO2631人体振动反应谱图相比较，得到 （疲劳降低工效界限）值。 （3）加速度加权均方根值和等效均值综合评价法 该评价方法是通过测量地板和位于座椅与人体之间的坐垫传感器的随机振动的加速度值，对每个加速度传感器的输出都进行分析，利用其分析结果就可以得到一个或者多个行驶平顺性的数字测量值。该种试验规定在B级路面进行，其空间频率谱密度函数的路面不平度系数几何平均值应在规定范围之内，数据采集后，对试验结果进行处理，得到加速度加权均方根值和频率关系曲线，利用第一种评价方法得到垂直方向或者水平方向的 及最大加速度均方根值和与之对应的中心频率，利用第二种评价方法得到加速度加权均方根值（包括水平方向和垂直方向）。 1.2.2 汽车操纵稳定性研究概况 汽车的操纵稳定性 是指驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗而保持稳定行驶的能力。汽车操作稳定性的研究是汽车智能交通系统、汽车主动安全技术、汽车自动驾驶和车辆巡航技术的基础工作。汽车的操纵稳定性不仅影响汽车的操纵性能，而且关系到汽车行驶（特别是高速行驶）的安全性问题。因此，汽车的操纵稳定性的研究工作日益受到重视。以计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，不断改变着人们的行为和思维模式。汽车操纵稳定性的研究从单一的汽车本身特性的研究到汽车-驾驶员-环境闭环系统的研究。人工神经网络、模糊控制理论、模糊神经等新思想和新理论也应用到汽车操纵稳定性的研究中，在研究方法上采用虚拟试验技术。 20世纪60年代以前，汽车操纵稳定性的研究主要以开环研究为主。所谓开环研究就是把汽车作为一个开环控制系统，求出汽车行驶时的时域响应和频率响应特性，对系统进行稳态和瞬态分析，用横摆角速度频率响应特性、方向盘角阶跃输入下的稳态响应、方向盘角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过度转向特性等等来表征汽车的特性。按照这种方法研究汽车操纵稳定性，需要建立精确的汽车动力学模型 。 1956年，美国康乃尔航空实验室的Whitecomb Milliken和Segel发表了线性二自由度和线性三自由度汽车转向模型。 1965年Segel又提出了线性四自由度模型，到目前为止已有7自由度、14自由度、17自由度乃至更多自由度的汽车数学模型。 在日本，自从近藤提出了关于驾驶员车辆操纵动作的基本观点以来，藤井、井口、三川等人的研究中采用了各种传递函数来描述驾驶员的操纵和汽车的运动 。因为有精确数学模型，能够得出精确的数字解，这些研究工作对车辆的设计分析和评价车辆性能还是很有价值。 人们提出了自由度越来越多的数学力学模型，同时也提出了各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性。然而，通常不同的评价指标所得出的结论并不一致，甚至互相抵触。这些精巧的数学模型是建立在汽车的理想化假设基础之上的，这种理想假设条件与实际汽车之间的情况是存在着差异的。 近年来，人们逐渐认识到，在汽车操纵稳定性的研究中，对驾驶汽车的驾驶者的特性缺乏基本的认识。因而，人们只能知道汽车对一定的转向盘输入的响应如何，却难以断定整个汽车-驾驶员-道路系统的性能如何。汽车操纵稳定性的研究必须基于汽车-驾驶员-道路闭环系统进行研究。 基于这种认识，一些研究者开始进行驾驶员模型——汽车闭环系统的研究。初期，MuRuer等人做了不少飞行员模型——飞机闭环控制的研究并推广到汽车上。在建立驾驶员控制模型时，早期用经典控制理论所建立起来的模型是PID补偿模型、交叉模型，以后又发展了线形预测模型、二阶预测校正模型、最优预瞄控制模型及预瞄最优曲率模型。 Reddy和Ellis提出了一种模仿驾驶员行为的模型 ，这种模型的基本原则是：假设驾驶员在任何时刻都注意前方距汽车的距离为d处，为确定适宜的方向盘转角，暂时冻结该瞬时t下的汽车状态，进行转向盘角度寻查，试算在该转向盘角度下经过行驶距离d后，汽车运动轨迹与预期轨道的误差是否在允许的范围内。如果是，则认为此时的转向盘角度就是冻结时刻t下的转向盘角度"如果误差不在允许的误差范围内，则继续寻查到满足允许误差为止。通过这样的逐点冻结寻查，来模仿驾驶员的控制行为。 MacAdam提出另一种方法来仿真驾驶员的行为 ，这种方法的思路与上述的方法类似，但采用了直接优化方法。 我国学者郭孔辉院士提出了预瞄最优曲率模型和预测 ——跟随系统理论，理论清晰，跟随精度高，是驾驶员控制模型中有代表性的一个模型。 在我国，汽车操纵稳定性研究始于七十年代。清华大学和长春汽车研究所都同时系统地开展了这方面研究工作。各个汽车生产厂也都从自己产品的需要出发，在不同的程度上进行了操纵稳定性的试验和研究工作。我国开展汽车操纵稳定性研究的历史虽不太长，但吸取了国外的研究成果和经验，进展较快。汽车的操纵稳定性由于受研究目的、驾驶任务、人为感觉及环境条件等多种因素影响，研究和评价错综复杂。