硕士学位论文 （同等学力人员）
基于ADAMS/CAR的 半挂式罐箱车性能仿真研究
隋海瑞
哈尔滨工业大学 2009年6月
国内图书分类号：U462.3 学校代码：10213 国际图书分类号：629 密级：公开
硕士学位论文 （同等学力人员）
基于ADAMS/CAR的 半挂式罐箱车性能仿真研究
硕士研究生：隋海瑞 导师：崔胜民 教授 申请学位：工学硕士 学科、专业：车辆工程
所在单位：汽车工程学院 答辩日期：2009年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: U462.3 University Code: 10213 U.D.C: 629 Security: Open
Dissertation for the Master’s Degree in Engineering
(Equivalent Educational Level)
SIMULATION RESEARCH ON THE
SEMI-TRAILER PERFORMANCE
BASED ON ADAMS/CAR
Candidate： Supervisor：
Academic Degree Applied for： Speciality： Affiliation：
Date of Defence：
Degree-Conferring-Institution：
Sui Hairui
Prof. Cui Shengmin Master of Engineering Vehicle Engineering
School of Automobile Engineering June, 2009
Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘 要
随着工业生产对能源和危化品的需求不断增大，罐箱车运输业的安全性受到广泛关注。对运输车辆本身运动状态的研究，是提高运输安全性的前提工作。本文以国内具有代表性的半挂式罐箱车车型为研究对象，建立整车虚拟样机模型并进行仿真试验以验证模型正确性。然后针对半挂式罐箱车的各种工况进行仿真，分析整车的运动状态，获取了相应的动态参数。
本文使用虚拟样机软件ADAMS进行仿真分析，介绍了ADAMS的工作原理和建模过程。根据原型车的技术参数在CAR模块下建立了前后悬架、转向系统、轮胎、路面、挂车、驾驶室和驾驶员等模型，最后通过通讯器将各模型装配成半挂式罐箱车整车动力学模型，并且通过悬架仿真部分验证了模型的正确性。
结合国家试验标准对所创建的整车模型进行操纵稳定性仿真分析，以验证整车模型的合理性和准确性，包括转向盘角阶跃、转向盘角脉冲和双移线、倾覆试验等；稳定性试验表明，整车虚拟样机模型能够对指定的输入做出快速而正确的响应，其相关动态参数的误差较小，模型具有较高的合理性和准确性，可以用其分析汽车在其他工况下的运动状态。
汽车平顺性的评价是一个极为复杂的过程，主要分主观评价和客观评价。主观评价是人对汽车平顺性最直接的评价方法。主观评价方法主要是根据有一定经验的试车人员对汽车振动的直观感受进行统计分析并对车辆进行评价。客观评价方法由于排除了人的个人差异，以具有量值的概念对汽车平顺性进行评价，从而可以比较精确合理地评价、分析汽车的平顺性。对于脉冲输入下的平顺性，本文采用GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》的规定，具体是采用座垫表面传递给乘员的最大加速度响应作为评价指标。仿真分析表明整车动力学模型可较好地用于平顺性评价。
关键词：半挂车；ADAMS/CAR；虚拟样机技术；操纵稳定性；平顺性
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Abstract
With the rapid growth of industrial requirements for energy sources and chemical productions, the safety of the oil trucks transportation attracts more attentions. The thesis chooses the representative semi-trailer as research prototyping, then builds a virtual model and carries out virtual road tests to verify the model. Finally, different oil truck operation states are simulated to analyze the full vehicle movement states and get dynamic parameters.
The virtual prototyping software ADAMS is used and the working principles and modeling progress of it are introduced in this paper. According to the technical parameters of the prototype vehicle in the CAR, the models of front and rear suspension, steering system, tires, road, trailers, cab and drivers are established and assembled into the full vehicle model of semi-trailer, and partly verified the correctness of the model through suspension simulation.
Combined with national standard, the thesis analyzes the handling stability of the full vehicle model and verifies the accuracy and rationality of the vehicle model, including step steering, impulse steering, double move line test and overthrown experiment. Stability test shows that the vehicle of virtual prototyping model can make rapid and correct response with designated input, and the errors of related dynamic parameters are small. The model can be used to analyze the motion state on other conditions.
The evaluation of vehicle ride comfort includes the subjective evaluation and the objective one. Subjective evaluation is depended on the direct feelings of the test person to analyze and evaluate the vehicle. Objective evaluation is based on the specific value which can evaluate the vehicle ride comfort precisely and rationally without individual differences. For the ride comfort of pulses input, this paper adopts GB5902-86 the vehicle ride comfort of pulses input driving test method, the concrete method is to adopt the largest acceleration which transmit on passengers through seat surface as evaluation index. The simulation analysis shows that the vehicle dynamics model can be well applied to the evaluation of ride comfort.
