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1、第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 论文分类号：U461.4 单位代码：10183 密 级：内 部 学 号：2201318 吉吉 林林 大大 学学 硕 士 学 位 论 文 基于多体系统动力学的 空气悬架大客车平顺性试验仿真研究 Ride Comfort Test Simulation Research on Car Passenger with Air Suspension Based on Multi-body System Dynamics 作者姓名：杨 兴 龙 专 业：车辆工程 导师姓名：张 建 文 及 职 称：副 教 授 论文起止年月：2001 年 12 月至 20
2、03 年 1 月 作者姓名：杨 兴 龙 专 业：车辆工程 导师姓名：张 建 文 及 职 称：副 教 授 论文起止年月：2001 年 12 月至 2003 年 1 月 提 要 提 要 本文以空气悬架大客车为研究对象，采用多体系统动力学的理论方法，应用 ADAMSADAMS 软件建立了 DD6115HDD6115H 型空气悬架大客车八十五自由度整车动力学模型，通过对整车平顺性试验仿真，探索运用 ADAMSADAMS 软件进行空气悬架大客车平顺性试验仿真分析的方法。本文在建立整车动力学模型的过程中，对悬架中的空气弹簧及减振器进行试验测定，获得了空气弹簧的非线性力学特性和减振器的非线性阻尼特性，运用数
3、值方法对试验结果进行处理并加入到整车模型中，使整车模型更精确可靠。在路面时域输入信号的仿真过程中充分考虑车辆对路面激励信号的轮距相关和轴距滞后作用。本文在对空气悬架大客车的满载工况下整车平顺性仿真分析完成后，进行了实车的道路试验，通过道路试验和仿真结果的对比，验证了模型的可信性。在此基础上又对空载工况下空气悬架大客车的整车平顺性进行仿真运算，通过虚拟样机分析了空气弹簧对大客车平顺性的影响。关键词：ADAMS 空气弹簧 平顺性 多体系统动力学 仿真 关键词：ADAMS 空气弹簧 平顺性 多体系统动力学 仿真 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 目 录 目 录 第一章 绪论 1
4、 第一章 绪论 1 1.1 多体系统动力学研究发展概况 1 1.1.1 引言 1 1.1.2 多体系统动力学的发展进程 1 1.2 多体系统动力学的基本任务2 1.3 多体系统动力学在汽车性能分析中的应用4 1.4 适用于车辆动力学的多体系统动力学通用软件4 1.5 空气悬架的发展历史和应用现状 7 1.6 本文研究的主要内容和意义 9 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 12 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 12 2.1 ADAMSADAMS 软件简介 12 2.2 ADAMSADAMS 软件的特点 13 2.3 分析、计算方法 14 2.3.1
5、广义坐标选择 14 2.3.2 动力学方程的建立 14 2.3.3 动力学方程的求解 15 2.3.4 静力学分析、运动学分析、初始条件分析 18 2.4 解决 ADAMSADAMS 软件数值发散的技巧 21 2.5 本章小节 22 第三章 空气悬架主要结构型式及建模对象结构简介 23 第三章 空气悬架主要结构型式及建模对象结构简介 23 3.1 空气悬架的结构型式23 3.2 建模对象结构简介26 第四章 整车多体系统模型参数的确定及相关实验 28 第四章 整车多体系统模型参数的确定及相关实验 28 4.1 几何参数、惯性参数的确定 28 4.2 整车数据及参数 28 4.3 前后空气弹簧及
6、减振器特性实验 29 4.3.1 实验原理 32 4.3.2 空气弹簧特性试验 33 4.3.3 减振器特性实验 36 4.4 本章小结 37 第五章 整车多体系统动力学仿真模型的建立38 第五章 整车多体系统动力学仿真模型的建立38 5.1 路面对汽车激励的时域模型建立 38 5.1.1 路面不平度功率谱 38 5.1.2 空间频率谱函数与时间频率谱函数的转化 40 5.1.3 双辙路面模型的建立 41 5.1.4 路面激励时域模型在 ADAMSADAMS 中的再现 45 5.2 轮胎仿真模型的建立 48 5.3 空气弹簧仿真模型的建立 50 5.4 减振器仿真模型的建立 51 5.5 整车
7、多体系统仿真模型 52 5.6 整车动力学仿真 53 5.7 仿真计算结果 53 5.8 本章小结 57 第六章 试验与结果分析58 第六章 试验与结果分析58 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 6.1 试验仪器及方法 58 6.2 试验数据处理 60 6.3 试验与仿真结果对比 63 6.4 本章小结 65 第七章 空气悬架对大客车平顺性影响的仿真分析66 第七章 空气悬架对大客车平顺性影响的仿真分析66 7.1 空气悬架大客车空载工况平顺性仿真 66 7.2 空气悬架大客车空载工况和满载工况平顺性仿真结果对比 67 7.3 本章小结 68 第八章 全文总结69 参考文
8、献 71 致谢 75 中文摘要 英文摘要 第八章 全文总结69 参考文献 71 致谢 75 中文摘要 英文摘要 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 多体系统动力学研究发展概况 1.1.1 引言 1.1 多体系统动力学研究发展概况 1.1.1 引言 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，是研究多体系统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学。多体动力学是在经典力学基础上发展起来的与运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的分支【1】。在传统研究车辆动力学问题中，对于自由度少或简单类型的多自由度模型，可以使用牛顿定