关于汽车操纵稳定性研究和评价已发表的文章不计其数，并提出了各种仿真模型、评价指标、实验方法和实验手段。如何获取客观定量评价操纵稳定性的方法还需要进一步的深入研究。 1.3 虚拟样机技术的发展 随着全球市场竞争日益剧烈，产品结构向多元化、个性化方向发展。为了提高企业的竞争力，必须及时更新产品的品种、缩短新产品的开发周期、提高产品的设计质量以及降低研发成本 。 如果按照传统的设计模式,一个新产品的研发通常要经过样机设计、样机试制、调试试验、改进定型和批量生产等几个步骤。这种研发模式的周期长、成本高，使得产品造型结构老化，很难获得最优的产品性能。虚拟样机技术的出现和逐渐成熟，为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。 虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。 利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新、设计、测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面 。 美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的成功。 美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次接装成功。 Caterpillar公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元。所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpillar公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本低，性能却更加优越。 著名厂商Johndeere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 虚拟样机概念正向广度和深度发展，其范畴正从单一领域向多领域综合设计扩展，涉及的内容从产品Cax/DFx设计向面向系统全生命周期的过程、业务和商业化设计扩展，目的从设计优化向决策分析和知识重用拓展，方法上从单系统建模仿真向复杂系统并行协同设计发展。 今后的虚拟样机技术将更加强调部件、技术、知识的重用，强调便于虚拟样机柔性协同的运行管理的组织重构，强调跨领域技术的沟通支持。因此，虚拟样机作为一个面向复杂多领域的研究方向，它需要先进的管理思路、方法论、实现技术和好的理论工具。体系结构必须具有足够的开放性、灵活性和适应性，综合与设计相关的各领域各阶段、过程、技术资源及其组织形式。重点在以下几个方面进行研究 ： （1）基于虚拟样机的优化设计 （2）以虚拟样机为中心的并行设 （3）设计、分析和仿真工具的集成 （4）虚拟样机系统的容错性 1.4 本文研究的意义和主要内容 结合亚星奔驰有限公司空气悬架高档旅游客车（YBL6891H）——“电子控制空气悬架系统的开发与应用”的项目，以多体动力学理论为基础，建立在该理论上的虚拟样机技术，利用动力学仿真软件ADAMS创建空气悬架系统的客车模型，并进行了空气悬架系统的性能分析、试验设计、回归分析及改进等主要工作。全文紧紧围绕该基本思路，主要对以下内容进行了深入的研究和探讨： （1）从研究学习多体系统动力学理论和虚拟样机技术入手，利用ADAMS/Car创建亚星奔驰有限公司的高档旅游客车（YBL6891H）的虚拟样机整车模型，其中包括前悬架模型、后悬架模型、转向系模型、车身及座椅模型、前后横向稳定杆模型、发动机模型以及前后轮胎模型，并创建ADAMS软件可以识别的B级随机路面谱。 （2）对空气悬架客车的行驶平顺性进行道路试验，并在ADAMS软件中对整车模型进行随机路面输入下的平顺性仿真，将试验数据和仿真数据进行对比，验证了所创建的整车模型的正确性。继而为下一步研究整车操纵稳定性奠定基础。 （3）根据国家标准GB/T6323.1-94—GB/T6323.6-94的汽车操纵稳定性试验方法的要求，对虚拟样机模型分别进行稳态回转试验、转向盘角阶跃输入试验、转向盘角脉冲输入试验、蛇形试验和转向轻便性试验。并依照QC/T 480-1999的汽车操纵稳定性指标限值与评价方法对试验结果进行逐一评价计分。由此得到了该仿真车辆的操纵稳定性能，并根据评分值找出该车操纵稳定性需要改善的地方。 （4）对客车空气悬架导向机构安装位置点进行试验设计（DOE），建立了线性、二次和三次回归模型，利用ADAMS/Insight拟合回归方程，并对回归模型进行评价，并将三种模型的仿真结果相对比，得出对目标函数影响的程度。最后对改进后的整车重新进行一系列操纵稳定性试验。对改进前后的结果数据进行对比，使其在不影响整车其他稳定性能的同时，保证了该车稳态回转性能。