Keywords: semi-trailer, ADAMS/CAR, virtual prototyping, handling stability, ride
comfort
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目 录
摘要·······················································································································I Abstract···············································································································II
第1章 绪论·········································································································1
1.1 课题来源及目的意义············································································1 1.2 相关技术的国内外研究现状·································································2 1.2.1 虚拟样机技术及国内外研究现状···················································2 1.2.2 汽车系统动力学及国内外研究现状···············································4 1.3 主要研究内容························································································7 第2章 ADAMS虚拟样车基础理论····································································8
2.1 ADAMS架构···························································································8 2.1.1 ADAMS坐标系统············································································8 2.1.2 ADAMS的动力学理论基础·····························································9 2.2 虚拟样车构建理论··············································································11 2.3 虚拟样车仿真理论··············································································12 2.4 本章小结·····························································································14 第3章 半挂式罐箱车动力学模型构建及悬架仿真试验··································15
3.1 虚拟样车参数······················································································15 3.2 整车动力学仿真模型··········································································16 3.2.1 动力传动系统构建·······································································17 3.2.2 车身模型构建···············································································17 3.2.3 悬架拓扑结构构建·······································································18 3.2.4 转向系构建···················································································19 3.2.5 驱动桥模型构建···········································································21 3.2.6 轮胎仿真模型构建·······································································21 3.2.7 整车仿真模型综合·······································································23 3.3 悬架仿真试验······················································································23 3.3.1 前轮外倾角随轮跳的变化规律·····················································24 3.3.2 主销后倾角随轮跳的变化规律·····················································24 3.3.3 车轮前束角随轮跳的变化规律·····················································25 3.3.4 轮距随轮跳的变化规律································································26
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3.3.5 轮胎转角随轮跳的变化规律························································26 3.4 本章小结·····························································································27 第4章 半挂式罐箱车操纵稳定性仿真·····························································28
4.1 转向盘角脉冲输入··············································································28 4.2 倾翻工况·····························································································29 4.3 转向盘角阶跃输入··············································································31 4.4 环岛路口通过工况··············································································33 4.5 双移线工况··························································································35 4.6 本章小结·····························································································37 第5章 半挂式罐箱车平顺性仿真····································································38
