礦用鉸接式自卸車車架動(dòng)態(tài)仿真與研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

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大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書I畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書礦用鉸接式自卸車車架動(dòng)態(tài)仿真與研究摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以 CAD/CAE 為支撐的設(shè)計(jì)技術(shù)逐步得到發(fā)展并在具體型號(hào)的研制中得到應(yīng)用，尤其是以 ADAMS 為代表的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件的出現(xiàn)，使得過去繁雜的動(dòng)力學(xué)分析和求解過程變得簡單起來。本文采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論方法，在 solidworks 中完成模型的初步建立，應(yīng)用 ADAMS_View 建立了某種礦用鉸接式自卸車整車多自由度模型，在不同路譜條件下（搓板路，平路，矩形坑路面，V 型坑路面，三角凸臺(tái)路面，左右顛簸路面，上坡路面，下坡路面）進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，通過對車輛進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)的研究，對車輛的受力進(jìn)行了分析， 探索運(yùn)用 ADAMS 軟件評(píng)價(jià)整車受力的方法。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書II關(guān)鍵詞：多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，ADAMS 軟件，路譜，動(dòng)態(tài)模擬仿真大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書IIIDynamic simulation and Research of articulated Mining dump truck frameAbstractWith the development of computer technology to CAD / CAE technology to support the progressive development of the design and development of specific models has been applied, especially in ADAMS, represented by the emergence of virtual prototyping software, making the complex dynamics of the past and easy up the solution process. In this paper, the theory of multi-body dynamics method to complete the model in solidworks initially established, the application ADAMS_View established some sort of mining multiple degrees of freedom model articulated dump truck vehicle in different road conditions(Washboard road, flat road, rectangular pit road, V-type pit road, Delta Boss road, Bump around road, uphill side, downhill side), the dynamic spectrum of simulation, Through the multi-body vehicle dynamics studies, the force of the vehicle are analyzed to explore the use of the vehicle by the force of ADAMS software evaluation methods.Keywords：Multi-body dynamics, ADAMS, road spectrum, dynamic simulation大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書IV目 錄1 緒 論 .12 車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真理論及軟件 52.1 多體動(dòng)力學(xué)簡介 52.2 多剛體力學(xué)軟件概述 72.3 ADAMS 軟件簡介 82.3.1 ADAMS 基本功能 .82.3.2 ADAMS 模塊 .82.3.3 ADAMS 中的坐標(biāo)系 .102.3.4 ADAMS 的求解 .122.3.5 ADAMS 對模型中的剛體進(jìn)行柔性化 122.3.6 ADAMS 對模型的約束、載荷及驅(qū)動(dòng)施加 133 模型的建立與分析 .153.1 車體模型 .153.2 輪胎的選擇與參數(shù) 183.3 道路模型 214 車架的動(dòng)態(tài)仿真 .244.1 仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì) .244.2 約束載荷驅(qū)動(dòng)的添加 .254.3 各種路譜的 ADAMS 分析 .284.3.1 搓板路 ADAMS 仿真 .284.3.2 平路面 ADAMS 仿真 .334.3.3 矩形坑路面 ADAMS 仿真 .374.3.4 V 型坑路面 ADAMS 仿真 .434.3.5 三角凸臺(tái)路面 ADAMS 仿真 474.3.6 左右顛簸路面 ADAMS 仿真 .524.3.7 上坡路面 ADAMS 仿真 .60大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書V4.3.8 下坡路面 ADAMS 仿真 .645 總結(jié) .69附錄 車輛輪胎的添加 .70參考文獻(xiàn) .78致 謝 .80大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書11 緒 論隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈。產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展。面對無法預(yù)測、持續(xù)發(fā)展的市場需求，為了提高產(chǎn)品競爭力，就要求各類制造企業(yè)以最短的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間(Time)、最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)、最低的生產(chǎn)成本(Cost)和最佳的服務(wù)(Service)來贏得用戶和市場。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)甚至是破壞性的，當(dāng)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，又要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計(jì)一試驗(yàn)一設(shè)計(jì)過程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。樣機(jī)的單機(jī)手工制造增加了成本，嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量提高、成本降低和對市場的占有。無法從根本上解決和從總體上把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間、質(zhì)量、成本等問題。要對快速多變的市場需求做出敏捷響應(yīng)，就必須尋求先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段，通過在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真，再進(jìn)行有限元分析就可以大大降低成本，縮短設(shè)計(jì)周期。近年來，并行工程的概念在工程應(yīng)用中日益受到廣泛重視，按照并行工程概念組織產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而不是優(yōu)化的零部件設(shè)計(jì) 【1】 。80 年代以來，零部件的 CAD 技術(shù)以及有限元分析技術(shù)(FEA)在國內(nèi)已有長足的發(fā)展，隨著產(chǎn)品開發(fā)周期的不斷縮短，單獨(dú)零部件的分析技術(shù)無法滿足開發(fā)的要求，對整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化逐漸放在首位。