第五章 汽车操纵稳定性仿真分析
5.1 多体系统动力学基础
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多体系统动力学产生的背景 多体系统动力学简介
多刚体系统动力学的研究方法 多柔体系统动力学的研究方法
一、多体系统动力学产生的背景
随着汽车市场的日趋完善，汽车开发速度不断加快，完全依靠样车试制后对汽车进行试验来达到调整汽车性能的做法己经不能满足汽车产品开发速度快和开发质量高的要求，所以有必要在设计中同时采用虚拟样机技术及仿真分析方法对汽车性能进行预测，达到提高设计质量和开发速度的目的。以多体系统动力学理论为基础的大型通用软件为工程技术人员提供了方便的建模手段。
传统的产品开发的基本流程如下：首先是概念设计和方案论证，然后进行产品
设计，在设计完成后，为了验证设计方案的可行性，通常要制造物理样机进行试验，有时这些试验是难以进行的甚至是破坏性的。当试验过程中发现产品存在一定的缺陷时，需要从头修改设计方案，再次利用物理样机进行必要的验证。只有通过周而复始的设计-试验-设计过程，产品才能达到所要求的性能。显然，这一过程是极其繁琐的，尤其是对于一些结构相对复杂的系统，如果采用这种方法进行产品开发，其设计周期比较长，不能满足灵活多变的市场需求，而且物理样机的单机制造成本比较高，所以，基于物理样机的产品设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低以及对市场的快速响应。 为了降低产品的研发费用，提高产品的市场占有率，要求汽车的开发
周期尽可能短。物理样机的制造及试验己经成为新产品开发的主要瓶颈，克服这个瓶颈的主要方法是，在一个全新的汽车产品设计完成之后，物理样机制造出来之前，对汽车的操纵性和平顺性等关乎汽车整体品质的重要性能有一个较为全面的了解，并给出汽车是否满足设计要求的相关评价，从而避免在制造出物理样机并对其进行试验之后，发现该车性能不能满足设计要求而重新更改设计所造成的试制费用和设计时间的巨大浪费。而数字化虚拟样机技术是缩短汽车开发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。
运用虚拟样机技术可以根据设计要求对汽车产品进行开发，通过功能化虚拟样机技术建立起车辆系统的仿真模型（即功能化虚拟样车），
将车辆作为一个完整的控制系统进行分析和研究，这样以来就可以很容易的对部件的结构参数与整车操纵稳定性之间的内在关系加以掌握。此外，在物理样车生产出来之前即可对其操纵稳定性等汽车性能进行预测，以便进行可行性研究和优化设计，在结构设计阶段也可在修改零部件设计参数的基础上重新进行仿真分析，其仿真结果可以直接用于零部件设计参数的分析、优化和改进，最终达到提高产品设计质量的目的。
虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。多体系统是指由多个物体通过运动副连接而成的复杂机械系统。对于复杂机械系统人们关心的问题大致可以分为三大类：一是在不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态以及它们之间的变化速度与加速度的关系，这种问题称为系统的运动学分析；二是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副反力，这类问题称为系统的静力学分析；三是讨论载荷与系统运动之间的关系，即动力学问题。
一、多体系统动力学产生的背景
例：汽车多连杆悬架
在该系统中各零部件之间是通过转动副、球绞链、虎克铰、恒速度
副等运动副进行连接的。由于这些零部件是彼此相连的，所以在对整个系统进行研究时不能孤立的对其中的某个零部件进行分析，而是应该充分考虑与之相连的其他零部件对其产生的约束作用。 多体系统动力学的主要任务如下：
? （1）建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动地进行程式化的处理；
? （2）开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；
? （3）实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理结果。
二、多体系统动力学简介
多体系统动力学中所研究的多体系统，根据系统中物体的力学特性可分为多刚体系统、多柔体系统和刚柔混合多体系统。多刚体系统是指可以忽略系统中物体的弹性变形而将其当作刚体来处理的系统，该类系统常处于低速运动状态。多柔体系统是指系统在运动过程中会出
现物体的大范围运动与物体的弹性变形的耦合，从而必须把物体当作柔性体处理的系统，大型、轻质而高速运动的机械系统常属此类。在多柔体系统中，如果有部分物体可以当作刚体来处理，那么该系统就是刚柔混合多体系统。
对于同一物理样机，根据研究问题的侧重点不同可以分别建立起多刚体系统模型、多柔体系统模型或刚柔耦合系统模型，然后利用相关软件或其他分析工具分别对其进行研究可以最终得到较为准确的结论。
例：发动机曲柄连杆机构
V型六缸发动机曲柄连杆 机构的多刚体系统模型
二、多体系统动力学简介
? 对于平衡性分析而言，由于考虑的是运动构件惯性力的平衡，可采用多刚体系统模型计算刚体的质量、质心位置以及惯性矩；但如果要分析曲柄连杆机构的振动，则需要将曲轴建成柔性体。