9、律、达朗伯贝尔原理、动量定理或动量矩定理来建立运动微分方程组。对于复杂的多自由度系统，要用拉格朗日方程来推导出动力学微分方程组。随着汽车工业的发展，研究的车辆动力学模型越来越复杂，构造动力学方程时，将面临十分繁重的代数和微分运算，并且极易出错，手工推导已很难胜任。因此，目前以这些方法编制的车辆动力学软件有以下缺点：?对真实反映动力学系统实际情况的复杂模型，由于手工推导无法胜任，不得不对系统作许多简化，降低自由度的个数，显然，这样做就很难得到精确的分析结果。?传统的方法是：建立模型推导方程编制计算机程序调试软件计算分析所要解决的动力学问题。一旦研究的对象或内容发生变化，不得不重新建立新的模型，或
10、者对已有模型进行修改。这一费时费工的操作，已不能适应当前科技与生产迅速发展的需要。为此，人们提出了一个想法：动力学方程的生成和求解全由计算机来实现，即只要机械系统的物理模型一旦建立，给计算机输入描述系统的最基本的参数，如几何、物理参数和各分离体间相互约束的关系，以后的工作就由计算机自动完成。从而推动了传统的刚体动力学的发展，产生了多刚体动力学这一力学分支。为了研究有多刚体与多柔体组成的机械系统动力学问题，第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 在多刚体动力学的基础上发展成多体系统动力学。1.1.2 多体系统动力学的发展进程 1.1.2 多体系统动力学的发展进程 在本世纪 60
11、年代中期，经过 Likings Hooker、Margalies、RobersonLikings Hooker、Margalies、Roberson和 WittenburgWittenburg 等人卓有成效的努力，多刚体系统动力学诞生了。它是在经典力学基础上产生的新学科分支，它针对由多个刚体组成的力学模型，研究程式化的求解算法，以便实现计算机自动建立方程并求解。多刚体系统动力学诞生以后发展很快，形成了几种风格不同的流派，代表性的方法有 R-WR-W 方法、旋量方法、凯恩方法和第一类拉格朗日方法等。1977 年，国际理论和应用力学学会主持召开的第一次多刚体系统动力学研讨会，是这门学科发展的重要里
12、程碑。它标志着多刚体系统动力学的建模方法已基本得到解决。从此，原先从事多刚体系统动力学研究的学者纷纷转向对带柔性的多体系统动力学的研究，于是，“多刚体系统动力学”的内涵得到延伸，成为“多体系统动力学”。1983 年，由 NATO-NSF-ARNATO-NSF-AR 在美国 IowaIowa 大学联合举办的机械系统动力学计算机辅助分析和优化高级讲习会及 1984 年 IUTAM、IFTOMNIUTAM、IFTOMN 主办的多体系统动力学研究会可以充分看到这门学科从理论建模到面向工程的计算机辅助仿真研究的大发展。短短几年内，许多大型通用计算机软件不断涌现，并在商业化方面取得巨大成功。这些软件的应用
13、领域非常广泛，以致西欧和北美的工程师们已习惯于在机械系统的设计过程中，通过多体系统的仿真软件，对新设计的产品进行研究、分析和优化，大大缩短了设计周期，并降低了通常研制中制造、调试样机所占用的成本消耗。所以，这个过程在计算机辅助工程 CAE（Computer Aided Engineering）CAE（Computer Aided Engineering）中被称为 CAA（Computer Aided Analysis）CAA（Computer Aided Analysis），并示为一个必要的环节。同时，在车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会，以交流多体软件的开发和应用的经验，传递信息并
14、提出新的思想和研究方向。由 WSchiehlenWSchiehlen 编撰的多体系统手册（Multi-body System Handbook）（Multi-body System Handbook）就是这种形式发展下的产物，其中包括了全世界范围内近 20 个研究团体的成果，如著名的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 机械系统的自动动力分析)ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 机械系统的自动动力分析)和 DADS(Dynamic Analysis a
15、nd Design System 动力学分析和设计系统)DADS(Dynamic Analysis and Design System 动力学分析和设计系统)等。这些软件结构性强、功用完备、操作方便，不但能够求解航天器和机器人等以开环和低运动副为主的机构，而且能求解车辆等结构形式复杂的多闭环系统【2】。1.2 多体系统动力学的基本任务 1.2 多体系统动力学的基本任务 多体系统动力学是经典的动力学理论同现代计算机技术相结合的产物。其计算动力学的基本任务是：?建立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的参数，计算机将自动进行程式化的处理过