5.1 平顺性评价指标的确定·······································································38 5.1.1 车辆平顺性的评价方法································································38 5.1.2 本文评价指标的确定····································································39 5.2 平顺性随机输入仿真··········································································40 5.3 平顺性脉冲输入仿真··········································································41 5.4 本章小结·····························································································43 结论····················································································································44 参考文献············································································································45 攻读学位期间发表的学术论文··········································································48 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明·······················································49 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书·······················································49 致谢····················································································································50 个人简历············································································································50
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第1章 绪论
1.1 课题来源及目的意义
课题来源于国家863重大专项《面向安全监测与跟踪的网络化微系统》子课题《危化品运输工况仿真与模拟技术》。该专项通过研制系列MEMS(微机电系统)传感器监测危化品运输装置的动态参数，并将这些参数实时传至网络监控中心，建立起所有危化品运输装置工作状态的监测网络。子课题负责传感器的性能检测平台，而检测平台的运动规律应能真实再现危化品运输装置的动态特性，所以需要研究不同结构形式的罐箱车在不同工况下的动态响应，提取其动态特性以指导传感器检测平台动作。本论文负责其中半挂式罐箱车的动态参数仿真研究。
我国是世界上能源和化工原料等危化品生产和使用的最大的国家之一，而且随着工业的快速发展以及对危化品需要的不断增加，危化品运输也越来越显出其重要性，半挂式罐箱车是能源类和化工类产品运输中应用最普遍的运输工具。人们对半挂式罐箱车的要求越来越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性和平顺性，半挂车是车轴置于车辆重心（当车辆均匀受载时）后面，并且装有可将水平或垂直力传递到牵引车的联结装置的挂车。半挂汽车列车以其装载量大、运输成本低以及具有甩挂运输、区段运输、滚装运输等优点，这也就是半挂车占据专用车总量最大比重的原因。半挂车的种类很多，包括厢式半挂车、罐式半挂车、平板半挂车、集装箱半挂车、车辆运输半挂车等等。
随着车辆设计制造水平的提高以及公路状况的改善，特别是高速公路建设的飞速发展，重型半挂车以越来越高的速度行驶。这无疑大大提高了运输效率，但同时也加大了交通事故发生的概率。重型半挂车失控造成的生命和财产损失往往要比其它轻型载货车辆大得多，且由于重型半挂车的总质量、总长度都相当大的原因，使以试验方法全面研究车辆的稳定性具有相当的难度和危险[1-3]，因而半挂车的研究重点在于获得良好的动力性和经济性的同时保持良好的操纵稳定性和平顺性。
对于这些要求，只有对汽车系统动力学进行深入的研究才能实现。然而要得到精确的数学模型，必须考虑尽可能多的零件的运动，以得到详细的动力学方程。但复杂的模型又给求解带来巨大的困难，并且往往得不到正确的结果。由于理论方法和计算手段的限制，该学科一度发展的较为缓慢，主要障碍在于
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无法有效处理复杂力条件下多自由度分析模型的建立和求解问题。
随着计算机技术的长足进步，基于多体系统动力学的成熟，出现了虚拟样机技术，这使得汽车动力学的建模与仿真产生了巨大飞跃，特别是ADAMS软件的开发应用使虚拟样机技术脱颖而出[4,5]。通过在计算机上建立汽车产品的三维实体虚拟样机，对虚拟样机的性能在虚拟的试验环境中进行试验分析，通过各种虚拟设备直接感受汽车的各种性能，对试验和分析中发现的设计缺陷，及时进行虚拟样机的参数修改和优化。
本课题要求模拟半挂式罐箱车在各种路况激励下的动态特性表现，即需要建立包括转向系，传动系，制动系，车身，行驶系统的一系列模型来组装成虚拟样车。所建虚拟样车模型应能准确反映实车动态性能如转弯工况下的侧倾角，横摆角速度变化。基于ADAMS/CAR进行仿真分析具有试验时间短、试验成本低、参数修改方便、安全性高、试验结果直观且结果数据共享方便等特点，课题通过编制合理仿真控制文件，建立虚拟汽车试验场，进行虚拟样机仿真试验，根据仿真结果评价半挂运输车的在不同载荷不同路况下的动态表现，对其操纵稳定性和平顺性进行分析，为设计提供依据，节约研发成本，缩短研发周期。
1.2 相关技术的国内外研究现状
1.2.1 虚拟样机技术及国内外研究现状
虚拟样机VP (Virtual Prototype)技术是在CAD/ CAM/CAE技术及多体系统MBS(Multi-body System)动力学基础上发展起来的系统级的产品建模、仿真与分析技术，近些年综合了取得突破性进展的多领域物理系统MPS (Multi-domain Physical System)建模与仿真技术，形成了功能化虚拟样机FVP (Functional Virtual Prototyping)技术。这项技术自产生后就迅猛发展，并得到多方面的应用。在车辆产品设计与性能分析方面，更是得到了广泛应用，引起了人们的极大关注[6,7]。
虚拟样机技术是指在物理样机建造之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工况的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。它是基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，而这些数字模型就是虚拟样机，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。
虚拟样机技术的应用可以带来以下优点：
(1) 在实际制造前，设计工程师可以通过虚拟样机方便地修改设计，进而减少物理样机数量，节约成本；
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(2) 对于项目管理者，在评估和管理风险方面是一个极有价值的工具； (3) 在设计生产的各阶段，能主动地影响产品的支持保障，减少产品周期； (4) 通过在设计的每一个阶段进行虚拟样机测试，使测试者对未来产品进行评价，减少工装费用；
(5) 借助虚拟样机，并行工程应用在设计过程中，加快了产品的上市时间； (6) 通过使用虚拟样机，将使传统的系统、子系统、制造过程的理解得到扩展和深入，并且使为技术要求、制造性能、可实现性和可维护性而进行的设计变得可能和容易，从而提高企业市场竞争能力；
