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摘要：

目前我國汽車銷量位居全球第一，汽車產業已然成為國民經濟的支柱產業，并且仍在高速發展。日益激烈的市場競爭要求企業在能夠在最短的時間內以較低的開發費用設計出性能優良的汽車產品，這對國內汽車企業的設計方法和設計手段提出了新的要求。傳統設計方法采用“經驗設計－試制－反復試驗和修改－定型”的設計流程早已不適應當前市場，而多剛體動力學仿真技術的應用則可以滿足各車企對高效和低成本的要求。其大致過程是在樣車（物理樣機）設計出來之前，即可對其性能進行預測，以進行可行性研究和優化設計。本文針對汽車設計中多剛體動力學仿真技術的應用進行探討，共分為五部分。第一部分簡單介紹多剛體動力學仿真技術在汽車設計中的應用情況；第二部分介紹了利用ADAMS軟件進行動力學仿真的過程；第三、第四部分圍繞汽車多剛體動力學模型的建立、模型驗證進行深入討論；第五部分對多剛體動力學仿真在汽車領域的進一步完善進提出了合理化建議。

關鍵詞：

多剛體動力學；虛擬設計；仿真試驗

1多剛體動力學仿真技術的介紹

多剛體動力學并不等同于多體系動力學，二者是包含與被包含的關系，多體系動力學包括剛體與柔體兩部分。多剛體系統通常由多個剛性物體組合在一起。多剛體動力學的發展源于經典力學與計算機的結合，在發展過程中再融合汽車設計等學科，使其在汽車設計中發揮重要作用。動力學系統仿真的重點是虛擬樣機技術，虛擬樣機設計是根據各種設定參數及附加條件構一種計算機模型來模擬真實樣機測試幾何、動力或功能方面的特征，然后再根據測試結果將虛擬樣機進行改善。傳統產品的開發流程從概念設計到產品定型需要經過詳細設計、制造物理樣機、物理樣機測試等多個過程。物理樣機測試發現問題后又要修改設計，重新制造樣機，再重新進行測試，如此多次循環之后才能將產品定型。而虛擬樣機技術中的樣機測試避免了制造物理樣機的過程，從測試到發現問題，修改設計等完全可以在計算機上進行，從而簡化了開發過程，大幅縮短了周期減少了開發成本。多剛體動力學仿真即是針對多剛體動力學系統通過構建虛擬樣機模型來測試設計產品，并根據測試結果進行優化完善。其在汽車設計領域的廣泛應用，極大地促進了汽車工業的發展。多體動力學仿真軟件ADAMS曾經為“美國福特汽車公司”節省了10億美元的開發制造成本。這很好地解釋了多剛體動力學仿真為何在汽車領域被廣泛應用。

2利用ADAMS軟件實現多剛體動力學仿真過程

多剛體動力學仿真需要使用一些專業軟件，在汽車領域最著名的仿真軟件是由美國MSC公司開發的ADAMS軟件，本文以該款軟件為例，介紹多剛體動力學仿真的實施過程。利用ADAMS軟件來進行多剛體動力學仿真一般要依次經過一下步驟：建模、測試、驗證、完善模型、反復仿真、優化、自動化。“建模”即在建好的幾何模型上根據需要加以約束條件，完成虛擬樣機模型。“測試”是對建好的模型上進行運動學仿真，得到力與速度方面的信息。“驗證”是通過對比分析數據來確定模型是否需要改進。“完善模型”是指在模型中定義某些參數，使模型更接近真實情況。“反復仿真”使模型參數化，定義相關變量。“優化設計”對設計產品設置人為控制參數，進行優化分析，尋求最佳設計方案。“自動化”可以設置一些重復性工作的自動進行，提高工作效率。

3對整車虛擬樣機模型建立的探討

建立整車虛擬樣機模型時，研究對象是汽車整體而不是某一部分零件或系統，建模時要考慮車身、懸掛系統、轉向系統、輪胎與制動系統等子系統模型的有機結合。這里只探討多剛體理論的應用，除了連接襯套等部分，將其余部分可以抽象為理想剛體，忽略各構件的形變且不考慮輪胎等柔體系統。對整車建模主要反映的是汽車操縱的平穩性與平順性兩個方面的問題。汽車操縱穩定性是指在駕駛員的正常操作下,當汽車受到外界條件變化干擾時,汽車保持穩定性的能力。汽車平順性是指汽車所運載的人或物，在坑洼等不良路面上減少因振動而受到損壞的能力。汽車整體動力學模型是在ADAMS/CAR中建立起來的，在實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的精度與數量。從理論上講，所考慮的影響模型計算精度的因素越多，模型越接近于真實情況。雖然接近程度增加了，但同時模型復雜度和仿真計算的初始參數也增加很多。而有些初始參數不易獲得或者缺少準確數據，這樣又會造成仿真計算結果精度的降低。所以建模過程中應該在滿足研究要求的情況下將模型進行合理簡化。

