第五章汽车操纵稳定性仿真分析.doc

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1、第五章汽车操纵稳定性仿真分析5.1多体系统动力学基础Ø多体系统动力学产生的背景Ø多体系统动力学简介Ø多刚体系统动力学的研究方法Ø多柔体系统动力学的研究方法一、多体系统动力学产生的背景随着汽车市场的日趋完善，汽车开发速度不断加快，完全依靠样车试制后对汽车进行试验来达到调整汽车性能的做法己经不能满足汽车产品开发速度快和开发质量高的要求，所以有必要在设计中同时采用虚拟样机技术及仿真分析方法对汽车性能进行预测，达到提高设计质量和开发速度的目的。以多体系统动力学理论为基础的大型通用软件为工程技术人员提供了方便的建模手段。传

2、统的产品开发的基本流程如下：首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计，在设计完成后，为了验证设计方案的可行性，通常要制造物理样机进行试验，有时这些试验是难以进行的甚至是破坏性的。当试验过程中发现产品存在一定的缺陷时，需要从头修改设计方案，再次利用物理样机进行必要的验证。只有通过周而复始的设计-试验-设计过程，产品才能达到所要求的性能。显然，这一过程是极其繁琐的，尤其是对于一些结构相对复杂的系统，如果采用这种方法进行产品开发，其设计周期比较长，不能满足灵活多变的市场需求，而且物理样机的单机制造成本比较高，所以，基

3、于物理样机的产品设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低以及对市场的快速响应。为了降低产品的研发费用，提高产品的市场占有率，要求汽车的开发周期尽可能短。物理样机的制造及试验己经成为新产品开发的主要瓶颈，克服这个瓶颈的主要方法是，在一个全新的汽车产品设计完成之后，物理样机制造出来之前，对汽车的操纵性和平顺性等关乎汽车整体品质的重要性能有一个较为全面的了解，并给出汽车是否满足设计要求的相关评价，从而避免在制造出物理样机并对其进行试验之后，发现该车性能不能满足设计要求而重新更改设计所造成的试制费用和设计时间的

4、巨大浪费。而数字化虚拟样机技术是缩短汽车开发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。运用虚拟样机技术可以根据设计要求对汽车产品进行开发，通过功能化虚拟样机技术建立起车辆系统的仿真模型（即功能化虚拟样车），将车辆作为一个完整的控制系统进行分析和研究，这样以来就可以很容易的对部件的结构参数与整车操纵稳定性之间的内在关系加以掌握。此外，在物理样车生产出来之前即可对其操纵稳定性等汽车性能进行预测，以便进行可行性研究和优化设计，在结构设计阶段也可在修改零部件设计参数的基础上重新进行仿真分析，其仿真结果可以直接

5、用于零部件设计参数的分析、优化和改进，最终达到提高产品设计质量的目的。虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。多体系统是指由多个物体通过运动副连接而成的复杂机械系统。对于复杂机械系统人们关心的问题大致可以分为三大类：一是在不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态以及它们之间的变化速度与加速度的关系，这种问题称为系统的运动学分析；二是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副反力，这类问题称为系统的静力学分析；三是讨论载荷与系统运动之间的关系，即动力学问题。一、多体系统动力学产生的背景例

6、：汽车多连杆悬架在该系统中各零部件之间是通过转动副、球绞链、虎克铰、恒速度副等运动副进行连接的。由于这些零部件是彼此相连的，所以在对整个系统进行研究时不能孤立的对其中的某个零部件进行分析，而是应该充分考虑与之相连的其他零部件对其产生的约束作用。多体系统动力学的主要任务如下：Ø（1）建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动地进行程式化的处理；Ø（2）开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动

7、力学响应；Ø（3）实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理结果。二、多体系统动力学简介多体系统动力学中所研究的多体系统，根据系统中物体的力学特性可分为多刚体系统、多柔体系统和刚柔混合多体系统。多刚体系统是指可以忽略系统中物体的弹性变形而将其当作刚体来处理的系统，该类系统常处于低速运动状态。多柔体系统是指系统在运动过程中会出现物体的大范围运动与物体的弹性变形的耦合，从而必须把物体当作柔性体处理的系统，大型、轻质而高速运动的机械系统常属此类。在多柔体系统中，如果有部分物体可以当作刚体来处理，那么

8、该系统就是刚柔混合多体系统。对于同一物理样机，根据研究问题的侧重点不同可以分别建立起多刚体系统模型、多柔体系统模型或刚柔耦合系统模型，然后利用相关软件或其他分析工具分别对其进行研究可以最终得到较为准确的结论。例：发动机曲柄连杆机构V型六缸发动机曲柄连杆机构的多刚体系统模型二、多体系统动力学简介Ø对于平衡性分析而言，由于考虑的是运动构件惯性力的平衡，可采用多刚体系统模型计算