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摘要：

目前我國汽車銷量位居全球第一，汽車產(chǎn)業(yè)已然成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，并且仍在高速發(fā)展。日益激烈的市場競爭要求企業(yè)在能夠在最短的時(shí)間內(nèi)以較低的開發(fā)費(fèi)用設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的汽車產(chǎn)品，這對(duì)國內(nèi)汽車企業(yè)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段提出了新的要求。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)－試制－反復(fù)試驗(yàn)和修改－定型”的設(shè)計(jì)流程早已不適應(yīng)當(dāng)前市場，而多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用則可以滿足各車企對(duì)高效和低成本的要求。其大致過程是在樣車（物理樣機(jī)）設(shè)計(jì)出來之前，即可對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測，以進(jìn)行可行性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文針對(duì)汽車設(shè)計(jì)中多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討，共分為五部分。第一部分簡單介紹多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況；第二部分介紹了利用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的過程；第三、第四部分圍繞汽車多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立、模型驗(yàn)證進(jìn)行深入討論；第五部分對(duì)多剛體動(dòng)力學(xué)仿真在汽車領(lǐng)域的進(jìn)一步完善進(jìn)提出了合理化建議。

關(guān)鍵詞：

多剛體動(dòng)力學(xué)；虛擬設(shè)計(jì)；仿真試驗(yàn)

1多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的介紹

多剛體動(dòng)力學(xué)并不等同于多體系動(dòng)力學(xué)，二者是包含與被包含的關(guān)系，多體系動(dòng)力學(xué)包括剛體與柔體兩部分。多剛體系統(tǒng)通常由多個(gè)剛性物體組合在一起。多剛體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展源于經(jīng)典力學(xué)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，在發(fā)展過程中再融合汽車設(shè)計(jì)等學(xué)科，使其在汽車設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真的重點(diǎn)是虛擬樣機(jī)技術(shù)，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)是根據(jù)各種設(shè)定參數(shù)及附加條件構(gòu)一種計(jì)算機(jī)模型來模擬真實(shí)樣機(jī)測試幾何、動(dòng)力或功能方面的特征，然后再根據(jù)測試結(jié)果將虛擬樣機(jī)進(jìn)行改善。傳統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)流程從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品定型需要經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造物理樣機(jī)、物理樣機(jī)測試等多個(gè)過程。物理樣機(jī)測試發(fā)現(xiàn)問題后又要修改設(shè)計(jì)，重新制造樣機(jī)，再重新進(jìn)行測試，如此多次循環(huán)之后才能將產(chǎn)品定型。而虛擬樣機(jī)技術(shù)中的樣機(jī)測試避免了制造物理樣機(jī)的過程，從測試到發(fā)現(xiàn)問題，修改設(shè)計(jì)等完全可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，從而簡化了開發(fā)過程，大幅縮短了周期減少了開發(fā)成本。多剛體動(dòng)力學(xué)仿真即是針對(duì)多剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)通過構(gòu)建虛擬樣機(jī)模型來測試設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化完善。其在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了汽車工業(yè)的發(fā)展。多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS曾經(jīng)為“美國福特汽車公司”節(jié)省了10億美元的開發(fā)制造成本。這很好地解釋了多剛體動(dòng)力學(xué)仿真為何在汽車領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2利用ADAMS軟件實(shí)現(xiàn)多剛體動(dòng)力學(xué)仿真過程

多剛體動(dòng)力學(xué)仿真需要使用一些專業(yè)軟件，在汽車領(lǐng)域最著名的仿真軟件是由美國MSC公司開發(fā)的ADAMS軟件，本文以該款軟件為例，介紹多剛體動(dòng)力學(xué)仿真的實(shí)施過程。利用ADAMS軟件來進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)仿真一般要依次經(jīng)過一下步驟：建模、測試、驗(yàn)證、完善模型、反復(fù)仿真、優(yōu)化、自動(dòng)化。“建模”即在建好的幾何模型上根據(jù)需要加以約束條件，完成虛擬樣機(jī)模型。“測試”是對(duì)建好的模型上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到力與速度方面的信息。“驗(yàn)證”是通過對(duì)比分析數(shù)據(jù)來確定模型是否需要改進(jìn)。“完善模型”是指在模型中定義某些參數(shù)，使模型更接近真實(shí)情況。“反復(fù)仿真”使模型參數(shù)化，定義相關(guān)變量。“優(yōu)化設(shè)計(jì)”對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)置人為控制參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化分析，尋求最佳設(shè)計(jì)方案。“自動(dòng)化”可以設(shè)置一些重復(fù)性工作的自動(dòng)進(jìn)行，提高工作效率。