(7) 虚拟样机是分析对于物理样机来说极其危险的工况的最佳手段，如汽车的碰撞试验，越野车的抗翻倾试验，飞机乘员的安全性试验等。
此外，虚拟样机技术还可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以及工作状态再现等的全过程。总之，机械系统虚拟样机技术作为进行机械系统样机设计、仿真分析研究复杂机械系统动力学问题的有效手段，可以帮助产品制造商摆脱对物理样机的过度依赖，对于提高产品质量、缩短设计开发周期、降低成本都可以起到显著的作用[8-10]。
随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，在机械系统仿真(MSS)领域，国外研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软件，如ADAMS和DADS等[11]。ADAMS是当前求解机械系统空间位移运动学的主要软件，在汽车、航空、机器人等领域有广泛应用。ADAMS该软件专门提供了用于车辆分析的专门模块ADAMS/CAR，大大提高了研究的效率[12]。
机械系统虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究，首先发展起来的是多刚体系统动力学。目前，多刚体系统动力学发展已经比较成熟，国内外都有专著出版。现在发展出的比较成熟的方法有：牛顿—欧拉方法、拉格朗日方法、罗伯逊—维登伯格方法、凯恩方法、高斯最小约束原理方法[13]。多刚体系统动力学将系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件连接点处的弹性、阻尼等的影响。多柔体系统动力学的研究开展得略晚一点。
正是在多刚体系统动力学和多柔体系统动力学理论形成的基础上，各种软件也应运而生。 最早的机械系统虚拟样机软件的开发可以追溯到1961年，当时通用汽车公司为了进行车辆系统动力学分析，开发了一个用于分析计算简单的质量－弹簧－阻尼系统的动力学分析软件DYANA。基于拉格朗日方法，Chace等人应用GEAR刚性积分算法，采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编制了ADAMS软件；Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了DADS软件[14]。R.E.Roberson和J.W.Wittenburg等人将图论引入多体系统动力学的同时编制了MESA VERDE软件[15]。Schiehlen等人采用牛顿—欧拉方法，
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编制了NEWEUL软件[16]。1978年C.S.Bodley等人公布了他们的DISCOS软件。这是第一个关于多柔体系统的通用软件的源程序。1987年，德国研究委员会确立了一项为期五年的多体系统动力学的研究项目，使用标准FORTRAN77语言和RSYST数据库设计开发了一套面向对象的多体系统模型[17]。Kane等人开发了基于符号推导的多刚体系统动力学分析软件AUTOLEV；Huston等人则开发了软件DYNOCOMBS。除了前述的软件系统外，还有J.J.Uicker等人开发的IMP，E.Pankiewics等人开发的NUBEMM，M.Vukobratovic和N.Kircanskki等人开发的SYM等等[18-20]。上述软件中比较有影响的产品是美国MDI公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS等。
从产品开发的发展趋势来看，未来的机械产品开发必将是基于虚拟样机技术的开发。
国内对机械系统虚拟样机技术的研究起步比较晚，大约起步于20世纪80年代初，首先是在航天器以及机器人领域内进行的。无论在基础上，在软件工具上，还是应用上，与国际先进水平都有很大的差距。自80年代后期，国内先后召开了一些学术讨论会，推动了这一学科的发展。
1.2.2 汽车系统动力学及国内外研究现状
在1900~1930期间，人们对汽车控制的重视导致了对悬架和转向几何的静力学研究。这些研究提高了设计理论。最引人注意的是1925年建立起的驱动动力学普遍原理。但由于缺乏对轮胎产生的横向力的理解，此项理论一直没有得到全面的应用。
对车辆控制的重视导致对悬架和转向机构的运动学研究。1925年平顺性理论初步形成规模，同年Broulheit在文章中首次提出侧偏和侧偏角的概念。1931年，Becker、Fromm和Maruhn在发表的文章中分析了轮胎在转向系振动中起的作用，进一步研究了轮胎特性。对轮胎的研究使进一步分析车辆稳定性成为可能[21]。
19世纪30年代在Olley的带领下，通用公司Cadillac悬架研究小组首次开发了应用于美国轿车的独立前悬架。并提出不足转向和过多转向的概念。1934年Olley首次提到了车速是一个关键的因素。根据他们的研究成果，Goodyear运用轮胎和橡胶公司转鼓实验来研究了轮胎特性。1935年，R.D.Evans发表了关于轮胎横向特性的文章，并给出了转向力和回正力矩[22]。
19世纪50年代中期所作的研究工作为建立汽车数学模型打下基础。对轮胎的基本了解使建立相对精确的轮胎数学模型成为可能。1956年，Cornell Aeronautical实验室的William F.Milliken、DavidW.Whitcomb和Leonard Segel
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发表了一系列关于车辆操纵稳定性的理论和定量分析的文章。这些文章成为60年代汽车操纵稳定性发展的基石，这其中许多理论到现在仍被引用[23]。
1965年，Walter Bergman建立了6自由度模型来分析车辆不足转向和过多转向的实质。此时对稳态的研究已相当成熟，但对瞬态其意义却不十分明确。Bergman讨论了在瞬时状态下包括转向盘输入，空气阻力和惯性力等许多情况下不足转向和过多转向的行为。并指出可由侧向加速度引起的横摆角速度来理解过多转向和不足转向。1967年，通用公司的R.Thomas Bundorf在文章中讨论了汽车参数设计和不足转向以及特征车速的关系。并提出如何预测和实际测量车辆的不足转向特性。他指出特征车速是线性模型的产物；在正常行驶条件下（横向加速度小于1/3g），车辆可由线性模型模拟，并且需要建立大直径侧滑试验场来测量特征车速。Bundorf还推导出了在给定设计参数下预测特征车速的表达式[24]。
20世纪70年代车辆动力学仿真模型变得更加复杂和真实。这主要归功于计算机技术的发展。先期的仿真工作都在模拟计算机上进行，它能解决实时动力学问题，但其致命缺点是不能解决非线性问题。由于轮胎的非线性特性很强，仿真的正确性受到计算机设备的限制。数字计算机的出现使得设计人员可建立包含非线性因素在内的仿真模型[25]。
1981年，W.Riley Garrot在Michigan大学开发了完全的数字车辆仿真模型。这个模型包含17个自由度。为了节约计算耗时，转向系统被模拟为稳态，车轮打滑用代数方程控制。模型的一些功能可根据设计要求取舍。它们包括：制动防抱死系统，多种轮胎模型，可选择的运动学非线性因素，独立或非独立的后悬架，并具有互动能力。模型有良好的开放性，可进一步进行模型的改良。模型主要包含两大部分：汽车模型IDSFC和驾驶员模型DRIVER。驾驶员模型可单独改变而不影响车辆模型。驾驶员模型用来控制输入的转向力矩、制动力矩和驱动力矩[26]。
1986年R.J.Antoun在文章中讨论了应用ADAMS建立的车辆操纵稳定性模型。他应用标准的ADAMS模块和用户自定义模块（如轮胎），建立了1985年福特公司的一种客货两用轿车模型。文章详尽的讨论了前后悬架运动学模型，及橡胶衬套的顺从性和减振器的非线性。试验结果与仿真结果十分相近，并应用这个方法对1986年的BroncoⅡ和Aerostar车型进行了研究。通过应用以上各自的模型，设计者可在设计初期优化横向稳定杆的面积及轮胎特性。Bronco模型包括55个自由度[27]。
1991年C.W.Mousseau开发了可自动生成动力学方程的软件AUTOSIM，并建立了14自由度的车辆模型。它应用Kane方法导出动力学方程，并应用优
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化方法提高效率。用户只须选择广义坐标来反映系统的组合。不必应用笛卡儿坐标和数学形式的约束来推导动力学方程。由于模型的高效和准确，使之可应用于实时的驾驶模拟器[28]。