機(jī)械系統(tǒng)仿真分析(MSS 即 Mechani Cal System Simulation)技術(shù)將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)，如單一系統(tǒng)零部件的 CAD 和 FEA 技術(shù)揉合在一起，以提供一個(gè)更全面的了解產(chǎn)品工作性能的方法，從而真正地實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)要求 【1】 。90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)及計(jì)算方法的不斷提高，MSS 技術(shù)在汽車工業(yè)的應(yīng)用得到廣泛發(fā)展。在研究汽車諸多的行駛性能時(shí)，汽車動(dòng)力學(xué)研究對象的建模、分析與求解始終是一個(gè)關(guān)鍵性問題。汽車本身是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，外界載荷的作用更加復(fù)雜，加上人—車—環(huán)境的相互作用，給汽車動(dòng)力學(xué)研究帶來了很大困難。由于理論方法和計(jì)算大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2手段的限制，該學(xué)科曾一度發(fā)展較為緩慢。主要障礙之一在于無法有效的處理復(fù)雜受力下多自由度分析模型的建立和求解問題 【2】 。許多情況下，不得不把模型簡化，以便使用古典力學(xué)的方法人工求解，從而導(dǎo)致汽車的許多重要的特性無法得到較精確的定量分析。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使我們在處理上述復(fù)雜問題方面產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。有限元分析技術(shù)、模態(tài)分析技術(shù)以及隨后出現(xiàn)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)正是在這種情況下發(fā)展起來的。這些理論方法出現(xiàn)以后很快在汽車技術(shù)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用 【3】 。國外汽車動(dòng)力學(xué)中的研究經(jīng)歷了由試驗(yàn)研究到理論研究，由開環(huán)研究到閉環(huán)研究的發(fā)展過程。力學(xué)模型逐漸由線性模型發(fā)展到非線性多體系統(tǒng)模型；模型的自由度由二個(gè)自由度發(fā)展到數(shù)十個(gè)自由度，文獻(xiàn)[4]概述了這一發(fā)展過程。模擬計(jì)算也由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性的模擬發(fā)展到瞬態(tài)響應(yīng)特性和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)特性的模擬研究。文獻(xiàn)[5]介紹了多體動(dòng)力學(xué)程序在汽車中的模擬應(yīng)用情況，但幾乎都是采用多剛體系統(tǒng)模型，文獻(xiàn)[6]考慮了彈性車架的汽車模型，但也僅僅建立了只含兩個(gè)物體的汽車模型。到了 80 年代初，不僅有許多通用的軟件可以對汽車系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，而且還有各種針對汽車某一類問題的專用多體軟件。研究的范圍從局部結(jié)構(gòu)到整車系統(tǒng)，涉及汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方方面面。80 年代中期是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在汽車工程上應(yīng)用發(fā)展最快的時(shí)期。國外各主要汽車廠家和研究機(jī)構(gòu)在其 CAD 系統(tǒng)中安裝了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，并與有限元、模態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等軟件一起構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。商品化的多體軟件的銷售量呈上升趨勢。目前市場上占有率最高的是美國 MDI 公司開發(fā)的 ADAMS，其中汽車行業(yè)的使用率為 43%，該軟件在為客戶提供通用平臺(tái)同時(shí)，還專門提供了用于車輛分析的專門模塊(ADAMS_Car)，使用起來非常方便。國內(nèi)在汽車動(dòng)力學(xué)的研究中，采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析和計(jì)算的工作起步較晚。七十年代初，長春汽車研究所和清華大學(xué)同時(shí)發(fā)展了汽車動(dòng)力學(xué)的研究 [7][8]。研究工作集中在平順性、操縱穩(wěn)定性性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法、試驗(yàn)方法及操縱穩(wěn)定性力學(xué)模型的建立、模型的計(jì)算方法、性能預(yù)測方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。力學(xué)模型從七十年代研究汽車側(cè)偏和橫擺運(yùn)動(dòng)的二自由度線性模型，發(fā)展到包括側(cè)傾和轉(zhuǎn)向系在內(nèi)的三至五自由度乃至十三個(gè)自由度的非線性模型，其功能也從對汽車穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3和瞬態(tài)響應(yīng)的分析 [8]，發(fā)展到汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)性能的分析 [2]。此外，文獻(xiàn)[16]首次分析了汽車懸置以上結(jié)構(gòu)彈性體的一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對擺振性能的影響。1986 年，吉林工業(yè)大學(xué)的溫吾凡等人利用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，對二維剛體系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并編制了一個(gè)人機(jī)對話型的分析程序。1989 年，吉林工業(yè)大學(xué)的林逸利用 R 一 W 方法，建立了對汽車獨(dú)立懸架中的單橫臂及擺柱式懸架進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)分析的通用計(jì)算程序 [9]。1991 年，第二汽車制造廠的上宮文斌等人，采用自然坐標(biāo)的概念，利用虛功原理建立汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法。北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)的周一鳴教授等研制了廣義機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件 GMCADS，用于分析平面和空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能。1992 年，清華大學(xué)的張海岑采用多剛體力學(xué)中的牛頓—?dú)W拉方法，建立了汽車列車七十四個(gè)自由度的非線性數(shù)學(xué)模型，其中包括多種輪胎模型、懸架系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型及帶有比例閥、防抱死裝置及考慮制動(dòng)熱衰退的制動(dòng)系統(tǒng)模型，深入研究了汽車列車操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性。1994 年，清華大學(xué)的劉紅軍在管迪華教授指導(dǎo)下用虛擬剛體結(jié)構(gòu)法和彈性子結(jié)構(gòu)法把彈性問題納入整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的分析中，對汽車擺振系統(tǒng)進(jìn)行了建模和計(jì)算。吉林工業(yè)大學(xué)的陳欣在博士論文中，著重研究了汽車懸架中的柔性體對懸架性能的影響。1997 年，清華大學(xué)的張今越采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論方法，應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)分析軟件 ADAMS，進(jìn)行了汽車前后懸架系統(tǒng)和整車動(dòng)力學(xué)性能仿真及優(yōu)化研究，分析了汽車中柔性元素(橡膠減振元件)對動(dòng)力學(xué)性能的影響 [3]。