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1、基于ADAMS的水陆两栖车平顺性分析北京理工大学机械与车辆学院目 录第一章 项目综述1.1项目背景1.2项目研究目的及意义第二章 基于ADAMS的多体动力学仿真方法概述2.1虚拟样机技术及ADAMS模块构成2.2ADAMS理论基础2.3ADAMS/CAR文件体系2.4本章小结第三章 水陆两栖车在ADAMS/CAR环境下的模型搭建3.1悬架系统的模板建模 3.1.1麦弗逊式悬架的模型搭建 3.1.2单纵臂悬架的模型搭建3.2 轮胎系统的模板建模3.3 车身系统的模板建模3.4 转向系统的模板建模3.5 制动系统的模板建模3.6 动力系统的模板建模3.7 本章小结第四章 利用ADAMS进行水陆两栖
2、车整车装配及仿真实验4.1 基于模板建立车辆子系统4.2 水陆两栖车的整车装配4.3随机不平路面下的整车平顺性实验仿真 4.3.1加载实验路面文件 4.3.2加载实验控制文件 4.3.3 进行整车平顺性试验仿真4.4本张小结第五章 水陆两栖车仿真实验后处理及结果分析5.1 利用ADAMS对仿真实验结果进行后处理5.2 基于ADAMS的水陆两栖车平顺性仿真结果分析第六章 项目总结第一章 项目综述1.1 项目背景水陆两栖车，又名水陆两栖船，水陆两用船，水陆两用车，水陆两用艇； 它是结合了车与船的双重性能，既可像汽车一样在陆地上行驶穿梭，又可像船一样在水上泛水浮渡的特种车辆。由于其具备卓越的水陆通行
3、性能，可从行进中渡越江河湖海而不受桥或船的限制，因而在交通运输上，具有其特殊的历史意义。多用于军事，救灾救难，探测等专业领域。水陆两用车的发展可追述上百年的历史，有资料记载上的第一辆水陆两栖车由美国人Oliver Evans于 最早记录水陆两栖车的照片1805年发明.为了能在水中行驶,Oliver Evans在车上装了轴和桨轮,用发动机飞轮轴的皮带和皮带轮来驱动桨轮.当这辆两栖车一到水中,车尾的桨轮开始工作。更准确的描述，Oliver Evans的发明应该称为是“一辆使用蒸汽动力的装有轮子的船”从结构和使用上判断这个发明是一只能在水中行走的车。照片记载的真正意义上水陆两栖车应当是这辆第一次世界
4、大战期间为奥地利军队制造的水陆两栖车，但由于种种原因， 左德军装备82型军车，右166水陆两栖车该车并没有大量生产.二战期间，德军装备的大众166型水陆两用车，陆地行驶最高速度接近90公里/小时，水中速度10公里/小时左右。该车装备部队以后受到德军官兵的广泛欢迎，到1944年末，沃尔夫斯堡工厂和保时捷位于斯图加特的工厂总计生产了14238辆。美军水陆两栖车，被称“大澡盆”第二次世界大战中，除了德军之外，美军也装备了大量的两栖车辆，但美军的水陆吉普设计的并不是很成功，没有得到士兵的广泛 好评，该车在设计之初就存在很多缺点，如车身太重;干舷太低;还有若干技术上的缺陷，在以后的使用中虽然不断改进，仍
5、然不能取得满意的效果， 该车一共生 产了12778辆。汽车平顺性，是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，能保证乘员不会因车身振动而引起不舒服和疲劳的感觉，以及保持所运货物完整无损的性能。由于行驶平顺性主要是根据乘员的舒适程度来评价，又称为乘坐舒适性。研究汽车平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定界限，以保持乘员的舒适性。汽车平顺性评价方法：上世纪30年代以来在汽车平顺性评价方法方面进行了许多实验研究工作，但难以得到公认的评价方法和指标。直到1974年，国际标准化组织在综合大量有关人体全身振动的研究成果的基础上，制定了国际标准ISO2631
6、：人体承受全身振动评价指南.新标准规定在评价振动时先计算各自由度上总的加权均方根值,再计算各输入点的振动加速度均方根,然后计算人体承受的总加速度均方根值,最后用总的振动加速度均方根值与人的主观感觉来判断乘员舒适性.新标准基本上克服了原标准的缺点,在试验基础上给出了极为详细的频率加权函数轴加权系数以及明确的舒适性界限,同时还保留了大家熟悉的加速度均方根值作为评价指标,使用起来方便直观,是至今为止最为完善的评价方法.ISO26311：1997(E)标准规定了图1所示人体坐姿受振模型。在进行舒适性评价时，它除了考虑座椅支承面处输入点3个方向的线振动，还考虑该点3个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支承面
7、两个输入点各3个方向的线振动，共3个输入点12个轴向的振动。此标准仍认为人体对不同频率振动的敏感程度不同，在图2上给出了各轴向0.5-80Hz的频率加权函数(渐进线)，又考虑不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，还给出了各轴向振动的轴加权系数k。1.2 项目研究目的及意义本次项目的目的在于，通过在 ADAMS/CAR模块里建立水陆两栖车的模型，利用ADAMS软件对整车模型进行仿真实验，以得到该水陆两栖车在不同路面条件下的加速度时域曲线，以及转化得到的频域范围内的曲线，从而对该水陆两栖车平顺性方面的性能做出合理评价。本次项目研究所得到的结果可以为实车实验等后续的实验研究提供参考和指导，由于
8、采用软件仿真的方式，使仿真过程更加清晰直观，同时极大地降低了实验的成本，也为整个项目的研究节约了大量的人力、物力和财力。第二章 基于ADAMS的多体动力学仿真方法概述多体动力学涉及机械系统动力学及其控制等，这是重要的研究方向。应用牛顿力学、拉格朗日方程等理论知识，针对较为简单、自由度数目较少的系统，通过巧妙的选择广义坐标，利用手工推导可以得到描述该系统的微分方程组；而计算机技术的发展为解决复杂多体动力学系统提供了更有效的手段，ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）就是用于机械产品虚拟样机开发设计时的专业工具，也是一款经典的多
