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1、第十五章 车辆动力学计算方法与软件,第一节 概述 第二节 面向目标设计的车辆动力学仿真软件 第三节 多体系统动力学分析软件,第四节 程序工具箱,第五节 各类方法的比较,第一节 概述,概述,计算机仿真分析的传统方法是通过数值积分求解描述车辆性能的系统运动微分方程, 可对线性化的车辆模型进行稳定性分析及频率响应分析。 多体动力学理论及相应计算机软件的逐渐发展、日渐成熟,大型的商用虚拟仿真软件为复杂模型的求解提供了可能性,使车辆动力学模型能够建立得更加准确。,图15-1 车辆动力学研究常用软件的基本原理,第一节 概述,计算机仿真分析的分类,按照计算方法的不同,尽管多体理论及仿真软件发展迅速,车辆动力
2、学研究中常用的软件基本上分为以下几类: 1) 面向目标设计的车辆仿真软件。 2) 产生数值型仿真结果的多体软件。 3) 产生代数方程的多体软件。 4) 由用户提供固体模型的软件包。 上述四类基本原理概括在图15-1中,其中2)与3)的核心均是多体程序,其区别主要在于方程组求解时是采用数值方法还是代数方法,因此也可归纳为一类。更详细地描述将在以下几节中分别介绍。,第二节 面向目标设计的车辆动力学仿真软件,仿真软件,早期的车辆动力学分析中,大多采用的是面向目标设计的仿真软件。该类仿真软件是基于特定的车辆模型推导出一组运动方程编写而成,可对多组不同参数值进行反复运算,并可获得时域下的仿真结果。,公路
3、车辆的仿真模型程序HVOSM(Highway Vehicle Object Simulation Model),货车与拖挂车机组进行简单操纵性能分析的BHATTG(Basic Handling Analysis for Truck and Trailers Group),轻型车辆动力学仿真软件包LVDS(Light Vehicle Dynamics Simulation Package） LVDS软件的是基于一个三维的、非线性的操纵模型的PC版本的软件,并结合了多种悬架、转向系统和驱动桥类型,还有动画输出功能。但是由于模型的不可变性,用户还是仅局限于得到仿真结果。,HVOSM软件除用于车辆行驶
4、、操纵动力学建模分析外,还可用于模拟碰撞分析。但却不能根据不同结构的车辆进一步开发、修改或更新模型,因而限制了该软件的使用范围。,第三节 多体系统动力学分析软件,近三十年来,由于计算机硬件和建模软件解算能力得到实质性改变,对车辆这样复杂的系统进行高精度仿真的能力大大提高。因此,利用计算机解决复杂系统的设计、分析和优化问题成为近年来力学和机构设计等领域的一个重要的研究方向,并且取得迅速的发展,因而也使多体系统动力学分析软件应运而生。多体动力学软件的建模原则是尽可能地建立与真实系统本身接近的动力学模型。 在车辆系统动力学分析中,比较流行的多体分析软件主要有：MSC.ADAMS(Automatic
5、Dynamic Analysis of Mechanical System,机械系统动力学分析软件)、DADS(Dynamic Analysis and Design System,动力学分析和设计系统软件) 、SIMPACK(SImulation of Multi-body systems PACKage,多体系统仿真软件包)、AUTOSIM(AUTOmatic SIMulation,包括CarSim和TruckSim)等。,第三节 多体系统动力学分析软件,为建立描述系统的运动方程,这类软件需要用户提供的详细信息包括以下几个方面: 1) 坐标系(相对参考坐标系和绝对参考坐标系); 2) 质量