90 年代初人們開始把多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和方法用于汽車技術(shù)領(lǐng)域，這標(biāo)志著汽車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)向新的層次發(fā)展，許多有益的工作值得借鑒。在文獻(xiàn)[10]中，把車身處理為柔性體，為了減少自由度采用了集中質(zhì)量法的離散化過程，并考慮了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。在文獻(xiàn)[11]中采用了子結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)，汽車懸架處理為子結(jié)構(gòu)，采用模態(tài)綜合方法用模態(tài)坐標(biāo)描述車身的變形，通過約束條件把整個(gè)系統(tǒng)組裝起來聯(lián)合求解。文獻(xiàn)[12]中討論了離散化過程中各階模態(tài)的選擇對計(jì)算精度的影響。在文獻(xiàn)[12]和[13]中討論了懸架系統(tǒng)中廣泛采用的彈性約束(橡膠鉸鏈)對汽車性能的影響及處理大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4方法。在不少文獻(xiàn)中還研究了汽車碰撞過程中坐椅安全帶的變形對人體運(yùn)動(dòng)的影響。總之，人們試圖用各種有效的方法將柔性體的力學(xué)效應(yīng)并入多體動(dòng)力學(xué)方程中進(jìn)行分析和求解。這些方法即有探索直接建立和求解剛?cè)峄旌系亩囿w動(dòng)力學(xué)方程的方法，也有采用現(xiàn)有的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件來近似對多柔性體系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法。從整個(gè)汽車以 CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)的角度來說，汽車多體系統(tǒng)分析軟件可完成三項(xiàng)任務(wù):(1)對直接設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測。(2)對己有的系統(tǒng)進(jìn)行性能測試評(píng)估。(3)對原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。分析的范圍包括:運(yùn)動(dòng)分析、靜態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、靈敏度分析等。此外，還對前后處理提出較高的要求，如建模功能；曲線(頻域和時(shí)域)、表格、圖形(包括動(dòng)畫)的輸出等等，以便高效率地完成上述三項(xiàng)任務(wù)。多柔性體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一種普遍的方法，但在各行各業(yè)的應(yīng)用中分析對象的結(jié)構(gòu)和性能要求有很大差異，所以在分析內(nèi)容上也有側(cè)重。汽車系統(tǒng)同航天器、機(jī)器人以及其它機(jī)械系統(tǒng)有明顯的不同，在汽車多體動(dòng)力學(xué)的研究中要充分考慮其特殊性，進(jìn)行有針對的分析，才能得到理想的效果。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)及計(jì)算方法的不斷提高，在機(jī)械系統(tǒng)仿真(MSS)領(lǐng)域，國外研制了很多基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論開發(fā)的仿真分析軟件，如IMP、ADAMS、DAMN 等。所謂 MSS 技術(shù)，即把分散的零部件設(shè)計(jì)與分析技術(shù)結(jié)合在一起，以提供一個(gè)全面了解產(chǎn)品性能的方法，并通過仿真分析中的反饋信息指導(dǎo)設(shè)計(jì) 【1】 。其中由美國機(jī)械動(dòng)力公司(Mechanical Dynamics·Inc)開發(fā)的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)最有代表性，它采用模擬樣機(jī)技術(shù)，將強(qiáng)大的大位移、非線性分析求解功能與使用方便的用戶界面相結(jié)合，并提供與其他 CAE 軟件如控制分析軟件 Matrixs、有限元分析軟件 ANSYS 等的集成模塊擴(kuò)展設(shè)計(jì)手段。ADAMS 是當(dāng)前求解機(jī)械系統(tǒng)空間位移運(yùn)動(dòng)力學(xué)的主要軟件，在汽車、航空等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 【17】 。最近兩年，國內(nèi)主要的汽車廠家:匯眾、北汽福田、天津汽車技術(shù)中心等單位已經(jīng)在其開發(fā)新產(chǎn)品、改型等工作中使用 ADAMS。2000 年，北汽福田的許先鋒等工程師利用ADAMS 對某輕卡貨車進(jìn)行了汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析 【22】 ，上海匯眾的周俊龍等利用ADAMS_Car 對某轎車的懸架進(jìn)行了仿真分析 [23]。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書52 車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)/ 動(dòng)力學(xué)仿真理論及軟件2.1 多體動(dòng)力學(xué)簡介多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔性體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)(一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué) 【16】 。多體動(dòng)力學(xué)是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的與運(yùn)動(dòng)和生物力學(xué)、航天器控制、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、車輛設(shè)計(jì)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域密切相關(guān)且起著重要作用的新的分支。六十年代至七十年代初，美國的 R.E.羅伯森、T.R.凱恩，聯(lián)邦德國 J.維登伯格，蘇聯(lián)的 E.H.波波夫等人先后提出了各自的方法來解決復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題，于是，將古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的力學(xué)新分枝—多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)便誕生了。近二十年來，由于各種復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的高性能、高精度的設(shè)計(jì)要求，加之高速度、大容量、多功能現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展及計(jì)算方法的成熟，多體力學(xué)由早期的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展為多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。這門邊緣學(xué)科以當(dāng)代航天事業(yè)的發(fā)展為標(biāo)志，研究的領(lǐng)域包括了宏觀世界機(jī)械運(yùn)動(dòng)的主要問題 【17】 。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中有以下幾種研究方法:(l)牛頓—?dú)W拉方程法：對作為隔離體的單個(gè)剛體列寫牛頓一歐拉方程時(shí)，鉸約束力的出現(xiàn)使未知變量的數(shù)目明顯增多，故即使直接采用牛頓一歐拉方法，也必須加以發(fā)展，制定出便于計(jì)算機(jī)識(shí)別的剛體聯(lián)系情況和鉸約束形式的程式化方法，并致力于自動(dòng)消除鉸約束能力。德國學(xué)者 Schiehlen 在這方面做了大量工作。其特點(diǎn)是在列寫出系統(tǒng)的牛頓—?dú)W拉方程后，將不獨(dú)立的笛卡爾廣義坐標(biāo)變換成獨(dú)立變量，對完整約束系統(tǒng)用 Alembert 原理消除約束反力，對非完整約束系統(tǒng)用 Jourdain 原理消除約束反力，最后得到與系統(tǒng)自由度數(shù)目相同的動(dòng)力學(xué)方程，希林等人編制了符號(hào)推導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序 NEWEUL。