从而符合了汽车行业标准QC/T480-1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》。 第二章 虚拟样机软件ADAMS的基本算法 2.1 引言 虚拟样机软件ADAMS的基本算法包括运动学分析算法、动力学分析算法、静力学分析以及线性化分析算法等。它是以多体系统动力学的基本理论为理论基础的。 2.2 多体系统动力学简介 多体系统动力学的基本理论是虚拟样机软件ADAMS的理论基础。其中包括多刚体系统动力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解以及多体系统动力学中的刚体问题。 多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学，这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成。多体系统动力学是在经典力学的基础上发展起来的，在发展的过程中结合了航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等科学 ，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支。 （1）多刚体系统动力学 多刚体系统动力学主要的研究方法有工程中常用的经典力学方法（以牛顿-欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日为代表的分析力学方法），图论（R-W）方法，凯恩方法，变分方法，旋量方法 。 以上几种主要的研究方法，虽然风格迥然不同，但共同的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。多刚体系统动力学各种方法的数学模型可归纳为纯微分方程组（ODE）和微分－代数混合方程组（DAE）两种类型。对于数学模型的数值计算方法也有两种，即直接数值方法和符号－数值方法 。 （2）多柔体系统动力学 多柔体系统动力学研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为。多刚体系统动力学是以系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件联结点（关节点）处弹性、阻尼等影响为其分析模型的，而柔性多体系统动力学则在此基础上进一步考虑部件的变形。可以看出，多柔体系统动力学是多刚体系统动力学的自然延伸和发展。多刚体系统动力学所侧重的是“多体”这一方面，研究各个物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响；多柔体系统动力学侧重“柔性”这一方面，研究物体变形与其整体刚性运动的相互作用或耦合，以及这种耦合所导致的独特的动力学效应。变形运动与刚性运动同时出现及其耦合正是多柔体系统动力学的核心特征 。 在分析汽车悬架等子系统的运动学分析中，传统的方法是使用作图法或缩比模型进行研究分析。由于系统的构型复杂与各部件的运动幅度可能很大，作图法已经很难胜任三维的非线性关系分析，缩比模型不适用于虚拟设计的过程。随着计算机技术的迅猛发展，使我们在处理上述复杂问题方面产生了质的飞跃。有限元技术、模态分析技术以及多体系统动力学的发展为汽车动力学的发展产生了巨大的作用。这些技术很快在汽车技术领域里得到了应用。 从此，汽车动力学研究的动力学模型由线性模型逐渐发展到非线性多体系统模型；模型的自由度也由二个自由度发展到数十个自由度甚至成百上千个自由度；模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的模拟研究。 2.3 ADAMS软件基本算法 2.3.1 运动学分析 运动学分析研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力，因此只需求解系统的约束方程： ………………………………（2-1） 任一时刻 位置的确定，可由约束方程的Newton-Raphson迭代求得： ……………………（2-2） 式中， ， 表示第 次迭代。 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： …………………………………（2-3） … （2-4） 时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到： …………（2-5） 2.3.2 动力学分析 ADAMS软件采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： ……………（2-6） 完整约束方程 非完整约束方程 式中： ——系统动能； ——系统广义坐标阵列； ——广义力列阵； ——对应于完整约束的拉氏乘子阵列； ——对应于非完整约束的拉氏乘子阵列。 