ADAMS在汽車動力學仿真中的應用研究
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一、引言
數字化虛擬樣機技術是縮短車輛研發周期、降低開發成本、提高產品設計和制造質量的重要途徑。隨著虛擬產品開發、虛擬制造技術的逐漸成熟，計算機仿真技術得到大量應用。系統動力學仿真是數字化虛擬樣機的核心、關鍵技術。對汽車而言，車輛動力學性能尤為重要。為了降低產品開發風險，在樣車制造出之前，利用數字化樣機對車輛的動力學性能進行計算機仿真，并優化其參數就顯得十分必要了。對操縱穩定性的研究常采用仿真分析方法和試驗方法來進行。仿真分析是在計算機上建立簡化到一定程度的模型，輸入駕駛員對汽車的各種操縱信號，解算出系統的時域響應和頻域響應，以此來表征汽車的操縱穩定性能。因為仿真分析花費時間短，可在計算機上重復進行，對各種設計方案進行快速優化對比，并且可實現試驗條件下不能進行的嚴酷工況分析，因此該方法日益被人們采用。
建立整車仿真模型常有多種方法，筆者應用機械系統運動學、動力學仿真分析軟件ADAMS，來建立仿真模型，并對不同方向盤轉角下的操縱穩定性進行了動力學仿真。
二、數字化分析模型的準備
（一）仿真分析模型所需要的參數類型
建立多體系統動力學分析模型，參數需要量大，精度要求高，參數準備工作量大。所需的參數主要可劃分為四類：尺寸（幾何定位）參數、質量特性參數（質量、質心與轉動慣量等）、力學特性參數（剛度、阻尼等特性）與外界參數（道路譜等）。
其中的尺寸參數和大部分的質量特性參數可以通過建立三維數字模型得到，其他參數尚需要別的參數獲得手段來獲取。總的來說，參數的獲得方法主要有以下幾種：圖紙查閱法、試驗法、計算法、CAD建模法等。可根據具體實際情況采用。
（二）數字模型間的數據傳遞
基于CAD/CAM軟件建立三維數字模型是建立數字化分析模型的基礎。使用CAD/CAM軟件建立系統的三維實體數字模型，并以各個運動部件的形式先將零部件合并，裝配好；將模型存為ADAMS軟件可調用的特定格式的數據文件；然后利用CAD/CAM軟件與ADAMS軟件之間的數據接口文件將三維模型傳遞到ADAMS軟件中去；之后輸入各運動部件的密度等必要參數，就可以直接得到各運動部件的質量、質心與轉動慣量等質量參數。將三維數字模型傳遞到ADAMS軟件中后，通過添加適宜的約束和力元素等建模元素就可以得到初步的多體系統分析模型，也就是我們的基本化模型。
三、整車模型的創建
（一）雙橫臂式前懸架多體系統動力學模型
C型車前懸架采用雙橫臂式獨立懸架。前懸架主要零部件，對整車操縱穩定性能分析有重要影響的有：上橫臂（兩個）、下橫臂（兩個）、轉向節（兩個）、轉向橫拉桿（兩個）、轉向主拉桿（一個）、轉向搖臂（兩個）、車身（一個）、橫向穩定桿（一個）、縱置扭桿彈簧（兩個）、減振器（兩個）。上橫臂一端通過球鉸與轉向節相連，另一端通過轉動鉸與車身相連，使其可相對車身上下擺動。下橫臂一端通過球鉸與轉向節相連，另一端通過轉動鉸與車身相連。轉向橫拉桿一端通過球鉸與轉向節拉臂相連、另一端通過球鉸與轉向主拉桿相連，縱置扭桿彈簧一端通過固定鉸與下橫臂相連，另一端通過固定鉸與車身相連。車輪（即hub構件）通過轉動鉸與轉向節相連。穩定桿中部自由地支承在兩個固定在車架上的橡膠套筒內。穩定桿連桿一端通過等速萬向節與穩定桿連接，另一端通過球鉸與下控制臂連接。具體結構簡圖見圖1所示：
數字化虛擬樣機技術是縮短車輛研發周期、降低開發成本、提高產品設計和制造質量的重要途徑。隨著虛擬產品開發、虛擬制造技術的逐漸成熟，計算機仿真技術得到大量應用。系統動力學仿真是數字化虛擬樣機的核心、關鍵技術。對汽車而言，車輛動力學性能尤為重要。為了降低產品開發風險，在樣車制造出之前，利用數字化樣機對車輛的動力學性能進行計算機仿真，并優化其參數就顯得十分必要了。對操縱穩定性的研究常采用仿真分析方法和試驗方法來進行。仿真分析是在計算機上建立簡化到一定程度的模型，輸入駕駛員對汽車的各種操縱信號，解算出系統的時域響應和頻域響應，以此來表征汽車的操縱穩定性能。因為仿真分析花費時間短，可在計算機上重復進行，對各種設計方案進行快速優化對比，并且可實現試驗條件下不能進行的嚴酷工況分析，因此該方法日益被人們采用。
