基于ADAMS的汽车操纵稳定性建模与仿真研究

河北工业大学硕士学位论文基于ADAMS的汽车操纵稳定性建模与仿真研究姓名：曹宏伟申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：崔根群20081101河北工业大学硕士学位论文i基于ADAMS的汽车操纵稳定性建模与仿真研究摘要操纵稳定性是汽车的一种运动性能，不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个重要因素，人们称之为“高速车辆的生命线”。一方面，人们对汽车性能的要求增高，汽车的操纵稳定性日益受到重视，成为现代汽车的重要使用性能之一；另一方面，传统的计算方法在分析汽车的各种特性时已经不能满足现代汽车研究的要求。计算机虚拟仿真软件的种类不断增多，为汽车仿真试验提供了可能，本文的主要内容正是基于动力学仿真软件ADAMS的汽车操纵稳定性研究。本文比较详细的介绍了操纵稳定性、车辆动力学仿真技术以及目前该领域的研究现状。并介绍了多体系统动力学概念和论文中所使用的ADAMS软件的主要模块和软件的理论基础。为后面的建模和仿真分析奠定了基础。本文首先利用软件专业模块ADAMS/Car模块分别建立了车身、悬架、转向系统、轮胎等在内的整车多体模型。其次，结合实际车辆试验标准，在不同环境模式下，对车辆操纵稳定性的时域响应和频域响应进行了大量的计算和仿真，并参考相关方法对试验结果进行了评价计分。研究结果表明，该车在悬架、转向、车身等初始参数匹配状态下整车操纵稳定稳定性良好。仿真实验结果数据为评估、改进、优化同型车辆提供了重要的理论参考。关键词：操纵稳定性，仿真试验，整车模型，ADAMS/Car基于ADAMS的汽车操纵稳定性建模及仿真研究iiTHEMODELBUILDINGANDVEHICLEHANDLINGSTABILITYSIMULATIONRESERCHBASEDONADAMSABSTRACTThehandlingstabilityisoneofthevehicle'smovementperformances.Itnotonlyhasaneffectuponthevehicle'shandlingconvenience,butalsoisacrucialfactorforthehighspeedauto'ssafetyandiscalledthelifelineofthevehicleathighspeed.Wiahthedemandforthehighperformance,thevehiclehandlingstabilityisregardedhighlyandbecomesoneofthemainperformancesinthelatestautouse;atthesametime,traditionalcalculationmethodcannotsatisfiedthemodernautoresearchontheanalysisofthevariedperformances.Thevirtualsimulationsoftwareincreasesgreatlyanditispossibletodothevehiclc;simulationtrial.Thepaper'smaincontentisjustabouttheresearchofvehiclehandlingstabilitybasedonADAMS.Thispaperintroducesthepresentstatusofvehiclehandlingstabilityandthedynamicsimulationanalysisofvehicleindetail.ThenthekeymodulesandtheabstractfoundationofADAMSareintroduced,whichwillbeusedinthefollowingchapters.Thesetheoriesarethebaseofthesubsequentmodelbuildingandsimulationanalysis.Atfirstthebody、suspensions、steeringsystem,tiresmoedlsarebuiltinthemoduleofADAMS/Carinthepaper.Andthenmanyvehiclehandlingstabilitysimulatingtestsaremadeaccordingtothenationstandardandsomesimulationcurveisavailabilityforthevehiclehandlingstabilityevaluation.Theresultsshowthatthehandlingstabilityandrideperformanceofthevehiclearegoodwiththeinitialvehicleparameters.Thesimulationsresultsprovideimportantreferenceforevaluating,improving,optimizingthesametypeofvehicle.KEYWORDS：Handlingstability，Simulationtrial，Vehiclemodel，ADAMS/Car河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题的研究背景20世纪80年代以来，汽车作为极其重要的工业产品，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性的要求越来越高。然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更加复杂多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。基于以往的解决方法，需经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验和整车性能试验，不仅花费大量的人力、物力，延长设计周期，而且有些试验因其危险性而难以进行。广大设计人员迫切希望找到一种能在图纸设计阶段全面、准确地预测车辆动力学性能，并可对其性能进行优化分析的办法。为了解决这些难题，世界各国的学者、工程师进行了大量的工作，虚拟样机技术随之产生。目前已在国内外产品开发中得到广泛的应用，它不仅大大缩短了产品开发时间，还节省了制作大型物理模型的高昂费用，避免了试制过程中的大量风险。