把（2-6）式写成更一般的形式： …………………………………（2-7） 式中 ——广义坐标列阵； ——广义速度列阵； ——约束反力及作用力列阵； ——系统动力学微分方程及用户定义的微分方程（如用于控制的微分方程、非完整的约束方程）； ——描述约束的代数方程列阵。 如定义系统的状态矢量 ，式（2-7）可写成单一矩阵方程： …………………………………………（2-8） 在进行动力学分析时，ADAMS采用两种算法： （1）提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适于模拟刚性系统（特征值变化范围大的系统）。 （2）提供ABAM积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 1．微分-代数方程的求解算法 用Gear预估-校正算法可以有效地求解式（2-7）所示的微分-代数方程。首先，根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值： ……………（2-9） 其中，时间步长 。 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，式（2-7）右边的项不等于零，可以由Gear 阶积分求解程序（或其他向后差分积分程序）来校正。如果预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足式（2-7），则可以不必进行校正。 …………………（2-10） 式中： —— 在 时的近似值； ——Gear积分程序的系数值。 整理式（2-10）得： ………………（2-11） 将式（2-7）在 时刻展开，得： ………（2-12） ADAMS使用修正的Newton-Raphson程序求解上面的非线性方程，其迭代校正公式为： ……………………（2-13） 式中， 表示第 次迭代。 ， ， ………………（2-14） 由式（2-11）知： ………………………（2-15） 由式（2-12）知： ， ………………（2-16） 将式（2-16）代入式（2-13），得： ………………（2-17） 式（2-17）左边的系数矩阵称系统的雅克比矩阵。 式中 ——系统刚度矩阵； ——系统阻尼矩阵； ——系统质量矩阵。 通过分解系统雅克比矩阵（为了提高计算效率，ADAMS采用符号方法分解矩阵）求解 ， ， ，计算出 ， ， ， ， ， ，重复上述迭代校正步骤，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，接受该解，进行下一时刻的求解。否则拒绝该解，并减少积分步长，重新进行预估-校正过程。总之，微分-代数方程的求解算法是重复预估、校正、进行误差控制的过程，直到求解时间达到规定的模拟时间。 2．坐标缩减的微分方程求解算法 ADAMS程序提供ABAM（Adams-Bashforth and Adams-Moulton）积分程序，采用坐标分离算法，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。 坐标缩减微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行： （1）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列阵 分解成独立坐标列阵 和非独立坐标列阵 ，即 。 （2）预估 用Adams-Bashforth显式公式，根据独立坐标前几个时间步长的值，预估 时刻的独立坐标值 ， 表示预估值。 （3）校正 用Adams-Bashforth隐式公式对上面的预估值，根据给定的收敛误差限进行校正，以得到独立坐标的校正值 ， 表示校正值。 （4）确定相关坐标 确定独立坐标的校正值之后，可由相应公式计算出非独立坐标和其他系统状态变量值。 （5）积分误差控制 与上面预估-校正算法积分误差控制过程相同，如果预估值与校正值的差值小于给定的积分误差限，接受该解，进行下一步的求解。否则减小积分步长，重复第二步开始的预估步骤。 2.3.3 静力学分析 对应于上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析时，分别设速度、加速度为零，则得到静力学方程： ………………（2-18） 2.3.4 初始条件分析 在进行动力学、静力学分析之前，ADAMS自动进行初始条件分析，以便在初始系统模型中各物体的坐标与各种运动学约束之间达成协调，这样可以保证系统满足所有的约束条件。初始条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度的目标函数的最小值得到。 （1）对初始位置分析，定义相应的位置目标函数 ……………（2-19） 式中 ——系统总的广义坐标数； ——系统约束方程数； ， ——分别是约束方程及对应的拉氏乘子； ——用户设定的准确的或近似的初始坐标值或程序设定的缺省坐标值； ——对应 的加权系数。 