1993年W.kortum和R.S.Sharp在VSD的增刊发表的文章评述了当时的27种多体仿真代码及车辆仿真的主要目的。通过表格对比了包括ADAMS，MEDYNA，NEWEUL，DADS，AUTOSIM和SIMPACK等代码的各自特点。Kortum分析了多体代码的优点并简要讨论了最为适合车辆动力学仿真的几种数值方法。Sharp应用四个模型对代码进行了测试和评价[29]。
1996年Michael R.Petersen和John M.Starkey为了研究汽车直线加速特性建立了较为精细的车辆模型。模型包括纵向轴载荷转移，轮胎滑移，空气阻力，空气升力，变速箱和传动系能量损失及车轮的转动惯量，发动机和传动系部分，手动变速箱与离合器100%啮合。换档时，假定离合器与飞轮完全分离，传递的发动机力矩为零，改变齿轮传动比，然后发动机力矩完全传递到变速箱。验证了模型的正确性后，作者对设计参数进行了灵敏度分析[30]。
1998年机械仿真公司(Mechanical Simulation Corporation)的Michael W.Sayers发表了一篇关于实时仿真文章。文中介绍了一种可进行实时仿真的多体代码AutoSim，当输入车体自由度、点的位置、力的方向，它就可自动得出运动方程，产生计算机源代码来求解[31]。
1999年交通研究中心(Transportation Research Center)的M.Kamel Salaani发表了一篇关于全国高级驾驶仿真的论文，此模型堪称为19世纪90年代末最为先进的模型。它具有较高的保真实时性，车体运动具有6个自由度，并具有大的水平位移。包括6个子系统：转向系、制动系、传动系、发动机、空气动力和轮胎力。这些子模块使得NADS模型具有广泛的使用性，它可以仿真大部分的汽车车型[32]。
2000年R.Wade Allen等再次发表文章介绍了VDANL的驾驶模拟器在仿真和路面设计两方面的应用。VDANL和STIREMOD的参数设定已被公布，并且加入了其它车型的数据。现在共有64种车型参数和42种轮胎参数备用。64种车型包括从客车到实况转播车、有蓬货车和多用车等；42种轮胎包括截面为145-295，扁平率55-75，轮辋13-16英寸的各种型号轮胎模型。最近，此范围内的轮胎模型特征已经被综合。另外，VDANL的路面模块已经被升级到可用来分析路面设计，并且可完整描述水平和垂直截面、道路斜坡截面、路肩和斜坡的两个侧面。路面参数定义也包括路面品质，它可通过改变轮胎参数来反映轮胎对各种铺砌和非铺砌表面以及环境造成的路面条件的改变[33,34]。
汽车动力学模型经历了从简单到复杂，从少自由度到多自由度，从模拟计
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算机到数字仿真的发展过程。模型越来越朝着通用性、高效性和精确性的方面发展。另外，由于计算机网络的发展可实现异地之间的参数调用，更增加了模型的通用性。汽车系统动力学发展趋势：由多刚体系统动力学向多柔体系统动力学发展。所建立的模型更复杂更精确。
1.3 主要研究内容
该课题将通过采集实车数据，应用ADAMS中的CAR模块：
(1) 建立包括前后悬架、转向系、轮胎、发动机、车身、制动系等在内的整车动力学模型；
(2) 根据国家标准对整车模型进行悬架仿真分析、操纵稳定性仿真分析及平顺性仿真分析以验证模型的准确性和合理性。
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第2章 ADAMS虚拟样车基础理论
汽车零件众多，且汽车零件间运动自由度众多，如何进行合理的理论简化，对于构建可准确表征汽车运动特性的虚拟样车模型至为关键，所以必须透彻了解ADAMS及ADAMS/CAR的工作原理，方能构建出合理的ADAMS样车模型。
2.1 ADAMS架构
ADAMS软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamic Inc.)开发的虚拟样机分析软件。MSC.ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器的工作采用多刚体系统动力学理论中的拉洛朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，最后输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。MSC.ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。MSC.ADAMS软件是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析等[35]。
MSC.ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱等五类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。
2.1.1 ADAMS坐标系统
ADAMS中定义了三种坐标系统，分别是：
(1)地面坐标系(Ground Coordinate System) 固定于地面(Ground Part)是系统的绝对坐标系。ADAMS中所有刚体(部件)都相对于地面坐标确定其位置和方向。
(2)局部参考坐标系(Local Part Reference Frame，LPRF) 每个部件有一个局部参考坐标系LPRF，其位置和方向相对于地面坐标系定义，这个坐标系固定在构件上并随部件运动。
(3)标记坐标系(Marker) 标记坐标系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：固定标记和浮动标记。固定标记固定在构件上，并随构件运动。固定标记可以用来定义部件的形状、质心位置、作用力和反作
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用力的作用点、部件之间的连接位置等。浮动标记相对于部件运动，一些力和约束在ADAMS中有浮动标记来确定其作用力，力和约束自动标明浮动标记的位置和方向[36]。
2.1.2 ADAMS的动力学理论基础
ADAMS以多体系统动力学为理论基础，它以笛卡儿坐标和欧拉角参数描述物体的空间位形，采用吉尔刚体积分解决了稀疏矩阵的求解问题，其核心为ADAMS/View与ADAMS/Solver。ADAMS/Solver提供多种功能成熟的求解器，可以对所建模型进行运动学、静力学、动力学分析[37]。
(1)广义坐标选择 动力学方程的求解速度在很大程度上取决于广义坐标的选择。ADAMS用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐
T
⎡TT⎤θ,ϕ}T 标，qi={x,y,z,Ψ,i ，q=⎣q1,q2,...,qn⎦，即每个刚体用六个广义坐标描述。
T
(2)动力学方程的建立 ADAMS采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程
⎧d⎛∂T⎞T⎛∂T⎞T
TT
−+ϕρ+θ⎪⎜&μ−Q=0qq⎟⎜⎟&⎠⎝∂q⎠⎪dt⎝∂q
⎪
(2-1) ⎨ϕ(q,t)=0
⎪⎪⎪&,t)=0⎩θ(q,q
1
式中 T——系统能量， T=[M⋅v⋅v+w⋅I⋅w]；
2
M——质量列阵；
v——广义速度列阵；
I——转动惯量列阵；
w——广义角速度列阵；
q——广义坐标列阵；
Q——广义力阵列。
&,t)=0为非完整约束方程；ρ为对应ϕ(q,t)=0为完整约束方程；θ(q,q
于完整约束的拉氏乘子列阵；μ为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。
式(2-1)的一般形式为
&,λ,t)=0⎧F(q,v,v
⎪
&)=v−q&=0 (2-2) ⎨G(v,q⎪Φ(q,t)=0⎩
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式中 q——广义坐标列阵；
&、v——为广义速度列阵； q
λ——约束反力及作用力列阵；
F——系统动力学微分方程及用户定义的微分方程； Φ——描述完整约束的代数方程列阵；
G——描述非完整约束的代数方程列阵。
(3)运动学分析 运动学分析主要研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力,因此只需求解系统约束方程
Φ(q,t)=0 (2-3)
用吉尔(Gear)预测校正算法可以有效地求解上式。
tn时刻位置的确定可由约束方程的牛顿－拉弗逊(Newton－Raphson)迭代方法求得
∂Φ
Δqj=Φ(qj,tn) (2-4) ∂qj
式中 Δqj=qj+1−qj，j——第j次迭代。