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6（2）拉格朗日方程法：由于多剛體系統(tǒng)的復(fù)雜性，在建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，采用系統(tǒng)獨(dú)立的拉格朗日坐標(biāo)將十分困難，而采用不獨(dú)立的笛卡爾廣義坐標(biāo)比較方便，對于具有多余坐標(biāo)的完整或非完整約束系統(tǒng)，用帶乘子的拉氏方程處理是十分規(guī)范化的方法。導(dǎo)出的以笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的動(dòng)力學(xué)方程是與廣義坐標(biāo)數(shù)目相同的帶乘子的微分方程，還需要補(bǔ)充廣義坐標(biāo)的代數(shù)約束方程才能封閉。Chance 等人應(yīng)用吉爾(Gear)的剛性積分算法并采用稀疏矩陣技術(shù)提高計(jì)算效率，編制了 ADAMS 程序；Haug等人研究了廣義坐標(biāo)分類、奇異值分解等算法，編制了 DADS 程序。（3）圖論(R—W)方法:R.E.Roberson 和 J.wittenburg 創(chuàng)造性的將圖論引人多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，利用其中的一些基本概念和數(shù)學(xué)工具成功地描述了系統(tǒng)內(nèi)各剛體之間的聯(lián)系狀況，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。RW 方法以十分優(yōu)美的風(fēng)格處理了樹結(jié)構(gòu)的多剛體系統(tǒng)。對于非樹系統(tǒng)，則必須利用鉸切割或剛體分割方法轉(zhuǎn)變成樹系統(tǒng)處理。RW 方法以相鄰剛體之間的相對位移作廣義坐標(biāo)，對復(fù)雜的樹結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)關(guān)系給出了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模式，并據(jù)此推導(dǎo)了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，相應(yīng)的程序有 MESAVERDE。（4）凱恩方法:R 一 W 方法提出了解決多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一公式；而凱恩方法提供了分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的統(tǒng)一方法，并沒有給出一個(gè)適合于任意多剛體系統(tǒng)的普遍形式的動(dòng)力學(xué)方程，廣義速度的選擇也需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧，這是它的缺點(diǎn)，但這種方法不用動(dòng)力學(xué)函數(shù)，無需求導(dǎo)計(jì)算，只需進(jìn)行矢量點(diǎn)積、叉積等計(jì)算，節(jié)省時(shí)間。（5）變分方法:在經(jīng)典力學(xué)中，變分原理只是對力學(xué)規(guī)律的概括，而在計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，變分方法已成為可以不必建立動(dòng)力學(xué)方程而借助于數(shù)值計(jì)算直接尋求運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效方法。變分方法主要用于工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)，有利于結(jié)合控制系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行綜合分析，對于變步態(tài)系統(tǒng)，可以避免其它方法每次需重建微分方程的缺點(diǎn)。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論有很多優(yōu)點(diǎn):1.適用對象廣泛。由于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)由計(jì)算機(jī)按程式化方法自動(dòng)建模和分析，并且只要輸入少量信息就可對多種結(jié)構(gòu)及多種連接方式的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，因此其通用性非常強(qiáng)，同一程式可對各類復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書72.可計(jì)算大位移運(yùn)動(dòng)。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的公式推導(dǎo)是建立在有限位移基礎(chǔ)上的，因此既可做力學(xué)系統(tǒng)微幅振動(dòng)的分析，又可做系統(tǒng)大位移運(yùn)動(dòng)分析，這更符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，并且給研究非線性問題帶來了很大方便，能夠使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。3.模型精度高。研究汽車動(dòng)力學(xué)的困難之一就是建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)方程，模型越復(fù)雜，困難越大，有時(shí)甚至是無法實(shí)現(xiàn)的。而多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，不必考慮推導(dǎo)公式的難易程度，所以不但適用于較簡單的平面模型，而且更適用于復(fù)雜的三維空間模型。對懸架動(dòng)力學(xué)而言，可將垂直方向、前后水平方向及橫向的動(dòng)力學(xué)分析統(tǒng)一在同一個(gè)模型中，把懸架對汽車平順性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性的影響綜合起來研究。柔性體系統(tǒng)不同于多剛體系統(tǒng)，它包含有柔性部分，其變形不可忽略，其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)是不確定的；它與結(jié)構(gòu)力學(xué)不同，部件在自身變形運(yùn)動(dòng)同時(shí)，空間中經(jīng)歷著較大的剛性移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，剛性運(yùn)動(dòng)和變形運(yùn)動(dòng)相互影響、強(qiáng)烈耦合；與一般系統(tǒng)不同，它是一個(gè)時(shí)變、高度禍合、高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。歸納起來，柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立主要有三類方法:(1)牛頓—?dú)W拉法；(2)虛位移法；(3)上述二種方法的各種變形方法。如較有影響的 Kane 方法等。2.2 多剛體力學(xué)軟件概述1960 年，美國通用汽車公司研制了一個(gè)動(dòng)力學(xué)分析軟件一一 DYANA(Dynamic ANAlyzer)，該軟件主要是解決多自由度、無約束的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題。1964 年，IBM 公司為汽車工業(yè)研制了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件 KAM(Kinematic Analysis Method)，該軟件采用了 M.A.Chance 矢量代數(shù)方法，對單運(yùn)動(dòng)鏈單自由度機(jī)械進(jìn)行位置、速度、加速度分析。隨著多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的誕生和發(fā)展，1972 年，美國的 Wistonsim 大學(xué)的J.J.Uicker 等人研究出了 ADAMS(Automatic Analysis Dynamic of Mechanical System)機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，它能分析軟件，它能分析二維、三維、開環(huán)或閉環(huán)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)問題，側(cè)重于解決復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。