6、参数(质量、转动惯量); 3) 几何定位参数; 4) 约束类型(球铰、平面铰等); 5) 力元(弹簧、阻尼、作动器等); 6) 外力(轮胎力、空气阻力、驾驶人输入等)。,在多体系统动力学软件中,又根据是否内置有数学求解器而划分为两类。第一类是软件可自行产生数值型方程;第二类则是只产生符号形式的代数型方程。下面分别予以介绍。,一、数值型方程,在数值型多体动力学软件中,其数值型方程直接通过嵌入软件包中的数值积分程序求解,并可获得时域仿真输出。通常,这些输出可与计算机辅助设计软件或实体模型信息连接起来,以产生系统运动的直观动画效果,从而方便设计者观看系统的运动过程。对于数值型多体动力学软件来说,若某
7、一参数发生变化,整个系统的方程组必须重新生成,整个过程完成之后,仿真程序才可再次运行。ADAMS和DADS是这类多体动力学软件中的两个最典型的例子。,第三节 多体系统动力学分析软件,二、代数型方程,第三节 多体系统动力学分析软件,与数值型多体系统动力学软件相比,代数型多体动力学软件产生的是代数形式的运动方程,其求解方式是通过外挂于多体软件之外的数值积分程序进行求解。在车辆动力学应用领域,具有代表性的代数型多体系统动力学软件包括AUTOSIM、SIMPACK等。 由于AUTOSIM/CarSim/TrucSim和SIMPACK可自动产生多体动力学代码,更加有效地利用计算机时间,并与控制软件(如M
8、ATLAB/Simulink)有完整的接口,因此在“硬件在环”(Hard-ware In the Loop,HIL)的实时仿真研究中得到了广泛的应用。,三 软件的比较 目前商业的多体系统动力学分析软件种类较多,各有其特点和分析功能,要想客观全面地对它们进行评价并非是一件容易的事。然而,仍可试图从以下几个方面给予评价,例如从理论基础、应用对象、分析功能以及软件的可靠性、高效性、易操作性、可移植性、完整性、兼容性、帮助文档、技术支持和软件升级等方面。但实际上讲,影响软件特点的本质因素还是软件本身的理论基础体系。 为了进一步说明多体分析软件的特点,分别以一个典型的数值型多体分析软件(ADAMS)和代
9、数型多体分析软件(SIMPACK)为例,分别从理论基础、建模思想、组成模块及分析功能四个方面进行对比分析。,第三节 多体系统动力学分析软件,1.理论基础,ADAMS用刚体i的质心笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标,即qi=(x,y,z,)T, ，用拉格朗日第一类方程(带拉格朗日乘子的运动学方程)建立系统的动力学方程,即:,第三节 多体系统动力学分析软件,式中,ET表示系统的动能;、为拉格朗日乘子;符号 和 分别表示q和 偏导数。Q为广义力阵。其中,完整约束方程为(q,t)=0; 非完整约束方程为(q,t)=0,表15-1 多体分析商业软件的比较,由于采用了非独立的笛卡儿广义坐标,因而
10、系统方程具有大量的微分-代数方程,积分求解时可能会导致病态问题。ADAMS除提供坐标分离算法(提供ABAM积分程序)求解病态方程外,还采用了Stiff微分方程算法(提供BDF、Gear、DASSL三种积分程序),并结合稀疏矩阵算法和雅可比矩阵符号分解算法来处理方程病态问题,从而加强了方程的求解能力,第三节 多体系统动力学分析软件,在SIMPACK软件中,采用显式常微分方程(ODE)来描述一个开环运动学树状结构的多体系统和微分-代数方程(DAE)来描述闭环系统的多体系统,其方程形式分别表示如下:式(15-3)。,第三节 多体系统动力学分析软件,ODE方程:x=f(x,t)(15-2),DAE方程
11、:x=f(x,t,);c(x,t)=0(15-3),当ODE和DAE方程具有非常稀疏的特征频率时(即方程为病态)时,这种情况一般会在系统的力元具有较高的刚度或阻尼时出现,考虑到求解稳定性和计算效率等因素,应适当选用病态方程的积分方法来求解。,根据所分析系统的实际情况,SIMPACK软件可对系统自动进行病态或非病态检查、以及定步长或变步长积分。SIMPACK还拥有多种显式或隐式的时间积分器,包括Runge-Kutta、DOPRI5/4、LSODAR、RADAU5、SODASRT等。,在SIMPACK软件中,采用显式常微分方程(ODE)来描述一个开环运动学树状结构的多体系统和微分-代数方程(DAE