如果用户指定的 是准确坐标值， 取大值；如果用户指定的 是近似坐标值， 取小值；如果是程序设定的 坐标值，则 取零值。 取最小值，则由 ， 得： （ ； ）……………（2-20） 对应的函数形式： ， ； ……………………（2-21） 其Newton-Raphson迭代公式为： （2-22） 式中 ； ，下标 表示第 次迭代。 （2）对初始速度分析，定义相应的速度目标函数 ……………………（2-23） 式中 ——用户设定的准确的或近似的初始速度值或程序设定的缺省速度值； ——对应 的加权系数； ——速度约束方程； ——对应速度约束方程的拉氏乘子。 取最小值，则由 ， 得： ； …（2-24） 写成矩阵形式为： ； … （2-25） 式（2-25）是关于 ， 的线性方程，系数矩阵只与位置有关，且非零项已经分解（见式（2-22）），因此，可以直接求解 ， 。 （3）对初始加速度、初始拉氏乘子的分析，可直接由系统动力学方程和系统的约束方程的两阶导数确定。 将矩阵形式的系统动力学方程写成分量形式： ； （2-26） 将其写成矩阵形式为： ； ……（2-27） 式（2-27）中的非零项已经分解，见式（2-22）和（2-25），因此，可以求解 和 。 2.4 本章小结 本章介绍了简要介绍了多体系统动力学，以及虚拟样机软件ADAMS的基本算法，其中包括运动学分析算法、动力学分析算法、静力学分析等。对其算法做了更深入的了解，为更好的使用ADAMS打下了良好的理论基础。 第三章 整车参数准备及仿真模型的创建 3.1 引言 本章中运用虚拟样机软件ADAMS创建亚星奔驰有限公司空气悬架高档旅游客车（YBL6891H）的整车动力学模型。 整车模型的坐标原点为通过左、右前轮中心且垂直于纵梁上平面的平面与纵梁上平面和汽车纵向垂直对称平面的交点，X轴指向汽车行驶的正后方，Y轴指向汽车的右侧，Z轴与汽车行驶平面垂直。 虚拟样机软件ADAMS中的ADAMS/Car模块是专门用于汽车建模的仿真环境。模型由三级组成：模块（Template）、子系统（Subsystem）和总成（Assembly）。 （1）模块是创建整车虚拟样机系统的基础。它定义了车辆模型的拓扑结构：部件的数目、部件之间的连接方式以及与其他总成交换信息的方式。 （2）子系统是基于模块创建的。它对模块的某些特性做了调整。比方说:硬点的位置以及弹簧和阻尼的特性文件。 （3）总成是一系列子系统加上实验台的组合。 创建整车虚拟样机模型，为下一步对其进行行驶平顺性和操纵稳定性仿真打下基础。 3.2 虚拟样机参数准备 在创建整车仿真模型时，可以将仿真模型参数按照类型分为四类： a) 运动学参数（几何定位）； b) 质量参数（质量、质心和转动惯量等）； c) 力学特性参数（刚度、阻尼等） d) 外界参数（道路、风力等） 获取这些参数的方法主要有图纸查阅法、计算法、CAD建模法和试验法。其中，运动学参数可以通过图纸查阅法获取，如图3-1前悬架CAD模型和图3-2后悬架CAD模型，一些基本运动学参数都可以从汽车设计总成图中获得。质量参数可以通过试验获取，同样也可以在三维实体建模CAD软件（CATIA、UG和Pro/Engineer）中直接计算得到。力学特性参数中的刚度、阻尼等特性一般可以在设计图纸中查得，而橡胶元件动态特性参数则一般通过试验获得。外界参数中如道路谱主要通过（路面平整度测试仪）试验测量获得，而风力因素则要在试验中的具体工况下测取。 3.2.1 运动学参数 通过在CAD软件Pro/Engineer中进行三维实体建模，创建出如图3-1前悬架CAD模型和图3-2后悬架CAD模型。根据模型及设计图纸，测量各个部件连接的关键点位置，表3-1和表3-2分别列出了二分之一非独立前后悬架的主要定位点参数。 图3-1 前悬架CAD模型 图3-2 后悬架CAD模型 Fig.3-1 CAD configuration of the front suspension Fig.3-2 CAD configuration of the rear suspension 表3-1 前悬架主要定位点坐标 Table 3-1 Coordinate parameters of the key points of the front suspension 前悬架主要定位点坐标（左侧） 坐标 X(mm) Y(mm) Z(mm) 位置点 纵向推力杆与车架铰接点 -797 -447 -491 纵向推力杆与前桥铰接点 -181 -447 -505 V型推力杆与车架铰接点 -739 -310 -90 V型推力杆与前桥铰接点 -193 -100 -116 减振器与车架连接点 295 -556 153 减振器与前桥连接点 188 -521 -366 空气弹簧与车架连接点 8 -616 170 空气弹簧与前桥连接点 8 -616 -87 车轮中心点 0 -1000 -384 表3-2 后悬架主要定位点坐标 Table 3-2 Coordinate parameters of the key poi