1977 年，美國 lowa 大學(xué)的 CAD 中心在 E.J.Hauy 教授的引導(dǎo)下，研制了 DADS(Dynamic Analysis and Design System 動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng))……目前，世界上已經(jīng)約有十七種基于不同方法的多體運(yùn)動(dòng)分析軟件問世。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書8總體來說，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法是一種高效率、高精度的分析方法。然而在解決實(shí)際問題時(shí)，如果處理不當(dāng)，不僅使工作量增加，而且也得不到滿意的結(jié)果，應(yīng)用中要根據(jù)具體情況和所研究的問題性質(zhì)選擇最有效的分析方法，這一點(diǎn)對于較復(fù)雜的汽車系統(tǒng)來說尤為重要，應(yīng)用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論解決實(shí)際問題時(shí)，一般要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟:(1)實(shí)際系統(tǒng)的多體模型簡化；(2)自動(dòng)生成動(dòng)力學(xué)方程；(3)準(zhǔn)確地求解動(dòng)力學(xué)方程，最終得到準(zhǔn)確的結(jié)果。2.3 ADAMS 軟件簡介2.3.1 ADAMS 基本功能ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)是較權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件，工程中利用 ADAMS 交互式圖形環(huán)境和零件約束、力庫等，進(jìn)行仿真分析和比較，研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的多種設(shè)計(jì)方案。ADAMS 自動(dòng)輸出位移、速度、加速度和作用力，其仿真結(jié)果可顯示為逼真的動(dòng)畫或 X 一 Y 曲線圖形，ADAMS 仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷，支持 ADAMS 同大多數(shù) CAD、FEA 及控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊。ADAMS 軟件的功能如下:l)可有效地分析三維機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與力。例如可以利用 ADAMS 來模擬作用在輪胎上的垂直、轉(zhuǎn)向、牽引、制動(dòng)、力與力矩；可以分析前懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在跳動(dòng)、轉(zhuǎn)向時(shí)各前輪定位角的變化、有沒有運(yùn)動(dòng)干涉；還可以應(yīng)用 ADAMS 進(jìn)行整個(gè)車輛或懸架系統(tǒng)道路操縱性的研究。2)利用 ADAMS 可模擬有較大位移動(dòng)作的系統(tǒng)。ADAMS 很容易處理這種模型的非線性方程。3)可分析運(yùn)動(dòng)學(xué)靜定(對于非完整約束或速度約束一般情況的零自由度)系統(tǒng)。對于一個(gè)或多個(gè)自由度機(jī)構(gòu)，ADAMS 可完成某一時(shí)間上的靜力學(xué)分析或某一時(shí)間間隔內(nèi)的靜力學(xué)分析 【18】 。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書92.3.2 ADAMS 模塊ADAMS 軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，功能已日益完善，現(xiàn)由基本模塊、擴(kuò)展模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊、接口模塊和工具箱 5 類模塊組成。用戶不僅可以通過用戶界面模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且，針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題還可以采用專用模塊進(jìn)行快速有效的建模與仿真 【20】 。另外，ADAMS 軟件所包含的模塊如下所示:1.基本模塊中文模塊名 英文模塊名用戶界面模塊 ADAMS/Viewer求解器模塊 ADAMS/Solver后處理模塊 ADAMS/Postprocessor2.擴(kuò)展模塊中文模塊名 英文模塊名振動(dòng)分析模塊 ADAMS/Vibration液壓系統(tǒng)模塊 ADAMS/Hydraulics試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊 ADAMS/Insight耐久性分析模塊 ADAMS/Durability線性化分析模塊 ADAMS/Linear高速動(dòng)畫模塊 ADAMS/Animation數(shù)字化裝配回放模塊 ADAMS/DMU Replay3.專業(yè)領(lǐng)域模塊中文模塊名 英文模塊名轎車模塊 ADAMS/Car概念化懸架模塊 CSM懸架設(shè)計(jì)軟件包 Suspension Design動(dòng)力傳動(dòng)系模塊 ADAMS/Driveline駕駛員模塊 ADAMS/Drive大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書10輪胎模塊 ADAMS/Tire柔性輪胎模塊 F Tire Module柔性體生成器模塊 ADAMS/FBG發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模塊 ADAMS/Engine經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模型 EDM底盤模塊 ADAMS/Chassis鐵路車輛模塊 ADAMS/Rail附件驅(qū)動(dòng)模塊 Accessory Drive Module配氣機(jī)構(gòu)模塊 ADAMS/Engine Valve train正時(shí)鏈模塊 ADAMS/Engine Chain4.接口模塊中文模塊名 英文模塊名控制模塊 ADAMS/Controls柔性分析模塊 ADAMS/Flex圖形接口模塊 ADAMS/ExchangePro/E 接口模塊 Mechanical/PreCATIA 專業(yè)接口模塊 CATIA/ADAMS5.工具箱中文模塊名 英文模塊名虛擬試驗(yàn)工具箱 Virtual Test Lab虛擬試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis齒輪傳動(dòng)工具箱 ADAMS/Gear Tool軟件開發(fā)工具包 ADAMS/SDK飛機(jī)起落架工具箱 ADAMS/landing Gear鋼板彈簧工具箱 Leaf spring Toolkit履帶/輪胎式車輛工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書112.3.3 ADAMS 中的坐標(biāo)系A(chǔ)DAMS 了兩種直角坐標(biāo)系:總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，它們之間通過關(guān)聯(lián)矩陣相互轉(zhuǎn)換?？傮w坐標(biāo)系是固定坐標(biāo)系，它不隨任何機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。它是用來確定構(gòu)件的位移、速度、加速度等的參考系。局部坐標(biāo)系因定在構(gòu)件上，隨構(gòu)件一起運(yùn)動(dòng)。構(gòu)件在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，共運(yùn)動(dòng)的線物理量(如線位移、線速度、線加速度等)和角物理量(如角速度、角位移、角加速度)都可由局部坐標(biāo)系相對于總體坐標(biāo)系移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相應(yīng)物理量確定。而約束方程表達(dá)式均由相連接的兩構(gòu)件的局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)描述。機(jī)構(gòu)的自由度(DOF)是機(jī)構(gòu)所具有的可能的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目。在 ADAMS 軟件中，機(jī)構(gòu)的自由度決定了該機(jī)構(gòu)的分析類型:運(yùn)動(dòng)學(xué)分析或動(dòng)力學(xué)分析。當(dāng) DOF=O 時(shí)，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，即僅考慮系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的外力。