9、体系统动力学仿真软件。它以研究复杂系统的动力学和运动学关系为目标，以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机对产品进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助设计人员发现问题并解决问题。我们称其为虚拟样机技术，就是在产品设计阶段对其进行性能测试，从而办证生产出来的产品最大可能的满足设计目标。它不仅可以节省开发费用，还能最大限度的缩短开发周期，从而提高开发效率，是一种有效的设计手段，已经得到了普遍认同。2.1 虚拟样机技术及ADAMS模块构成虚拟样机技术VPT（Virtual Prototyping Technology）是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是产品开发的CAX如CAD、CAE、CAM
10、等技术和DFA(Design For Assembly，面向装配的设计)、DFM(Design For Manufacture，面向制造的设计)各领域技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模、仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期
11、支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。ADAMS虚拟样机流程包括：（1）建模阶段，建立虚拟样机模型部件、载荷、接触、碰撞、约束、驱动。（2）试验阶段，测试虚拟样机模型定义测试、仿真、动画、曲线，然后验证虚拟样机模型输入实测数据、将仿真数据与之比较。（3）复查阶段，细化虚拟样机模型考虑添加摩擦。函数、部件弹性、控制系统，对设计参数进行迭代计算参数化、设计变量。（4）改进阶段，改进设计DOE、优化，自动化设计过程个性化菜单、宏、个性化对话框。Adams软件包含的模块有：Adams/View(前处理模块)、Adams/Solver(求解器)、Adams/Exchange
12、（CAD接口模块）、Adams/Prostprocessor（后处理模块）、Adams/Solver SMP（单机并行模块）、Adams/Linear（线性化求解模块）、Adams/Insight（优化/实验分析模块）、Adams/Flex（刚弹耦合分析模块）、Adams/Durability（耐久性模块）、Adams/Control（控制模块）、Adams/Viberation（振动分析模块）、Adams/Tire Handling（操纵性轮胎模块）、Adams/Car（汽车模块）、Adams/SmartDriver（高级驾驶员模块）、Adams/Truck（卡车模块）、Adams/Chas
13、sis（专业底盘模块）、Adams/Ride（平顺性分析模块）、Adams/Driveline Package（东力传动系模块），以及专业工具箱：Adams/ATV（履带工具箱）、Adams/Gear（齿轮工具箱）、Adams/Bear（轴承工具箱）、Adams/Leafspring（板簧工具箱）、Adams/Adwimo（风机工具箱）。2.2 Adams理论基础2.2.1 广义坐标选择坐标系是定义运动学和动力学分析量必要的测试对象，机械系统的坐标系广泛采用直角坐标系，常用的笛卡尔坐标系就是一个菜用右手规则的直角坐标系。运动学和动力学的所有矢量均可以用沿三个单位坐标矢量的分量来表示。坐标系可以
14、固定在一个参考标架上，也可以相对于参考框架运动。合理的设置坐标系可以简化机械系统的运动分析。在机械系统的运动分析过程中，经常使用三种坐标系：（1）地面坐标系（Ground Coordinate System）。地面坐标系又称为静坐标系，是固定在地面标架上的坐标系。在Adams中，所有构建的位置、方向和速度都用地面坐标系表示。（2）局部构建参考坐标系（Local Part Reference Frame, LPRF）。这个坐标系固定在构件上并随构件运动。每个构建都有一个局部构建参考坐标系，可以通过确定局部构件参考坐标系在地面坐标系的位置和方向，来确定一个构件的位置和方向。在Adams中，局部构件
15、参考坐标系与地面坐标系重合。（3）标架坐标系（Marker System）。标架坐标系又称为标架，是为了简化建模和分析在构件上设立的辅助坐标系，有两种类型的标架坐标系：固定标架和浮动标架。固定标架固定在构件上，并随构件运动。可以通过固定标架在局部构件参考坐标系中的位置和方向来确定固定标架坐标系的位置和方向。固定标架可以用来定义构件的形状、质心位置、作用力和反作用力的作用点、构件之间的连接位置等。浮动标记相对于构件运动，在机械系统的运动分析过程中，有些力和约束需要使用浮动标架来定位。动力学方程的求解速度极大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性空间中的一般运动时，可以用它的质心标架坐标系确定位置，用质心标架坐标相对于地面坐标系的方向余弦矩阵确定方位。为了解析的描述方位，必须规定一组转动广义坐标表示方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是变量太多，同时还要附加6个约束方程；第二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标，它的算法规范，缺点是在逆问题中存在奇点，在奇点位置附近数值计算容易出现困难；第三种方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角时不存在奇点。Adams软件用刚体Bi的