16、程。?开发和实现有效的稳定的数值计算方法，自动求解运动学和动力学方程，得到运动学规律和动力学响应。?合理解释仿真结果，提供仿真结果的图形输出或将分析计算结果用图表方式告知用户。正如有限元理论在计算固体力学中的地位一样，多体系统动力学是计算动力学的基础，它的主要任务是建立适用于计算机的程式化数学模型的推导。根据动力学原理，多体系统动力学的各种建模方法分为分析法和综合法。无论运用何种动力学原理，从最后所得的动力学方程的结构形式来看，基本上分为两大类。第一类数学模型其方程个数与系统自由度数相同，一般形式为：BqA=。这种形式首先是为开环的航天器推出的，它的优点是方程的个数最少，缺点是方程呈严重的非线
17、性，矩阵 A A 和 B B 形式相当复杂，这种复杂程度与广义坐标的选择有关。因此，这种数学模型在建立时，广义坐标的选取还需人工干预。另外，方程中不出现系统的约束反力，方程简洁。但是对于那些需要系统的约束反力的工程对象来说，这样的数学模型就不太理想。第二类数学模型是用统一的广义坐标描述刚体的位置和运动。例如用 3 个笛卡尔坐标描述质心位置，4 个欧拉元素描述它的姿态，建立起 6N(N 为刚体数)的含拉格朗日乘子的动力学方程，与这些广义坐标间的约束方程联立构成第二类数学模型，它是一组微分代数混合方程组，一般形式为：FJqMT=+，=qJ。这种数学模型的特点是方程个数庞大，但是，系数矩阵 M M
18、和 J J 呈稀疏状，另外，由于模型中的广义坐标已经选定，约束方程以约束库的形式先第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 存入计算机，只要给定约束作用的相邻刚体的序号和约束类型，计算机可自动生成约束方程，真正做到用户不参与，计算机自动建模。此外，方程中还存在描述约束反力性质的拉格朗日乘子，这种方法适合于车辆动力学的需要。以前由于这类数学模型的方程个数庞大，而且这样混合型的微分代数方程组在进行数值计算时往往是刚性的，需要专门的计算方法，所以不被人们所重视。但它的一个最大的优点是广义坐标的选择不需要人工干预。所以，伴随着稀疏矩阵技术的发展以及对专门算法的深入研究，这一类数学模型愈来
19、愈受到人们的广泛注意。多体系统动力学理论有很多优点：?适用对象广泛。由于多体系统动力学由计算机按程式化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种联接方式的系统进行计算，因此其通用性非常强，同一程序可对各类复杂系统进行分析。?可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合系统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大方便，能够使计算结果更符合实际。?模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程，模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系统动力学的数学模型可由
20、计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂向、纵向及横向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影响综合起来研究。1.3 多体系统动力学在汽车性能分析中的应用 1.3 多体系统动力学在汽车性能分析中的应用 多体系统动力学作为动力学仿真的一种新方法，在汽车工程领域有着广泛的应用前景。首先，采用多体动力学分析方法，能够得到一个通用的自动建立数学模型的方法。这种方法不仅能够求解车辆垂向、横向、纵向的空间动力学问题，而且还能对它们之间的耦合模型进行分析。由于这种方法的通用性，它除了
21、能对已有的车辆模型进行各种动力学分析外，还能对未来出现的设计中的车辆模型进行动力学分析，这对加快各种新型车辆的设计和研究是很有帮助的。其次，多体系统分析方法可以与有限元技术和模态分析方法接口，随着车辆动力学模拟的深入，对车体等柔性体不能以刚体来代替，而必须考虑它的弹性变形。目前，对物体弹性的处理方法有多种，主要是采用有限元离散化方法与模态分析方法。由于这两种方法已相当成熟，这样多体分析方法可以借鉴它们的现有成果，结合物体的大位移运动来对含有弹性变形的多体系统进行分析。从而可以比较全面地模拟车辆动力学性能，为各种新型汽车的设计和结构参数的确定提供可靠的依据。1.4 适用于车辆动力学的多体系统动力
22、学通用软件 1.4 适用于车辆动力学的多体系统动力学通用软件 机械系统的种类繁多，多体系统动力学分析软件在进行机械系统运动学和动力学分析时，还需要融合其他相关技术为了能够充分发挥不同分析软件的特长，有时希望该软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程软件，或者反过来，该软件的输入数据可以由其他的专用软件产生一个优秀的多体系统动力学分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学分析外，还应该包含以下技术：?几何形体的计算机辅助设计 CAD（Computer Aided Design）CAD（Computer Aided Design）技术。用于机械系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。?有
23、限元分析 FEA(Finit Elements Analysis)FEA(Finit Elements Analysis)软件和技术。可以利用机械系统的运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条件,或者利用有限元技术对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。?模拟各种各样作用力的软件编程技术。多体系统软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力和力矩，例如：电动力、液压气动力、风力等，以适应各种机械系统的要求。?利用实验装置的试验结果进行某些构件的建模。试验结果经过线性化处理后输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方