在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，當(dāng)某些構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定后，其余構(gòu)件的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，不是根據(jù)牛頓定律來確定的，而是完全由機(jī)構(gòu)內(nèi)構(gòu)件間的約束關(guān)系來確定，是通過位移的非線性代數(shù)方程與速度、加速度的線性代數(shù)方程迭代運(yùn)算解出；當(dāng) DOFO時(shí)，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，即分析其運(yùn)動(dòng)是由于保守力和非保守力的作用而引起·的寧并要求構(gòu)件運(yùn)動(dòng)不僅滿足約束要求，而且要滿足給定的規(guī)律。它又包括靜力學(xué)分析、準(zhǔn)靜力學(xué)分析和瞬態(tài)靜力學(xué)分析。動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程就是機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的拉格朗乘子微分方程和約束方程組成的方程組:當(dāng) DOF0在計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)自由度時(shí)應(yīng)注意以下一些特殊問題:大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書12(l)復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)接，構(gòu)成了所謂復(fù)合鉸鏈，當(dāng)有 m 個(gè)構(gòu)件(包括固定構(gòu)件)以復(fù)合鉸鏈相連接時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)副的數(shù)目應(yīng)為(m 一 l)個(gè)。(2)局部自由度與機(jī)械系統(tǒng)中需要分析的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)無關(guān)的自由度稱為局部自由度，在計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)自由度時(shí)，局部自由度可以除去不計(jì)。(3)起重復(fù)限制作用的約束稱為虛約束，因此，虛約束又稱為多余約束，虛約束的存在雖然對機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)沒有影響，但引入虛約束后不僅可以改善機(jī)構(gòu)的受力情況，還可以增加系統(tǒng)的剛性，因此在機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中得到較多的使用。但計(jì)算機(jī)在求解運(yùn)動(dòng)方程組時(shí)，不應(yīng)有虛約束的存在，因此，計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)地查找虛約束，如果機(jī)械模型中有虛約束存在，計(jì)算機(jī)會(huì)隨機(jī)地將多余的虛約束刪除，這種處理方法使得計(jì)算結(jié)果同實(shí)際情況有所不同，而且可能出現(xiàn)多組解。2.3.4 ADAMS 的求解ADAMS 的整個(gè)計(jì)算過程(指從數(shù)據(jù)的輸入到結(jié)果的輸出，不包括前、后處理功能模塊)可以分成幾個(gè)部分:數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)的檢查、機(jī)構(gòu)的裝配及虛約束的消除、運(yùn)動(dòng)方程的自動(dòng)形成、積分迭代運(yùn)算過程、運(yùn)算過程中的錯(cuò)誤檢查和信息輸出、結(jié)果的輸出。模型的組成及定義如下:(l)構(gòu)件(part):它是機(jī)構(gòu)內(nèi)可以相互運(yùn)動(dòng)的剛體或剛體固定件。當(dāng)定義構(gòu)件時(shí)，需要給出構(gòu)件局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)及方向，構(gòu)件質(zhì)心的位置，質(zhì)量某參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積等。在機(jī)構(gòu)中，還要定義一個(gè)固定件(ground)作為參考系。(2)標(biāo)識(shí)點(diǎn)(marker):它是構(gòu)件內(nèi)具有方向失量點(diǎn)。用標(biāo)識(shí)點(diǎn)可以表明兩構(gòu)件約束的連接點(diǎn)是相對運(yùn)動(dòng)方向、作用力的作用及方向等，在定義標(biāo)識(shí)點(diǎn)時(shí)，除了定義它所在的構(gòu)件外，還要定義該標(biāo)識(shí)點(diǎn)的方向。（3）約束(constraint):它是機(jī)構(gòu)內(nèi)兩構(gòu)件間的連接關(guān)系。（4）運(yùn)動(dòng)激勵(lì)(或驅(qū)動(dòng)):它是機(jī)構(gòu)內(nèi)一個(gè)構(gòu)件相對于另一構(gòu)件按約束允許的運(yùn)動(dòng)方式，以給定的規(guī)律一進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)不受機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響。(5)力:它包括機(jī)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的作用力和外界對機(jī)構(gòu)所加的作用力。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書13(6)屬性文件:屬性文件是指減振器的速度與力的關(guān)系、輪胎的屬性或者是各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)等的文件。2.3.5 ADAMS 對模型中的剛體進(jìn)行柔性化最直接的方法可在 ADAMS 環(huán)境中創(chuàng)建柔性梁，還可以采用間接的方法，把剛性模型導(dǎo)入到有限元分析軟件(如 ANSYS)中進(jìn)行細(xì)化，然后再將細(xì)化后的模型導(dǎo)進(jìn) ADAMS 中，而這里為了方便建模采取第三種方法，就是直接運(yùn)用 ADAMS/view 提供的功能模型把模型中需要軟化的剛性進(jìn)行柔性化，只需輸入細(xì)化后的小個(gè)體大小值、模態(tài)階數(shù)等。注意的是，細(xì)化程度越大(也就細(xì)化成的小個(gè)體數(shù)量越小越多)，給計(jì)算機(jī)帶來的工作量將逐倍增大。2.3.6 ADAMS 對模型的約束、載荷及驅(qū)動(dòng)施加本課題所涉及到的 ADAMS 功能操作只是 ADAMS 軟件中的一小部份。(1)施加約束.ADAMS/View 中約束定義了構(gòu)件(剛體、柔性體和點(diǎn)質(zhì)量)間的連接方式和相對運(yùn)動(dòng)方式，為用戶提供了一個(gè)非常豐富的約束庫，主要包括:理想約束，有轉(zhuǎn)動(dòng)副·移動(dòng)副和圓柱副等，虛約束，用來限制構(gòu)件某個(gè)運(yùn)動(dòng)方向；運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生器，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件以某種方式運(yùn)動(dòng)；接觸限制，定義兩構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生接觸時(shí)的相互約束關(guān)系。.旋轉(zhuǎn)副與移動(dòng)副的創(chuàng)建都有三種方式，這里只介紹一種:兩個(gè)構(gòu)件一個(gè)位置(2Bod一 1Loc)，即選擇需連接的兩個(gè)構(gòu)件和一個(gè)連接位置，此時(shí)約束固定在第一個(gè)構(gòu)件上，第一個(gè)構(gòu)件相對于第二個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。(2)施加載荷載荷并不完全阻止或描述運(yùn)動(dòng)，因此并不會(huì)使系統(tǒng)自由度增加或減少，一些載荷阻止運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，一些載荷促進(jìn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，ADAMs/View 為用戶提供了四種類型的載荷:作用力；柔性連接，阻礙運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，用戶只需提供產(chǎn)生通用性連接力的常系數(shù)，因此柔性連接比作用力更簡單易用；特殊力，如輪胎力和重力；接觸，接觸定義了運(yùn)動(dòng)模型中相互接觸構(gòu)件間的相互作用關(guān)系。