3對(duì)整車虛擬樣機(jī)模型建立的探討

建立整車虛擬樣機(jī)模型時(shí)，研究對(duì)象是汽車整體而不是某一部分零件或系統(tǒng)，建模時(shí)要考慮車身、懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎與制動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)模型的有機(jī)結(jié)合。這里只探討多剛體理論的應(yīng)用，除了連接襯套等部分，將其余部分可以抽象為理想剛體，忽略各構(gòu)件的形變且不考慮輪胎等柔體系統(tǒng)。對(duì)整車建模主要反映的是汽車操縱的平穩(wěn)性與平順性兩個(gè)方面的問題。汽車操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員的正常操作下,當(dāng)汽車受到外界條件變化干擾時(shí),汽車保持穩(wěn)定性的能力。汽車平順性是指汽車所運(yùn)載的人或物，在坑洼等不良路面上減少因振動(dòng)而受到損壞的能力。汽車整體動(dòng)力學(xué)模型是在ADAMS/CAR中建立起來的，在實(shí)際模型的建立過程中，影響模型分析精度的主要因素是參數(shù)的精度與數(shù)量。從理論上講，所考慮的影響模型計(jì)算精度的因素越多，模型越接近于真實(shí)情況。雖然接近程度增加了，但同時(shí)模型復(fù)雜度和仿真計(jì)算的初始參數(shù)也增加很多。而有些初始參數(shù)不易獲得或者缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，這樣又會(huì)造成仿真計(jì)算結(jié)果精度的降低。所以建模過程中應(yīng)該在滿足研究要求的情況下將模型進(jìn)行合理簡化。

4對(duì)模型驗(yàn)證的探討

整車虛擬樣車模型建立之后，將所得數(shù)據(jù)與實(shí)車進(jìn)行對(duì)照，通過對(duì)比分析仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)車數(shù)值，來證實(shí)仿真模型。且在仿真過程中，以實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為仿真輸入，來增強(qiáng)仿真結(jié)果與實(shí)車的可比性，從而有效驗(yàn)證模型的精確度等相關(guān)問題。模型驗(yàn)證有角脈沖輸入試驗(yàn)驗(yàn)證、蛇形試驗(yàn)驗(yàn)證、轉(zhuǎn)向角輕便性試驗(yàn)驗(yàn)證、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)試驗(yàn)。轉(zhuǎn)向角脈沖輸入試驗(yàn)驗(yàn)證的是汽車瞬態(tài)響應(yīng)特性，具體做法是保持汽車油門開度不變，使汽車按最大速度的70%直線行駛，給轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入一個(gè)三角脈沖后迅速恢復(fù)原狀并保持不動(dòng)，記錄車身的橫擺角速度等晃動(dòng)狀態(tài)。蛇形試驗(yàn)是用來驗(yàn)證汽車行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)與轉(zhuǎn)彎制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證的都是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作情況。將模型驗(yàn)證的結(jié)果與實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車相似程度足以滿足研發(fā)要求。從模型試驗(yàn)的過程和結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在模型試驗(yàn)時(shí)使用與樣機(jī)類似車型的已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為仿真輸入，可以大大增強(qiáng)仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)的可比性，而據(jù)此所構(gòu)建的多剛體模型能夠更有效地反映所設(shè)計(jì)汽車的動(dòng)力學(xué)特性。

5多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的進(jìn)一步完善

從上世紀(jì)70年代至今，多體仿真技術(shù)一直在發(fā)展完善，汽車的動(dòng)力模型由簡單變復(fù)雜，自由度由少到多，仿真技術(shù)從計(jì)算機(jī)模擬到數(shù)字仿真，使多剛體動(dòng)力學(xué)仿真能夠更進(jìn)一步地服務(wù)于汽車行業(yè)。目前，在汽車動(dòng)力學(xué)研究中對(duì)柔體系統(tǒng)仿真較少，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多剛體動(dòng)力學(xué)仿真將逐步大量融入柔體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究。剛體動(dòng)力學(xué)的仿真再加上對(duì)關(guān)鍵部件柔性特征以及結(jié)構(gòu)柔性對(duì)車輛動(dòng)態(tài)性能影響的考慮，將大大增加模型的通用性與真實(shí)性。對(duì)于模型參數(shù)，車輛模型的參數(shù)化程度將進(jìn)一步提高，使之能夠成為該類汽車的一個(gè)通用“整車動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)”，有助于快速高效地分析不同參數(shù)的同類型車輛的重要?jiǎng)恿W(xué)性能。對(duì)汽車整車性能分析（如操縱穩(wěn)定性、平順性分析）時(shí)，將進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)變形剛度影響，而不是簡單地進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛性簡化，此外還要進(jìn)行整車非線性系統(tǒng)分析，以達(dá)到動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，進(jìn)一步提高模型的精度。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)還將逐步考慮人員對(duì)車輛控制的影響，建立和完善車輛的動(dòng)力學(xué)建模及仿真輸入的駕駛員模型，建立“人－車－環(huán)境”閉環(huán)控制系統(tǒng)。

6結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高以及各種軟件技術(shù)和數(shù)學(xué)算法的進(jìn)步，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)（VirtualDesign）也得到了快速發(fā)展并逐漸成熟，已被用于各種不同行業(yè)。其中，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)中的多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工程機(jī)械、國防工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。尤其是在汽車制造業(yè)，多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用，使汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程相比，設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)與周期等都得到大幅下降。本文根據(jù)實(shí)際的多剛體動(dòng)力學(xué)仿真經(jīng)驗(yàn)，提出的一些關(guān)于ADAMS軟件仿真過程中“整車虛擬樣機(jī)模型建立”、“模型驗(yàn)證”相關(guān)問題的探討，以及針對(duì)汽車設(shè)計(jì)工作中多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的進(jìn)一步完善所提出的合理化建議，將促進(jìn)該技術(shù)更好的服務(wù)于汽車領(lǐng)域。

作者：李璐伶 單位：揚(yáng)州盛達(dá)特種車有限公司

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