tn时刻速度、加速度的确定可以利用线性代数方程的数值方法求解，ADAMS提供了两种线性代数方程求解方法：CALANAN方法与HARWELL方法。前者不能处理冗余约束问题，但是速度较快。
(4)动力学分析 ADAMS软件建立的动力学方程一般为隐式、非线性的微分－代数混合方程。对于此类方程，采用吉尔预测校正算法求解比较有效。通过求解该方程，可以得到系统所有部件的边界条件，即力、速度、加速度。
ADAMS软件进行动力学分析时采用两种积分器：刚性和非刚性积分器。 刚性积分器功能强大、变阶、变步长。主要有GSTIFF(Gear)积分器、WSTIFF积分器、DSTIFF积分器和SI2－GSTIFF积分器四种。这四种积分器都使用BDF算法，前三种积分器采用牛顿－拉弗逊迭代方法来求解稀疏耦合的非线性运动学方程。
非刚性积分器适用于非刚性的系统，模拟特征值经历突变的系统或高频系统。ABAM (Adams-Bashforth and Adams-Moulton)积分器，采用坐标分离算法将微分代数方程缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程，然后用ABAM程序进行数值积分来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。
(5)静力学分析 在进行静力学、准静力学分析时，对上面的动力学分析过程，分别设速度、加速度为零，得到如式(2-5)的静力学方程。
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⎡∂F⎢⎢∂q⎢∂Φ⎢⎣∂qT
⎛∂Φ⎞⎤⎜⎜∂q⎟⎟⎥⎧Δq⎫−F⎫⎝⎠⎥⎨⎬=⎧⎨⎬
⎥⎩Δλ⎭j⎩−Φ⎭j0⎥
⎦j
(2-5)
2.2 虚拟样车构建理论
车辆系统与其他机械系统一样，一般可用由若干刚体和可变形物体(柔性体)组成的系统模型予以有效的描述，这些系统和模型称为“多体系统”。多体系统动力学就是研究由刚体及可变形物体所组成的系统，在经历大范围空间运动时的动力学行为，根据分析时侧重点的不同可分为多刚体系统动力学和多柔体系统动力学[38]。
采用广义坐标形式的动力学普遍方程，将拉格朗日方程写成矩阵形式为：
d⎛∂T⎞⎛∂T⎞
⎜&⎟+⎜⎟=Q (2-6) dx⎝∂q⎠⎝∂q⎠
式中 q——广义坐标向量；
T——系统动能； Q——广义力；
其中系统动能T由广义速度表示为
T=
1T
&Mq& i=1,2,3,...,nb (2-7) q2
&——广义速度向量； 式中 q
M——质量矩阵。
将系统动能表达式代入拉格朗日方程，得到拉格朗日方程的展开形式，即系统中第i个物体的动力学控制方程：
ii
&&i+Kiq&i=QF (2-8) Miq+QV
&&——广义加速度； 式中 q
M——质量矩阵； K——刚度矩阵； iQF——主动力对应的广义力；
Qvi——与速度的二次项有关的广义力； nb——系统中物体的总数。
若将系统中nb个物体的动力学方程通过约束组装起来，用乘子法可得到多体系统动力学的控制方程，即
T
&&+Kq&+CqMqλ=QF+QV (2-9)
其相应的约束方程为
C(q,t)=0 (2-10)
式中 λ——拉格朗日乘子列阵；
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C——约束矩阵，Cq为约束的雅可比矩阵。
根据上面方法得到的多体系统动力学控制方程，一般为复杂的大规模微分－代数方程组(DAEs)，其求解较为困难。微分－代数方程组的求解问题是多体系统动力学的重点问题之一，国际上对其作了大量的研究，涌现了许多新的算法。根据其位置坐标阵和拉格朗日乘子处理技术的不同，可以将微分－代数方程组问题的求解方法分为增广法和缩并法等。
基于上述多体系统动力学的基本理论，形成了功能化虚拟样机技术。功能化虚拟样机FVP技术是在CAD/CAM/CAE技术和虚拟样机VP技术基础上、基于多体系统MBS动力学的研究成果、并综合了近些年取得突破性进展的多领功能化虚拟样机模型是在域物理系统MPS研究而发展起来的建模与仿真技术。
全数字化虚拟环境下建立系统的仿真模型，通过运行仿真试验取得“虚拟试验场”VPG式的性能分析结果，从而精确快捷地预测系统的性能[39]。
以上多体系统动力学理论和功能化虚拟样机技术，尤其适用于车辆系统这样的多自由度、高复杂程度的大规模系统。在具体建模及求解过程中，需要考虑车辆系统的特殊性进行必要的处理，研究在车辆动力学与控制及道路相互作用这些新领域中如何应用功能化虚拟样机技术。针对车辆、道路的特殊性能，对具体结构进行适当的简化，建立能反映其复杂特性的数字仿真模型；对模型进行校验；针对车辆各方面性能及车辆与道路的相互作用问题进行仿真分析。
2.3 虚拟样车仿真理论
车辆虚拟样机建模的过程，就是通过对组件、约束、柔性连接(力)及轮胎等的定义，来确定车辆各部分的组件特性及其连接关系，从而形成一系统车辆多体系统动力学控制方程；而车辆虚拟样机仿真的过程，就是采用一定的仿真算法，求解车辆多体系统动力学控制方程。像车辆系统这样复杂的系统，其控制方程一般为复杂的大规模微分－代数方程组(DAEs－Differential Algebraic 如在标准假Equations)。微分－代数方程组与常微分方程组(ODEs)有很大不同，
设下，常微分方程组对任意初始条件有惟一解，而微分－代数方程组可能无解，或只有在初始条件满足于某相容条件时才有相应的解[40]。因此常采用一些特殊的算法，才能得到微分－代数方程组的解。
在复杂机械系统的运动过程中，可能会出现系统中不同构件之间的运动速度差别很大的情况，这就会使描述系统运动的微分－代数方程组呈现出刚性特性。刚性方程组数值积分过程中存在快变分量和慢变分量的差别，快变分量要求积分步长很小，而慢变分量则使得在该步长条件计算步数很多、传入误差较大。这就使得收敛精度与收敛效率间的矛盾更加突出，是求刚性方程组数值解
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的困难所在，因此，必须采用专用于求解刚性问题的数值方法。
用于处理非刚性问题的算法，有ABAM (Adams-Bashforth-Adams
-Moulton)方法等。这些方法不能用于刚性问题的求解，否则，会出现不收敛或收敛速度慢等问题。另外还有RKF(Runge-Kutta-Fehlberg)方法可用于非刚性问题或轻微刚性问题，但不能得到高精度的解。一般采用基于向后差分
BDF(Backward-Differwnce Formalae)和多步积分的方法处理刚性问题，包括定步长BDF方法、DASSL方法、Gear方法和Wielenga刚性方法等。这些方法包括预估和校正两个步骤[41]。
预估过程是指，在进行一个新步长的计算时，积分器采用每个系统变量的前步的值经给定阶次的插值，通过外插得到这一个步长的预估值。采用的标准算法包括泰勒级数、牛顿差分等。预估过程是显式的，只考虑前步的值，认为前步的数值是对当前值较好的指示，而并不保证其满足运动方程和约束方程。这只是校正过程开始时的一个初始猜测值，保证其满足控制方程。
校正过程中，校正器是微分关系的隐式表达，建立当前步的状态值与其微分值的关系。这种关系将非线性微分方程转化成系统变量的一系列非线性微分代数方程。如微分方程具有形式dy/dt=f(y,t)，则向后差分法采用如下的微分关系：
&n+1 (2-11) yn+1=yn+hy
式中 yn——t=tn时的解；
h——步长；
yn+1是t=tn+1时的解，是本步所要的计算值。
上式两边都存在n+1，因此，是隐式表达。采用类似Newton-Raphson迭代的算法解微分方程，得到状态变量的值。这种方法需要解出方程相对于解变量的偏微分矩阵，即Jacobian矩阵。
假设运动方程具有如下形式：
&,t)=0 (2-12) F(y,y
&=y&k线性化，并将y−yk表达为Δy，y&−y&k表达为将上式相对于y=yk和y&，可得到 Δy
&k,t)+F(yk,y
∂F∂y
Δy+
&kyk,y
∂F
&∂y
&=0 (2-13) Δy
&kyk,y
将上式表示的一阶向后差分表达为
&=Δy
1
Δy (2-14) h
将差分表达式入代入线性化运动方程式，得到
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⎡∂F⎢⎢⎣∂y
&kyk,y
1∂F
+
&h∂y
⎤
&=−F(yk,y&k,t) (2-15) ⎥Δy&k⎥yk,y⎦
若采用高阶向后差分，则得到
⎡∂F
⎢⎢∂y⎣
&kyk,y
1∂F
+
&hβ0∂y
⎤
&=−F(yk,y&k,t) (2-16) ⎥Δy⎥&k⎦yk,y
式中 β0——积分阶次的函数；
Δy——校正值；
F——方程的残差。
当F和Δy很小时，就认为校正器收敛，收敛得到的值就是方程的解。
2.4 本章小结
本章阐述了虚拟样机技术软件ADAMS的理论基础，介绍了ADAMS的坐标系统、ADAMS动力学理论基础、虚拟样车模型构建及仿真理论基础，为构建准确的半挂车虚拟样车模型提供了理论依据。