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書14拉壓彈簧阻尼器在具有一定距離的兩構(gòu)件間，施加一對帶有阻力的彈簧力，力的大小線性地取決于彈簧阻尼器兩端點(diǎn)間的相對位移和相對速度，施加彈簧阻尼器要求用戶在兩構(gòu)件上指定彈簧阻尼器兩端點(diǎn)的位置，作用力作用在先選擇的位置上，ADAMS/Solver 自動(dòng)在后選擇的位置施加和一個(gè)作用力大小相等方向相反的反作用力。接觸力是一種作用在構(gòu)件上的特殊力，當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件相互接觸發(fā)生變形時(shí)，產(chǎn)生接觸力，接觸力的大小與變形的大小和變形速度有關(guān)，如果兩個(gè)構(gòu)件相互分開不接觸，則接觸力為零。(3)施加驅(qū)動(dòng)只有施加驅(qū)動(dòng)才能讓整個(gè)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，也就是給模型創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)(Joint Motion)定義了移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副或圓柱副中移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)去除相應(yīng)的自由度，本課題中的運(yùn)動(dòng)只需運(yùn)用運(yùn)動(dòng)副中的轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副消除了兩個(gè)構(gòu)件間的 3 個(gè)移動(dòng)自由度和 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，約束構(gòu)件 1 按右手定則繞構(gòu)件 2 的 Z 軸旋轉(zhuǎn)，要求構(gòu)件 1 的 Z 軸必須始終同構(gòu)件 2 的 Z 軸保持平行，當(dāng)夾角為零時(shí)，構(gòu)件 1 的 X 軸同構(gòu)件 2 的 X 軸平行。這里要注意的是:如果定義的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致非零的初始加速度，ADAMS/Solver 在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的最初 2—3 步積分分析中，可能會(huì)產(chǎn)生不可靠的加速度，ADAMS/Solver 在輸出時(shí)，會(huì)自動(dòng)糾正這些錯(cuò)誤。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要在設(shè)置欄輸入速度值，也可以用函數(shù)表達(dá)式或自編子程序定義運(yùn)動(dòng)值，這時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)將更加復(fù)雜。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書153 模型的建立與分析3.1 車體模型為了對礦用鉸接式自卸車進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，首先要在 solidworks 中建立一個(gè)簡單模型的裝配圖（圖 2.1） ，主要包括主機(jī)架（圖 2.2） 、后機(jī)架（圖 2.3） 、車軸（圖2.4） 、輪轂（圖 2.5） 、鋼板彈簧（圖 2.6）與輪胎，基本上包含了礦用鉸接式自卸車的主要部件，可以較精確的完成車架的模擬仿真，并作出相應(yīng)的分析。圖 2.1 裝配圖圖 2.2 主機(jī)架大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書16圖 2.3 后機(jī)架圖 2.4 車軸大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書17圖 2.5 輪轂圖 2.6 鋼板彈簧大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書18礦用鉸接式自卸車的主體是由主機(jī)架和后機(jī)架組成的，然后由車軸進(jìn)行支撐與傳動(dòng)，在車架與車軸中間有起到減震作用的鋼板彈簧，再加上輪胎就可以組成簡化的模型，其中輪胎是在 ADAMS 軟件中添加的，下面重點(diǎn)介紹下輪胎的添加與道路模型。3.2 輪胎的選擇與參數(shù)ADAMS 軟件提供了四種用于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的輪胎模型。即默認(rèn)的 Fiala 模型、UA(University of Arizona)模型、Smithers 模型、DELET 模型，此外還可由用戶自定義模型。其中 Fiala 模型是 Fiala 在 1954 年由簡化的輪胎理論模型推導(dǎo)出的無量綱解析式，該模型計(jì)算縱向力、側(cè)向力、垂直力、回正力矩、滾動(dòng)阻力矩隨側(cè)偏角、滑移率及垂直方向變形的變化規(guī)律，外傾推力沒有計(jì)入模型。該模型比較簡單，對于不包括聯(lián)合滑動(dòng)(縱向滑動(dòng)、側(cè)向滑動(dòng))的情況下，側(cè)向力的計(jì)算精度尚可，回正力矩誤差較大；UA 模型是 1988 年由 Arizona 大學(xué)的 Nikravesh 和 Gim 等人研制開發(fā)的，其特點(diǎn)是各方向的力和力矩由耦合的側(cè)偏角、滑移率、外傾角及垂直方向變形等參數(shù)顯式表達(dá)，該模型考慮了縱向和側(cè)向聯(lián)合滑動(dòng)的情況，因而準(zhǔn)確、全面，比 Fiala 模型提供較準(zhǔn)確的回正力矩值，但回正力矩計(jì)算仍存在一定誤差，以上兩種輪胎模型屬于解析模型；Smithers 模型使用來自 Smithers Seientific Services 的數(shù)據(jù)計(jì)算側(cè)向力和回正力矩，使用 Fiala 模型計(jì)算其余的力和力矩。該模型計(jì)算精度較高，但只有在獲取了他們提供的輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下才能使用；DELET 模型又稱 Magic Formula 模型，是世界上著名的輪胎模型，其函數(shù)表達(dá)式和數(shù)據(jù)格式與其他的輪胎模型不同，該模型所有的函數(shù)、公式只用正弦、余弦這兩個(gè)三角函數(shù)來表達(dá)。ADAMS 軟件中的 DELET 模型中的數(shù)據(jù)文件由十一塊組成，每一塊都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)單元，分別模擬輪胎的不同工況。用戶自定義模型需要編寫子程序，各方向力、力矩的計(jì)算根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算得到，其模型精度取決于試驗(yàn)精度和建模的合理性。以上兩種輪胎模型屬于試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?0】 【21】 。建立 ADAMS 輪胎模型時(shí)，需提供相應(yīng)的輪胎特性文件。其中包含的輪胎特性參數(shù)有:車輪自由半徑、輪胎徑向剛度、縱向滑移剛度、側(cè)偏剛度、外傾剛度、徑向相對阻尼系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)，任一時(shí)刻，輪胎相對于路面的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輪胎變形和側(cè)偏角等運(yùn)動(dòng)信息。對于不同的輪胎模型，ADAMS_Tire 根據(jù)運(yùn)動(dòng)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書19信息和輪胎特性參數(shù)，采用相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算各時(shí)刻輪胎接地點(diǎn)處的六個(gè)作用力。這個(gè)過程，如此循環(huán)，直到達(dá)到要求的仿真時(shí)間。