随着CAD/CAE/CAM在汽车产品设计开发中被广泛采用，人们逐渐意识到提高产品质量、缩短产品开发周期及降低产品开发昀有效的途径——应用数字化功能样机进行系统水平的设计。它可以有效地将三维实体模型和应用有限元分析FEA（FiniteElementAnalysis）软件描述的零部件模态有机地结合起来，准确地预测机械系统在虚拟实验室、虚拟场地上进行的各种模拟试验的性能结果。在这一领域美国MSC公司的ADAMS软件是目前无可争议的领导者，是世界上市场占有率昀高的机械系统仿真MSS（MechanicalSystemSimulation）软件。目前计算机仿真技术日益成熟，在这种背景下ADAMS软件将越来越广泛的应用于汽车性能仿真研究中。随着车速和汽车性能的不断提高，人们越来越重视汽车的安全性能问题。汽车必须具有良好的主动安全性。汽车的操纵稳定性是影响其主动安全性的主要性能之一，而汽车的结构参数直接影响着汽车的操纵稳定性[1]。近年来计算机技术、整车试验方法以及系统动力学的研究和发展，使得汽车操纵稳定性的仿真分析更为全面，更接近实际使用情况。数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径，是汽车企业的一项关键核心技术。随着虚拟产品开发、虚拟设计技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用，从子系统设计到整车系统的匹配都采基于ADAMS的汽车操纵稳定性建模及仿真研究2用数字化虚拟样机技术。对汽车而言，车辆动态性能尤为重要。为了降低产品开发风险，在造出样车之前，进行动力学建模，并利用数字化样机对车辆的操纵稳定性、平顺性等性能进行计算机仿真，并优化其参数就显得十分必要。目前的车辆研制与性能仿真分析流程如图1.1所示，首先建立虚拟样机，对其进行动力学分析计算，得出车辆性能曲线，若性能不理想，则修改参数，重新计算，直至性能达到设计要求后，进行样机试制，再对样机进行实车测试，如果实车测试结果与仿真结果吻合，即可生产制造，否则仍需要修改参数进行循环仿真。图1.1车辆性能仿真流程图Fig.1.1Theflowchartofthesimulationofautomobilefunctions§1-2课题研究的历史及发展现状1-2-1车辆操纵稳定性研究历史及现状有关车辆转向的动力学思想始于二十世纪初期，以人们对汽车转向时轮胎侧向力及产生侧向力的轮胎侧偏角的认识为标志。通常认为是法国工程师乔治·布劳海特在1925年发现了轮胎侧偏现象。1935年，Evans给出了有关轮胎力学特性较为深入的结果[2]，包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。在随后的几年里，汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念，如不足转向、过度转向、临界车速等已为汽车工程师所熟悉。在三十年代后期，比较有效的描述汽车稳态转向的数学模型在实际中得到应用。随后，人们的注意力开始转向汽车的动态特性。大约经过三十年的时间，在汽车瞬态响应的分析方面才取得了显著的成绩。在六十年代前的研究主要是操纵稳定性的开环研究，并取得了许多研究成果，详细讨论了汽车的不足转向与过多转向的特性；分析了保持汽车的行驶方向稳定性条件是临界车速必须大于汽车昀高车速等。其应用的基础是经典控制理论，依据汽车的稳态和瞬态分析，使用不足——过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性来对汽车的操纵性进行评价[3]。七十年代初期，EVS研究计划开始实施，促使人们去研究实用的操纵性设计方法。鉴于当时的驾河北工业大学硕士学位论文3驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度的水平，各国研究人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵性的评价方法。依据大量的试验与理论分析，首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限，对操纵性进行客观评价（ObjectiveEvaluation）[4]。七十年代中后期以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉，进行主观评价（SubjectiveEvaluation）。主观评价方法虽然没有经过理论推导，但是由于考虑了驾驶员因素和道路环境的特点，在一定程度上体现了闭环设计的思想。八十年代以来，人们从理论和试验两个方面着手，重新开始深入的研究驾驶员——汽车——道路闭环系统。在理论方面，充分地考虑到人的学习性和适应性，建立了许多确定性驾驶员方向控制模型，有效地仿真了驾驶员——汽车——道路闭环系统对给定路径的跟随过程[5~10]。在试验方面，考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求，以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用，并受到自然条件限制等缺陷，研制了各种驾驶模拟器[11]。这些模拟器采用先进的实时仿真、数字成像、液压控制等技术，将真实的驾驶员与模型化的汽车相结合，通过室内计算机仿真代替场地试验，缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。在仿真评价方面，昀开始从事这方面研究的是日本学者安部正人，他根据预瞄模型，提出了一个理论上预测操纵性的方法[12]。日本另一学者原田宏在这方面也作了大量的工作[13~14]，建立了以三个单项均方值指标（轨道误差、转向盘角度、驾驶员操纵负担）为基础的综合性能指标，进而对汽车参数进行优化。国内，汽车专家郭孔辉教授在驾驶员模型、驾驶员——汽车——道路闭环系统特性及其闭环综合评价方面做了大量的研究工作[15~20]。他在考虑了影响汽车操纵性的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标（轨道、侧向加速度、转向盘角速度、前后轮侧向力系数、路感），并且应用频域统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与设计方法，便于工程应用。1-2-2车辆动力学仿真技术发展及现状汽