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第3章 半挂式罐箱车动力学模型构建及悬架仿真试验
3.1 虚拟样车参数
模型参数的精度，是影响模型分析精度的主要因素。因此，模型参数对整车动力学模型至关重要。
建立车辆仿真模型所需的参数，可以总结归纳为四类：运动学参数、质量特性参数、力学特性参数与外界参数。获得模型参数有数种方法：图纸查阅法、实验法、计算法、CAD建模法等。
(1)运动学(几何定位)参数 运动学参数，即车辆的相关运动部件的几何定位参数。在应用多体系统动力学理论建立车辆仿真模型，需要依据车辆的具体结构型式，在模型中输入各运动部件之间的安装连接位置与相对角度等参数。这些参数决定了车辆各运动部件的空间运动关系。
运动学参数，一般可以在汽车的设计图纸中查得。应该注意的是，各运动部件的相对连接位置，应在统一的整车参考坐标系中测量。
(2)质量特性参数 在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特性。质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中，质心、转动惯量等与测量时选取的参考坐标有关。
零部件的质量，一般应在设计图纸上查取。运动部件的质心与转动惯量的参数查取，可以通过称重、计算、实验等方法获得。基于ADAMS/CAR的虚拟样机设计与CAD技术的发展，提供了测量运动部件质心与转动惯量的新方法。本文采用Dassault公司的Catia软件测量部分部件的特性参数。
(3)力学特性参数 力学特性参数一般指系统的刚度、阻尼等特性。这些零部件的特性对汽车的各项性能、特别是操纵性和平顺性等具有决定性影响。车辆有关零部件的刚度、阻尼等特性，一般也可在设计图纸中查得。
(4)外界参数 车辆的使用环境，是进行车辆动力学仿真的外界条件。这些外界条件众多，如汽车行驶道路的道路谱，高速行驶时的侧向风力等，都是影响汽车动力学性能的外界因素。
本文采用车型的牵引车头参数如表3-1所示，挂车参数如表3-2所示。
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表3-1 牵引车参数表
外形尺寸(mm)
整备质量
驾驶室质量
前车架质量
8000*2800*3120 16000 kg 1000kg 8750kg 轮胎质量
轴距
前回转半径
后轮距
137/117kg 5300+1300mm 1860mm 2020mm 牵引销距车尾长度
轮胎数量
转向机速比
前轮距
1450mm 10 23：1 2440mm 发动机最大转矩(N⋅m)
排量/功率(ml/kw)
轮胎静力半径
前轴满载载荷
700 5880/155 536mm 6000kg 变速器速比 10.69/7.08/5.25/3.40/2.68/2.08/1.55/1.00/0.789/ R:11.17
表3-2 挂车参数表
外形尺寸(mm) 14300*2800*4200
轮胎质量
空载质量 5600kg 轴距
满载质量 21000+5600kg
轮胎数
后轮距 2600mm 前轮距
2600mm 罐体直径
137/117kg 1300mm 8 牵引销距车头长度
罐体长度
轮胎静力半径
1000mm 16750 mm 536mm 1400mm
3.2 整车动力学仿真模型
ADAMS/CAR下建立整车系统动力学仿真模型，可分为如下步骤： (1) 整车各子系统的分解及运动学动力学抽象，构建各子系统的拓扑图； 定义子系统之间(2) 在Template Builder下建立各子系统的Template文件，
的Communicator，此时只需知道子系统的拓扑结构,无需知道子系统的详细参数；
(3) 获取各子系统的几何定位参数、物理参数和力学参数；
(4) 在Standard下建立各子系统相应Template的Subsystem文件，并代入子系统的参数特征；
组装各子系统模型组成整车(5) 在Standard下建立整车的Assembly文件，系统模型；
(6) 针对整车研究的不同方面，填写不同工况仿真文件进行整车操纵稳定仿真研究。
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3.2.1 动力传动系统构建
动力传动系统包括为整车提供动力源的发动机，发动机的输出转矩通过驱动轴传递到车轮上。模型本身未包含高速旋转的部件（曲轴，活塞杆），它只是内燃机、离合器、变速箱在功能上的替代。此模型通过插值样条曲线获得节气门开度对应曲轴转矩的变化规律。定义了发动机转速和节气门位置两个变量. 离合器模型虽然简单，但以足够仿真要求。它的主要目的是将发动机转矩传递到驱动轴上，而在换档过程中切断动力源。所建动力传动系统如图3-1所示。
图3-1 动力传动系统模型
3.2.2 车身模型构建
车身模型包括：驾驶室模型、挂车模型、驾驶室悬置装置等。
驾驶室模型与挂车模型的形状较为复杂，而ADAMS的建模能力较弱，所以本文采用SOLIDWORKS与ADAMS结合的方法构建，即先在SOLIDWORKS里建好，后导入ADAMS进行运动学仿真。具体步骤如下所述：
(1) 在SOLIDWORKS中把零件或组件另存为Parasolid格式，文件名和保存路径不能出现中文字符；
(2) 把文件扩展名由.x_t改为.xmt_txt；
(3) 在ADAMS/CAR中建立相应的Part，设好质量和惯量，Import选择文件类型，指向文件，选Part Name，在后面的空格里单击右键，选择先前建好的Part；
(4) 在ADAMS中编辑各个零件的属性，添加各种约束。
所建驾驶室模型如图3-2a)所示，挂车模型如图3-2b)所示。驾驶室悬置装置连接驾驶室和车架，可通过弹簧，阻尼器和其他弹性连接器实现。上下Mount部件分别与驾驶室和车架连接，横向拉杆用来传递此方向载荷。所建模板如图
3-2c)所示。
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a) 驾驶室模型 b) 挂车模型 c)驾驶室悬置装置
图3-2 车身模型
挂车与驾驶室间由第五轮装置联结，又称为牵引座联结装置，由牵引车上的牵引座和挂车上的牵引销组成，通过它可以实现牵引车与挂车的联结和脱开，第五轮模型通过Bushing与Mount部件相连；此模板中未定义铰链，第五轮总成仅通过Bushing分别与牵引车车架、挂车相连，传递力和扭矩。
3.2.3 悬架拓扑结构构建
在ADAMS/CAR中，拓扑结构的建立包括了硬点，部件，运动副，以及定义子系统的参数变量等一系列元素的设置。各元素的建立如下所述：
(1)创建硬点 硬点定义了模型的关键位置，是建模的基本单元。通过他们可以参数化更高级实体的位置和方位。创建硬点只需用输入相应的坐标。坐标来自于CAD模型装配图；
(2)创建部件 在创建好硬点之后就可以基于硬点创建部件。可以给新的部刚体，柔体，Mount 件添加几何约束。在ADAMS/CAR 下的部件包括以下类型：
Part，Switch Part。其中Mount Part 代表无质量部件，会在装配过程中被其他部件替换。Switch Part 也无质量，它充当部件连接的开关作用；
(3)部件间的连接 部件之间的连接包括铰链、橡胶衬套(bushing)和参数。这些连接决定了部件之间如何进行相互作用。连接可以有两种模式，即铰链-运动学模式和衬套-弹性模式。后者可以考虑衬套的弹性变形特性对悬架运动学和动力学的影响。
按照上述步骤建立半挂式罐箱车前非独立悬架模型如图3-3所示。 模型中轮架与轮辋，轮架与梯形臂用旋转副连接。两侧梯形臂与转向拉杆，梯形臂与轴分别以球副和旋转副相连。阻尼器两端通过Bushing分别与轴和车架连接。共计11个刚体，4个无质量构件。由于缺乏导向机构，需要与钢板弹簧安装在一起使用。这里采用Beam力法的方法建立钢板弹簧[42]。根据钢板弹簧的实际结构和工作特点，依据多体动力学建模理论，对钢板弹簧进行如下处
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理：
图3-3 半挂车前悬架模型
(1) 将钢板弹簧处理成连续柔体，其中的每一片簧都可看成由多个质量集中单元组成，每个质量单元都可看做一个刚体，相邻集中质量单元间用
Timosnenko梁连接，以此传递各方向的受力。质量单元间的连接点反映了板簧的曲率要求。
(2) 通过弹簧夹夹紧相邻片簧，且夹紧部分在运动过程中只有沿接触纵向切线方向的相对运动。建模过程中，各簧片通过面约束限制其他方向的相对运动。弹簧夹位置处的质量单元用沿纵向切线方向的移动副约束来模拟。定义了沿接触面的切向力来模拟簧片相对运动摩擦力。