24、法?控制系统设计与分析技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析，或者可以应用其他专用的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。?优化分析技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析是一个重要的应用领域。通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使机械系统获得最佳的综合性能。自 50 年代中期以来，国外（特别是美国）研制了一些机构的计算机辅助设计软件。1960 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件-DYANA（Dynamic Analyzer），DYANA（Dynamic Analyzer），主要用于解决多自由度无约束的机械系统的动
25、力学问题，研制者用该软件进行了车辆的“质量-弹簧-阻尼”模型分析。然而，虽然 DYANADYANA 不失为第一代机构计算机辅助设计系统的代表，但是若用该软件来解决有约束的机械系统的动力学问题，则需要一定的数学模型将约束解除后才能使用，无疑对于稍复杂的机构，这一工作量相当大，而且 DYANADYANA 没有提供方便求解静力学和运动学问题的型式。1964 年，IBMIBM 公司为验证其计算机在工业上的应用，为汽车工业研制了运动学分析软件 KAM（Kinematic Analysis Method）KAM（Kinematic Analysis Method）。该软件采用美国MichiganMichi
26、gan 大学 M.A.ChaceM.A.Chace 等人的矢量代数的分析法，对单运动链单自由度机构进行位置、速度、加速度分析，但该软件不能对多运动链进行同时分析，不能分析高副和多自由庋机构，不能方便进行静力学和运动学分析。尽管这样，KAMKAM 软件比 DYANADYANA 软件前进了一步，是机构运动学分析的第一代软件。M.A.ChaceM.A.Chace 等人于 1964 年研制出了运动学分析软件 DAMN(Dynamic Analysis of Mechanical Networks)DAMN(Dynamic Analysis of Mechanical Networks),用来分析大位移
27、下多自由度平面机构的动态响应问题。后经 D.A.SmithD.A.Smith 等人不断改进，其功能不断完善，1969 年定名为DRAM（Dynamic Response of Articulated Mechinery），DRAM（Dynamic Response of Articulated Mechinery），即铰链机构的动态响应分析软件，它可进行碰撞、冲击、振动特性的分析模拟。以上三种软件都不是通用软件，而且不能用于交互式作业，在实际应用中很难推广。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。1972 年，美国 Wisconsin Wisconsin 大
28、学的 J.J.UickerJ.J.Uicker 等人研究出了解决闭环机构运动学、动力学通用分析软件 IMP（Integrated Mechanisms IMP（Integrated Mechanisms Program）Program），即集成化机械程序，它能对二维或三维、单运动链或多运动链的闭环机构进行运动学、静力学和动力学分析。1973 年，美国 MichiganMichigan 大学的 N.OrlandeaN.Orlandea 和 M.A.Chace M.A.Chace 等人研制出了 ADAMSADAMS 软件，它能分析二维、三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统的
29、动力学问题。1977 年，美国 IowaIowa 大学的 CAD CAD 中心在 E.F.HaugE.F.Haug 教授的引导下，研制了 DADSDADS 软件，它能够顺利解决包含柔性元件、反馈元件的空间机构运动学、动力学问题。1.5 空气悬架的发展历史和应用现状 1.5 空气悬架的发展历史和应用现状 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
30、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。
31、随空气悬架应用的推广，对空气悬架的研究也得到了重视。JREVANS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，在大频率和幅值情况下，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第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 之间的关系，分析管道和气室对弹簧特性变化的影响。
32、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，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及火车列车等多种车辆的空气悬架。其中最早试制的是北京