根據(jù)上面的分析，本文進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)仿真分析采用了 UA 模型，UA 輪胎模型屬性文件如下：$----------------------------------------------------------------MDI_HEADER[MDI_HEADER]FILE_TYPE = ‘tir’FILE_VERSION = 2.0FILE_FORMAT = ‘ASCII’(COMMENTS){comment_string}‘Tire - XXXXXX’‘Pressure - XXXXXX’‘Test Date – XXXXXX’‘Test tire’‘New File Format v2.1’$---------------------------------------------------------------------units[UNITS]LENGTH = ‘meter’FORCE = ‘newton’ANGLE = ‘rad’MASS = ‘kg’TIME = ‘sec’$---------------------------------------------------------------------model[MODEL]! use mode 1 2 3 ! ------------------------------------------! relaxation lengths X 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書20! smoothing X !PROPERTY_FILE_FORMAT = ‘UATIRE’USE_MODE = 2$-----------------------------------------------------------------dimension[DIMENSION]UNLOADED_RADIUS = 0.5WIDTH = 0.19ASPECT_RATIO = 0.55$-----------------------------------------------------------------parameter[PARAMETER]VERTICAL_STIFFNESS = 50000000VERTICAL_DAMPING = 50ROLLING_RESISTANCE = 0.003CSLIP = 80000CALPHA = 60000CGAMMA = 3000UMIN = 0.8UMAX = 1.1REL_LEN_LON = 0.6REL_LEN_LAT = 0.5$---------------------------------------------------------------------shape[SHAPE]{radial width}1.0 0.01.0 0.21.0 0.4大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書211.0 0.61.0 0.80.9 1.03.3 道路模型在 MSC.ADAMS 中，道路時(shí)域、道路模型是通過屬性文件表達(dá)的，屬性文件的創(chuàng)建時(shí)使用獨(dú)立插件 Road Builder 路面建模器完成的，老版本的 ADAMS 路面建模器需要單獨(dú)的許可證，可以生成后綴名為.rdf 的 TeimOrbit 格式路面文件。自 2005 版后，路面建模器已經(jīng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插件集成到 ADAMS 中，但只支持 XML 格式的 3D 路面文件。目前的狀態(tài)是 TeimOrbit 和 XML 兩種格式并存，其中 TeimOrbit 格式的路面文件既有 2D 也有 3D 的。但是，無論是哪種格式其路面參數(shù)的關(guān)鍵詞以及定義方式是不變的。了解 TeimOrbit 格式的關(guān)鍵詞對于使用 XML 格式文件有很大的幫助。所謂 2D 路面是指路面參數(shù)只用 XZ 平面的點(diǎn)定義而形成的一條二維曲線，3D 路面是三維平滑路面的統(tǒng)稱。2D 和 3D 都可以定義路面的基本形狀和各種缺陷（如凹坑、波紋等） ，在共享數(shù)據(jù)庫中的路面文件是以這些基本特征命名的。例如在操縱性仿真中常用的二維平整路面文件如下所示：$----------------------------------------------------------------MDI_HEADER[MDI_HEADER]FILE_TYPE = ‘rdf’FILE_VERSION = 5.00FILE_FORMAT = ‘ASCII’(COMMENTS){comment_string}‘flat 2d contact road for testing purposes’$---------------------------------------------------------------------UNITS[UNITS]LENGTH = ‘mm’FORCE = ‘newton’大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書22ANGLE = ‘radians’MASS = ‘kg’TIME = ‘sec’$---------------------------------------------------------------------MODEL[MODEL]METHOD = ‘2D’FUNCTION_NAME = ‘ARC901’ROAD_TYPE = ‘flat’$------------------------------------------------------------------GRAPHICS[GRAPHICS]LENGTH = 160000.0WIDTH = 80000.0NUM_LENGTH_GRIDS = 16NUM_WIDTH_GRIDS = 8LENGTH_SHIFT = 10000.0WIDTH_SHIFT = 0.0$----------------------------------------------------------------PARAMETERS[PARAMETERS]MU = 1.0路面文件的結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)數(shù)據(jù)塊，其中[MDI_HEADER]數(shù)據(jù)塊、[UNITS]數(shù)據(jù)塊的定義與其他屬性文件一樣，[MODEL]數(shù)據(jù)塊定義路面的類型，[GRAPHICS]數(shù)據(jù)塊定義路面幾何圖形，[PARAMETERS]數(shù)據(jù)塊定義路面的如摩擦系數(shù)、幾何形態(tài)等參數(shù)。道路的類型在 TeimOrbit 格式的道路屬性文件中通過[MODEL]數(shù)據(jù)塊中的METHOD、ROAD_TYPE 語句定義，[MODEL]數(shù)據(jù)塊定義的常用道路類型如下表 3.1 所示。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書23表 3.1 數(shù)據(jù)塊定義 [FUNCTION_NAME]函數(shù)名稱變量指路面與輪胎接觸函數(shù) ID 號(hào)。METHOD FUNCTION_NAME ROAD_TYPEDRUM 輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)FLAT 平整路面PLANK 矩形凸塊路POLY_LINE 折線路面POT_HOLE 凹坑路面RAMP 斜坡路面ROOF 三角形凸塊路面SINE 正弦波路面SINE_SWEEP 正弦變波紋路面‘2D’二維路面 ‘ARC901’STOCHASTIC_UNEVEN 隨機(jī)不平路面‘3D’ ‘ARC904’/none 3D 等效容積道路‘3D_SPLINE’ ‘ARC903’/none 3D 樣條路面‘5.2.1’ ‘ARC913’ FLAT 或 INPUT 521 輪胎模型專用路‘USER’ ‘ARC501’ 自定義大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書244 車架的動(dòng)態(tài)仿真4.1 仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)本仿真軟件系統(tǒng)基本操作流程如圖 4.1 所示。圖 4.1 流程圖START配置系統(tǒng)參數(shù)創(chuàng)建關(guān)節(jié)\約束ADAMS 基本建模工具三維實(shí)體建模軟件 創(chuàng)建模型定義材料屬性施加力和力矩設(shè)置環(huán)境參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)開始仿真End大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書25其中需要注意的問題是軟件環(huán)境的設(shè)置，ADAMS 中的默認(rèn)單位制是 mm Kg s rad，必須注意單位，否則將出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤，用戶可以修改單位至任何想要的單位制，各個(gè)國際單位可以任意組合。ADAMS 中任何新建對象的材料屬性一律默認(rèn)為鋼(Steel)，在創(chuàng)建完對象后，用戶可以修改其材料屬性；用戶也可以修改其材料屬性；用戶也可以自己定義一種新材料。4.2 約束載荷驅(qū)動(dòng)的添加把模型導(dǎo)入 ADAMS 中，把所有部件材料都設(shè)置為鋼，然后添加運(yùn)動(dòng)副，經(jīng)過分析，模型共有固定副 10 個(gè)，旋轉(zhuǎn)副 5 個(gè)，滑移副 4 個(gè)（需特別注意工作柵格的方向） ，然后添加輪胎（選取 UA 模型） ，添加路面文件，添加完驅(qū)動(dòng)后就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。模型如圖（4.2）圖 4.2 整體模型