建立整車仿真模型常有多種方法，筆者應用機械系統運動學、動力學仿真分析軟件ADAMS，來建立仿真模型，并對不同方向盤轉角下的操縱穩定性進行了動力學仿真。
二、數字化分析模型的準備
（一）仿真分析模型所需要的參數類型
建立多體系統動力學分析模型，參數需要量大，精度要求高，參數準備工作量大。所需的參數主要可劃分為四類：尺寸（幾何定位）參數、質量特性參數（質量、質心與轉動慣量等）、力學特性參數（剛度、阻尼等特性）與外界參數（道路譜等）。
其中的尺寸參數和大部分的質量特性參數可以通過建立三維數字模型得到，其他參數尚需要別的參數獲得手段來獲取。總的來說，參數的獲得方法主要有以下幾種：圖紙查閱法、試驗法、計算法、CAD建模法等。可根據具體實際情況采用。
（二）數字模型間的數據傳遞
基于CAD/CAM軟件建立三維數字模型是建立數字化分析模型的基礎。使用CAD/CAM軟件建立系統的三維實體數字模型，并以各個運動部件的形式先將零部件合并，裝配好；將模型存為ADAMS軟件可調用的特定格式的數據文件；然后利用CAD/CAM軟件與ADAMS軟件之間的數據接口文件將三維模型傳遞到ADAMS軟件中去；之后輸入各運動部件的密度等必要參數，就可以直接得到各運動部件的質量、質心與轉動慣量等質量參數。將三維數字模型傳遞到ADAMS軟件中后，通過添加適宜的約束和力元素等建模元素就可以得到初步的多體系統分析模型，也就是我們的基本化模型。
三、整車模型的創建
（一）雙橫臂式前懸架多體系統動力學模型
C型車前懸架采用雙橫臂式獨立懸架。前懸架主要零部件，對整車操縱穩定性能分析有重要影響的有：上橫臂（兩個）、下橫臂（兩個）、轉向節（兩個）、轉向橫拉桿（兩個）、轉向主拉桿（一個）、轉向搖臂（兩個）、車身（一個）、橫向穩定桿（一個）、縱置扭桿彈簧（兩個）、減振器（兩個）。上橫臂一端通過球鉸與轉向節相連，另一端通過轉動鉸與車身相連，使其可相對車身上下擺動。下橫臂一端通過球鉸與轉向節相連，另一端通過轉動鉸與車身相連。轉向橫拉桿一端通過球鉸與轉向節拉臂相連、另一端通過球鉸與轉向主拉桿相連，縱置扭桿彈簧一端通過固定鉸與下橫臂相連，另一端通過固定鉸與車身相連。車輪（即hub構件）通過轉動鉸與轉向節相連。穩定桿中部自由地支承在兩個固定在車架上的橡膠套筒內。穩定桿連桿一端通過等速萬向節與穩定桿連接，另一端通過球鉸與下控制臂連接。具體結構簡圖見圖1所示：
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（二）后鋼板彈簧多體動力學模型
由于鋼板彈簧由多片長短不一的簧片疊加組成，力學特性較為復雜，既是彈性元件，又是傳遞縱向、側向地面作用力的傳力元件，因此建立鋼板彈簧懸架模型是構造車輛多體模型的一大難點。這里利用等效中性面法建立了C型車用鋼板彈簧懸架模型并驗證了模型的正確性。其原理是：所有主簧可以簡化為在某個等效中性面的單片主簧，即沿板簧厚度方向中間層組成的近似曲面，再將中性面按厚度基本相似原則分成若干等強度直線段，利用ADAMS中的BEAM單元模擬這些等強度直線段，每段間以Flexible（柔性）方式連接小剛體過渡;按板簧中性面上各段真實質量特性設定對應BEAM單元質量參數。副簧的建模可以單獨劃分若干段，每段的長度應和其對應的主簧分段長度接近。主副簧之間的約束問題通過在接觸位置加IMPACT力來實現。
完成后的鋼板彈簧自由狀態時多體模型見圖2所示：
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（三）扭桿彈簧參數及模型
扭桿彈簧一端與下控制臂相連，另一端與車身相連。根據實際問題的需要，在ADAMS軟件中采用力約束rotational—spring—damping來模擬扭桿彈簧的作用。
（四）橫向穩定桿模型
橫向穩定桿對汽車的操縱穩定性有重要影響。在ADAMS中，建立簡化的橫向穩定桿的模型：方法是將穩定桿中間斷開，聯以扭桿彈簧，其扭轉剛度由中間處的扭轉彈簧表示。
（五）減振器模型
減振器是懸架系統的主要元件，與彈性元件并聯安裝，車輪與車身的相對振動，主要是通過減振器衰減的，即由于懸架匹配了適當的阻尼，車身的自由振動被迅速衰減，車身的強迫振動也會受到抑制。根據前、后減振器的速度—阻尼力特…………
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