12、)来描述闭环系统的多体系统,其方程形式分别表示如下:式(15-3)。 由于ADAMS和SIMPACK软件所采用的理论基础不同,两种软件对系统自由度的计算的方法也不相同。 对于ADAMS模型,系统自由度数目为: DOFADAMS=6(n-1)-DOFjoint (n为杆件数量) 对于SIMPACK模型,系统自由度数目为: DOFSIMPACK=DOFjoint-constraint 一阶状态方程数目为: EOS=2DOFjoint+constraint 以图15-2所示的一个单摆系统为例,虽然两种软件所建立的模型自由度数均为1,但对SIMPACK软件而言,只需要两个一阶方程(针对一个相对坐标的二
13、阶方程被转化为两个一阶方程)就可以完全描述。而对使用绝对坐标系方法的ADAMS软件,则需要17个一阶方程(6个二阶运动微分方程被转化为12个一阶方程,再加上5个约束的一阶方程)来描述。,第三节 多体系统动力学分析软件,图15-2 单摆模型,2.建模思想 ADAMS软件的理论基础是绝对坐标系，而SIMPACK软件的理论基础是相对坐标系,所建立的模型是树状结构,要求用户对所要分析的系统结构有清晰的理解。,第三节 多体系统动力学分析软件,将物体、铰链、受力状况和约束情况从系统中分化出来;然后建立反映系统结构特征的拓扑关系图;最后依据拓扑结构图在软件中建立分析模型。图15-3a给出了一个典型的实际系统
14、,以此为例,所建立的拓扑结构图如图15-3b所示。,在ADAMS/Car中,还为初学者提供了一个“标准界面”模式,用户可以使用现成的模板来建立各个子系统的模型,然后组装为一个大的系统来进行模型分析,建模过程相对简单;而在其“专家模式”中,用户可根据自身需求定制模板,以提高设计与分析的灵活性。 而SIMPACK软件采用子结构数据库的方式来建立系统模型,所用的子结构完全是参数化的,模型的结构与参数相互独立,一个模型可拥有多套参数文件来对系统的相关尺寸及性能参数等进行定义,并可通过一次仿真分析同时得到多个设计方案的分析结果。,3.组成模块 ADAMS软件除了包含基本模块、求解模块和后处理模块外,在汽
15、车技术领域还有轿车模块、底盘模块、发动机模块、传动系模块、驾驶员模块等。在这些模块中建立的子系统均可进行各自的特性仿真,也可被轿车模块或底盘模块调用,进行多个子系统的总成仿真或整车仿真等,如用户要针对特定目的进行特性分析,可通过编写Macro文件来实现。 SIMPACK软件除了有铁道模块之外,也有专用的汽车模块,并且所有的模块都集成在一个大环境之中,便于各个模块中所建立的模型相互调用,所使用的建模元素、求解器和后处理器均相同。对于汽车模块而言,SIMPACK提供了更多更细节的建模元素和适用于汽车各子系统的完全参数化的子结构模型库。如可以通过一个宏铰链(track)模拟某种车辆行驶轨迹来对其进行
16、定义,从而可方便地进行车辆行驶姿态和路径的控制。,第三节 多体系统动力学分析软件,4.分析功能 对于汽车工程领域,上述两种软件均可提供与目前较为流行的CAD软件(如Pro/E、CATIA、UG、SolidWorks等)、FEA软件(如NASTRAN、ANSYS等)、CACE软件(如MATLAB/Simulink等)及各种工程类软件的接口,因而可实现与其他多个软件共同组成的软件进行环境下的所谓“协同仿真”(Co-simulation)。 在控制和实时仿真方面,ADAMS和SIMPACK都具有内嵌的控制建模与元素,可满足一般控制系统的建模与仿真,并且也提供与控制软件MATLAB/Simulink的双向接口。另外,SIMPACK软件的动力学分析模型可以进行代码输出,直接用于电控单元的开发,可方便地进行硬件在环仿真分析。 两种软件在解决实际汽车工程技术问题方面均有大量的成功案例,尤其是ADAMS软件,以ADAMS和SIMPACK为例,对多体系统动力学软件分别在理论基础、建模思想、组成模块以及功能