4對模型驗證的探討

整車虛擬樣車模型建立之后，將所得數據與實車進行對照，通過對比分析仿真模型計算結果與實車數值，來證實仿真模型。且在仿真過程中，以實車試驗數據作為仿真輸入，來增強仿真結果與實車的可比性，從而有效驗證模型的精確度等相關問題。模型驗證有角脈沖輸入試驗驗證、蛇形試驗驗證、轉向角輕便性試驗驗證、轉彎制動試驗。轉向角脈沖輸入試驗驗證的是汽車瞬態響應特性，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，給轉向盤轉角輸入一個三角脈沖后迅速恢復原狀并保持不動，記錄車身的橫擺角速度等晃動狀態。蛇形試驗是用來驗證汽車行駛穩定性和乘坐舒適性。轉向輕便性試驗與轉彎制動試驗驗證的都是轉向系統的工作情況。將模型驗證的結果與實車實驗數據相比，虛擬樣機的試驗結果與實車相似程度足以滿足研發要求。從模型試驗的過程和結果可以發現，在模型試驗時使用與樣機類似車型的已有試驗數據作為仿真輸入，可以大大增強仿真結果與實車試驗的可比性，而據此所構建的多剛體模型能夠更有效地反映所設計汽車的動力學特性。

5多剛體動力學仿真技術在汽車設計領域中的進一步完善

從上世紀70年代至今，多體仿真技術一直在發展完善，汽車的動力模型由簡單變復雜，自由度由少到多，仿真技術從計算機模擬到數字仿真，使多剛體動力學仿真能夠更進一步地服務于汽車行業。目前，在汽車動力學研究中對柔體系統仿真較少，隨著計算機技術的發展，多剛體動力學仿真將逐步大量融入柔體系統的動力學研究。剛體動力學的仿真再加上對關鍵部件柔性特征以及結構柔性對車輛動態性能影響的考慮，將大大增加模型的通用性與真實性。對于模型參數，車輛模型的參數化程度將進一步提高，使之能夠成為該類汽車的一個通用“整車動力學仿真平臺”，有助于快速高效地分析不同參數的同類型車輛的重要動力學性能。對汽車整車性能分析（如操縱穩定性、平順性分析）時，將進一步考慮結構變形剛度影響，而不是簡單地進行結構剛性簡化，此外還要進行整車非線性系統分析，以達到動態參數設計的目標，進一步提高模型的精度。進行動力學仿真時還將逐步考慮人員對車輛控制的影響，建立和完善車輛的動力學建模及仿真輸入的駕駛員模型，建立“人－車－環境”閉環控制系統。

6結語

隨著計算機性能的提高以及各種軟件技術和數學算法的進步，虛擬設計技術（VirtualDesign）也得到了快速發展并逐漸成熟，已被用于各種不同行業。其中，虛擬設計技術中的多體動力學仿真技術已經被廣泛應用到工程機械、國防工業、汽車工業等領域。尤其是在汽車制造業，多體動力學仿真技術的應用，使汽車的設計開發與傳統設計流程相比，設計經費與周期等都得到大幅下降。本文根據實際的多剛體動力學仿真經驗，提出的一些關于ADAMS軟件仿真過程中“整車虛擬樣機模型建立”、“模型驗證”相關問題的探討，以及針對汽車設計工作中多剛體動力學仿真技術的進一步完善所提出的合理化建議，將促進該技術更好的服務于汽車領域。

作者：李璐伶 單位：揚州盛達特種車有限公司

參考文獻

[1]李鵬飛,馬力,李立,滿開美.基于多剛體動力學理論的摩托車平順性仿真研究[J].摩托車技術.2005(12)

[2]許濤.汽車懸架多剛體動力學分析及九點控制[J].汽車工程師.2011(04)