33、公共汽车公司第一保养场的道奇 T234 公共汽车，改装后行驶里程超过 6 万公里。同年底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，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
34、频率可降低到 1112Hz，平均车速提高了 17%。悬架质量也比钢板弹簧悬架减轻了 5060 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。1987 年长春汽车研究所与沈阳飞机制造公司汽车厂共同开发了 CA151D18 空气悬架客车底盘，并装在 SFQ6981A 型客车上。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
35、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。淝河汽车制造厂自行开发设计了空气悬架，并安装在 HFF6120D05 型大客车上。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
36、。湖北大学根据振幅的变化范围确定非弹性悬架固有频率域的计算方法，同济大学曾对空气弹簧系统的动特性进行过研究。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GB1161289客车空气悬架用高度控制阀和 GB/T1306191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
37、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 GDFF 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
38、产品主要是客车、挂车和半挂车用空气悬架系统。1.6 本文研究的主要内容和意义 1.6 本文研究的主要内容和意义 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 随着空气悬架在大客车上装车率的日益提高，国内一些汽车厂和研究单位已开始对空气悬架整车匹配进行研究，但在传统的设计与制造过程中，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，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计试验设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈
39、对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高，成本的降低和对市场的占有。这种方法大大增加了产品开发周期和成本。本文旨在建立适于空气悬架大客车平顺性试验仿真的整车动力学模型，希望通过应用该模型使设计师在产品开发阶段就能对产品的性能做出预测，以缩短开发周期，降低开发成本。模型建立的基础理论是多体系统动力学，应用软件是机械系统动力学分析软件 ADAMSADAMS。主要研究内容有：?采用 Pro/EPro/E 软件建立空气悬
40、架大客车前、后悬架和整车三维实体模型；?进行前、后空气弹簧特性试验，通过试验数据拟合出 F-SF-S 曲线，并利用该曲线建立空气弹簧仿真模型；?进行前、后减振器特性试验，得到减振器的 F-VF-V 曲线，利用该曲线建立减振器仿真模型；?建立适于平顺性分析的轮胎仿真模型和二级路面激励仿真模型；?建立空气悬架大客车整车动力学模型；?完成空气悬架大客车满载工况下整车平顺性仿真试验及实车道路试验；?对比仿真结果与试验结果，验证整车动力学仿真模型的正确性；?进一步仿真分析空气悬架大客车空载工况下整车平顺性能；?通过空载工况与满载工况下空气悬架大客车整车平顺性仿真结果的对比，说明空气弹簧对大客车行驶平顺性
41、的影响。本文的主要意义在于：?通过试验获得空气弹簧的特性；?建立 85 个自由度的空气悬架大客车平顺性分析模型，满足平顺性试验仿真需要；?探讨应用多体系统动力学软件 ADAMSADAMS 进行空气悬架大客车整车平顺性试验仿真分析的可行性并通过所建模型分析空气弹簧对大客车平顺性能的影响；?建立空气悬架大客车动力学仿真模型，为下一步进行大客车操纵稳定性仿真研究和大客车抗侧翻特性仿真研究奠定基础。第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法 2.1 ADAMS 软件简介 2.1
42、ADAMS 软件简介 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)是较权威的机械系统仿真设计软件，工程中可利用 ADAMSADAMS 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，并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。ADAMSADAMS 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 X-Y曲线图形，ADAMSADAMS 仿真可用于预测机械系统的性能
43、、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 ADAMSADAMS 同大多数 CAD、FLEX（柔性模块）CAD、FLEX（柔性模块）及控制设计软件包之间的双向通讯【3】。ADAMSADAMS 的核心配置方案是核心仿真软件包，它包括交互式图形用户界面ADAMSViewADAMSView 和仿真核心的求解器 ADAMSSolverADAMSSolver 等。ADAMSViewADAMSView 是 ADAMSADAMS 系列产品的交互式图形环境，采用简单的分级方式或建模工作。仿真结果采用强有力的、形象直观的方式描述虚拟样机的动力学性能，并将分析结果进行形象化输出。CADCA