? 之所以将发动机曲柄连杆机构建立成多刚体系统是因为该模型可用于计算系统中各构件的运动规律及构件间的相互作用力，并且能够对其进行平衡性分析。活塞、连杆、曲轴等构件的质量、质心位置以及惯性矩是采用Pro/E软件建立起相应零件的精确实体模型后进行分析计算得到的。
三、多刚体系统动力学的研究方法
? （1）Newton-Euler方程法。 ? （2）Langrage方程法。 ? （3）罗伯森-维滕堡方法。
? （4）凯恩（Kane-Houston）方法。 ? （5）变分方法。
以上几种方法是早期多刚体系统动力学研究的主要内容，但是随着计算机技术的高速发展，借助于计算机数值分析技术来解决由多个物体组成的复杂机械系统动力学分析问题已经成为一种快捷、有效地多刚体系统动力学解决方法。所谓计算多体系统动力学是指用计算机数值方法来研究复杂机械系统的静力学分析、运动学分析、动力学分析并可进行控制系统分析的一种行之有效的理论方法。
四、多柔体系统动力学的研究方法
多柔体动力学是多刚体动力学的自然延伸，多柔体系统动力学在多刚
体系统动力学分析的基础上进一步考虑运动构件的变形影响，这使得系统的运动自由度大大增加，运动学和动力学关系更复杂了，同时，柔体变形也使得多刚体分析中的一些常量（如惯量）发生了变化。 多柔体系统动力学的研究方法主要有以下几种： ? （1）离散化方法。 ? （2）模态集成法。 ? （3）形函数法。
在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始终是一个关键性问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用相对比较复杂，再加上人-车环境的相互作用，使得汽车系统动力学的研究十分困难。目前，在应用多体系统动力学理论解决实际的汽车动力学问题时，一般要经过以下几个步骤： ? （1）实际系统的多体模型简化； ? （2）自动生成动力学方程； ? （3）准确求解动力学方程。
四、多柔体系统动力学的研究方法
? 例：发动机曲柄连杆机构
由于发动机工作时曲轴是高速旋转的运动部件，而且在运动过程中曲轴还要承受很大的载荷，所以如果所研究的问题对微小变形要求很高，则必须考虑曲轴的柔性。在建立曲轴的有限元模型时，需要在主轴颈与机体以及曲柄销与连杆相连的位置设置结点，以便在该处施加约束。
在Ansys软件中建立 的曲轴有限元模型
四、多柔体系统动力学的研究方法
由于其他零件在系统中的作用只是传递气体爆发压力和因运动产生的惯性力，所以将这些零件建成刚体即可。最终将刚体曲轴换成柔性曲轴即可得到发动机曲柄连杆机构的多柔体系统模型 。
四、多柔体系统动力学的研究方法
? 发动机曲柄连杆机构的建模综合利用了CAD软件、有限元分析软件和机械系统仿真软件，三者之间的数据传递关系 ：
5.2 基于ADAMS/Car的整车模型的建立
? ADAMS/Car的建模原理
? 建立整车数字化模型所需的基本参数 ? 整车模型的建模过程
一、ADAMS/Car的建模原理
考虑到汽车基本上是一纵向对称系统，设计人员只需要建立左边或右
边的1/2模型，系统就会根据对称性自动地生成另一半 。 ADAMS/Car模块分为“Template Builder”（模板建模器）和“Standard Interface”（标准界面）两种模式。模板建模器主要用于模板的建立，标准界面则主要用于子系统和装配组合的建立以及数字化模型的仿真分析。
通常情况下，ADAMS/CAR采用自下而上的建模顺序，即先在模板建模器中建立基本模板（Template），然后进入标准界面，在基本模板的基础上建立子系统（Subsystem），最后将各子系统和试验台（Test Rig）组合在一起构成装配组合（Assembly），其建模顺序如图5.2所示。
? （1）模板：绝大部分的建模工作都是在模板阶段完成的。在建立模板阶段，正确建立零部件间的连接关系和通讯器是至关重要的，这些数据在建立相应的子系统和总成阶段是无法修改的，而零部件的位置和特征参数在后续过程中可以更改。此外，模板是参数化的模型，在模板中含有标准模型组件的零件参数，并且定义了模型的拓扑结构。例如，对于前悬架模板，它定义了前悬架所包含的刚体数目、刚体之间的连接方式以及与其他子系统之间进行信息交换的方式。
? （2）子系统：子系统是基于模板创建的、允许标准用户修改模板参数的零部件组合，但用户只能修改部分参数。用户只能在标准界面中才可以使用子系统。子系统的使用包括“新建”和“载入”两个方面。新建子系统必须是基于一个现存的模板，而打开一个现存的子系统时，与之对应的模板也同时被读入。子系统中含有相关零部件的说明，这些说明包括设计参数、引用的属性文件和模板文件。
（3）装配组合：装配组合是子系统和试验台的组合件。在这一阶段，产品设计人员可根据实际需要，将不同的子系统组合成为一个完整的分析模型，如悬架总成可以包括悬架子系统、转向子系统和试验台。 模型建立后，即可利用求解器进行相应的仿真分析了，在后处理模块中可以直接得到仿真分析的结果，对于某些不能直接得到分析结果可以利用后处理模块中的曲线编辑功能绘制出相应的曲线，进而得到所需的分析结果。最后将仿真分析的结果与试验指标进行对比，即得出表征产品性能的相关结论。