44、D 几何造型可通过 IGESIGES 接口输入进 ADAMSView,ADAMSViewADAMSView,ADAMSView 的输出选项可以是曲线图、着色的或线框式的动画显示及输出到 ExchangeExchange 接口视频显示器或 WAVE-FRONTWAVE-FRONT 软件接口。ADAMSSolverADAMSSolver 是位于 ADAMSADAMS 产品系列心脏地位的仿真“发动机”。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMSSolverADAMSSolver 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题它可以对刚体和弹性体进行仿
45、真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据，可以通过运动副、随机运动、高副接触、用户自定义的子程序等添加不同的约束，还可同时求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单向外力。ADAMSFlexADAMSFlex 是集成可选模块，是 ADAMSADAMS 与 FlexFlex 软件之间进行双向数据通讯的接口，它可研究柔性体对机械系统性能的影响，该模块利用模态频率生成柔性体的 ADAMSADAMS 模型，由于系统仿真研究考虑了柔性体的影响，因此可以明显提高仿真精度。FlexFlex 是合成柔性体的有效途径。ADAMSFl
46、exADAMSFlex 支持ANSYS、MSCNASTRANANSYS、MSCNASTRAN 和 1-DEAS1-DEAS 的中性文件(Neutral File)(Neutral File)格式。通过柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的 ADAMSADAMS 模型。ADAMS/CarADAMS/Car(轿车模块)赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABSABS 系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同的道路条件下运行 ADAMSCarADAMSCar 模型，执行驾驶操作，使车辆在试验跑道上正常行驶，准确模拟汽车的操纵
47、稳定性、乘座舒适性、安全性及其它各项性能。仿真功能还包括牵引性能控制、ABSABS 等控制系统。这为汽车工程师提供了前所未有的仿真能力，世界五大汽车制造公司 Audi、BMW、Ford、RenaultAudi、BMW、Ford、Renault 和 VolveVolve 形成了一个国际性合作集团，共同开发成功了 ADAMS/CarADAMS/Car软件。ADAMSTireADAMSTire(轮胎模块)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，ADAMSTireADAMSTire 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，
48、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；可与 ADAMSADAMS 结合共同研究车辆的稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾；输出力和加速度数据可供有限元分析软件包进行压力和疲劳研究；计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力。此外，ADAMSADAMS 还包括 LinearLinear(线性分析模块)、ExchangeExchange(图形接口模块)、ControlsControls(控制模块)、MECHANISMProMECHANISMPro(机构分析模块)、VehicleVehicle(车辆模块)、AnimationAnimation(动画模块)、ADAMS/Driv
49、erADAMS/Driver(驾驶员模块)等。2.2 ADAMS 软件的特点 2.2 ADAMS 软件的特点 具体地说,ADAMSADAMS 软件具有如下特点：第二章 机械系统分析软件 ADAMS 简介及其计算方法?ADAMSADAMS 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，积分步长和输出步长无关，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。?具有二维和三维建模能力。?具有五十多种联结副、力和运动发生器组成的库。?具有
50、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。?具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器。?有限元载荷的输出接口，ADAMSADAMS 运动时，刚体和柔体模型的载荷都可直接输出 ANSYS、NASTRANANSYS、NASTRAN 或 ABAQUSABAQUS 兼容的格式。?表面接触功能可自动检测接触是否发生并作出响应。?通过采用全局定位图识别过约束系统，功能更强，精度更高。鉴于 ADAMSADAMS 软件的上述特点，目前在整个商品化的多体软件的销售中，市场占有率最高，其中汽车行业的使用率约为 43【4】。2.3 分析、计算方法 2.