(3) 整个钢板弹簧的所有簧片都在中心处用中心螺栓夹紧。主簧第一片第一段通过转动副与吊耳相连，吊耳通过转动副连接车身。主簧第一片最后一段通过转动副与吊耳相连，板簧片与片之间通过接触力作用，相邻的板块通过梁单元力来连接。板簧模型如图3-4所示。
图3-4 板簧模型
3.2.4 转向系构建
转向系统采用循环球式转向结构，转向盘与转向柱壳以旋转副连接，转向
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柱与转向柱壳以圆柱副连接，两运动副通过一个耦合副将转向盘与转向柱连接起来，转向柱壳与车身通过一个Mount相连，转向柱与中间轴、转向传动轴依次通过万向节连在一块，转向器通过一个旋转副和一个滑动副耦合来代替，将转向传动轴的转动以一定比例转化成转向摇臂的转动。前束和外倾角作为悬架变量定义。所建转向系模板如图3-5所示。
图3-5 转向系模型
将已建立好的模板调整空间位置，添加必要的特性文件，设置Minor Role生成子系统。子系统间通过输入输出通讯器连接，这些通讯器将在装配时被相应子系统取代。最终由前悬架、钢板弹簧、转向系统、悬架测试台子系统组装成的前转向悬架总成如图3-6所示。
图3-6 前悬架与转向系总成模型
各种铰链约束自由度分别为：圆柱铰链约束4个自由度，平动铰链5，球铰链3，等速万向节4，转动铰链5，固定铰链 6。
整个前悬架共有92个物体，4个圆柱铰链，10个旋转铰链，2个球铰链，
7个滑动铰链，7个固定铰链，4个等速万向节，3个平动铰链，2个垂直铰链，6个耦合副。共计371个自由度。
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3.2.5 驱动桥模型构建
该模板能与双轮模板相连，横向和侧向载荷靠横向拉杆和纵向拉杆分别传递，左右驱动转矩施加在轮辋和驱动轴之间。驱动桥定义了一个简化的差速器模型。差速器模型不包括齿轮和刚性体。一个由轮胎间旋转速度差定义的差速转矩施加在左右轮辋之间。左右半轴的旋转速度在用户定义的求解器变量中计算。一个输入通信器（类型：求解器变量）接收总的驱动轴转矩，这个值经过差速转矩的修正后，施加到两个运动副力驱动器上。这两个驱动器产生了轴与轮辋间的转矩。
轮辋与轴通过旋转副相连，轮辋上设有与双轮模板连接的Mount，纵拉杆与轴通过Bushing和线运动副相连。悬架与牵引车子系统通过弹簧、阻尼器处的Mount，横拉杆上的Bushing，以及纵拉杆上的旋转副相连，定义了前束角，外倾角，变速比3个变量，16个物体，1个圆柱副，4个旋转副，1个球副，9个固定副，1个等速万向节，1个线运动副，1个面运动副，共计5自由度，如图3-7所示。
图3-7 驱动桥模型
3.2.6 轮胎仿真模型构建
轮胎的影响对汽车的操纵稳定性至关重要，因为前后轮胎的侧偏刚度是影响汽车操纵稳定性的重要因素，前后轮胎侧偏刚度的匹配，直接决定稳定性因数的大小，即决定汽车是具有不足转向、或中性转向、还是过度转向。因此，具有合适的轮胎模型是十分必要的。
用于车辆动力学仿真的轮胎模型大致分为魔术公式轮胎，柔性环模型轮胎，
SWIFT轮胎，RMOD-K轮胎，F-Tire以及简化的有限元模型轮胎。
Magic Formula 是一组数学方程，可以精确地描述轮胎的力和力矩特性，
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精度取决于原始的试验数据，通常的Magic Formula 只是一个稳态的模型。
柔性环模型轮胎，其轮辋的质量和转动惯量只影响轮胎的零阶和一阶模态.来自于地面的低频振动主要有这两阶模态传递到轮轴，轮轴的高频响应主要来自于轮胎与不平路面的相互作用，如果只考虑低频振动，可以把轮胎看作一个刚性环。
Swift 轮胎是Short Wavelength Intermediate Frequency Tire model的简写，其用刚性环描述胎体振动，通过魔术公式计算轮胎和地面的侧向力，轮胎半径随着速度增加而增加。由于采用接触模型，它可以描述滑移率的变化，接触点的位移影响垂直力，其对于离散障碍物采用当量输入。SWIFT轮胎采用了较大的简化因此计算效率非常高，但需要当量路形是其潜在的缺点。SWIFT-Tire 应用的范围主要在动态制动/驱动(ABS/TCS)研究，车辆动力学控制(VDC/ESP)，舒适性和振动研究，悬架和转向系设计，以及动态制动,侧偏和舒适性的联合工况分析。
胎体具有面内F-Tire是一个3D的柔性环flexible ring on elastic foundation，
和面外的弯曲刚度，胎体是可伸长的，胎体与轮辋通过弹簧和阻尼连接，胎体可以离散为50－100个单元。胎面内是柔性环(tire belt)和无质量的弹簧，胎面外为弹性基础上的梁，采用拉各朗日算法，非结点用样条插值，拥有自己的摩擦模型和数值积分(solver)。
RMOD-K轮胎采用弹性基础上的刚性环，并不真实地描述轮胎的面地接触，主要用于水平和长波路面，描述轮胎动力学特性可以达到80 Hz。胎面布有传感器点，用于描述短波不平路面的接触问题。
最后一种轮胎模型是简化的FEA模型，采用简化的胎侧模型，使用查表技术，胎体用壳单元描述，使用Arbitary Lanrangian-Eulerain (ALE) 算法，模型实施在商业化的软件包中，考虑了侧向曲率，但没有涉及胎侧阻尼。SWIFT,
F-Tire, RMOD-K 和简化的FEA 相比，SWIFT 和RMOD-K 中的“driving dynamics”是相似的，都属于刚性环模型；SWIFT 使用等效路形, 可以处理中波路面；F-Tire 与RMOD-K中的“ride comfort” model 是类似的，都属于弹性基础上的柔性环模型，使用了敏感点技术来描述轮胎和地面的接触，F-Tire不是完全的3D轮胎；简化的有限元FEA model 类似于RMOD-K 中的“comfort ，一般来说，对于操纵稳定性的仿真，Magic Formula 是最广泛使用的model”
模型，柔性环模型在NVH/Durability 仿真中得到越来越广泛的应用。
牵引车前轮采用单轮，后轮驱动轮采用双轮结构，挂车两后轮都采用双轮结构，使用F-Tire轮胎模型。创建轮胎模型时，首先编制修改轮胎的特性参数得到编制好的轮胎特性文件。轮胎特性文件编制完成以后，以记事本形式保存
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在工作目录中，保存类型为.tpf文件。
创建的前、后轮胎模型如图3-8和3-9所示。
图3-8 前轮单胎模型 图3-9 后轮双胎模型
3.2.7 整车仿真模型综合
借助ADAMS/Car自带的SDI和Driving Machine实现驾驶员控制.SDI是
standard driver interface 简称。SDI由名为Driving Machine的函数控制运转，接口有五条控制渠道：转向，节气门，离合器，变速比，和制动。Driving Machine 提供了对于开环控制，闭环控制，以及带自学习功能的闭环控制接口，方便用户调用。通过编制驾驶员控制文件(*.dcf文件和*.dcd文件)来将设定的驾驶指令传送给SDI。驾驶员控制文件用来描述我们期望驾驶机器所执行的操纵。驾驶员控制文件指导驾驶机器驾驶速度、行驶方向和试验终止条件等；驾驶员文件指定驾驶机器使用哪种控制器(开环或者闭环)用于转向和油门等信号输入。一个驾驶员控制文件可以参考其它文件，主要是驾驶员控制数据文件(*.dcd)以获得文件中所记录的开环控制数据和闭环汽车行驶路径和速度等数据。
结合驾驶员模型与上述各分总成系统，在ADAMS/CAR STANDARD模块下进行装配连接，得到半挂式罐箱车的整车仿真模型如图3-10所示。
图3-10整车仿真模型
3.3 悬架仿真试验
悬架仿真试验主要包括：单轮跳动试验、双轮同向跳动平行试验、双轮反
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相跳动试验、转向试验和静载试验等。考查外倾、内顷、前束、轮距变化、悬架刚度等的分析。本节通过双轮同向跳动+100mm平行试验得到车轮前轮外倾角、主销后倾角、前束角、以及轮距、轮胎转角等特性参数随轮跳的变化规律。
3.3.1 前轮外倾角随轮跳的变化规律
车轮外倾角是指在过车轮轴线且垂直于车辆支承平面的平面内，车轮轴线与水平线之间所夹锐角。即由车前方看轮胎中心线与垂直线所成的角度，向外为正，向内为负。其角度的不同能改变轮胎与地面的接触点，直接影响轮胎的磨损状况。并改变了车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消车身载重后，悬架系统机件变形所产生的角度变化。外倾角的存在也会影响车的行进方向，因此左右轮的外倾角必须相等，在受力互相平衡的情况下不致影响车辆的直线行驶，再与车轮前束配合，使车轮直线行驶并避免轮胎磨损不均。由图3-11可以看出，车轮上、下跳动时，前轮外倾角变化范围较小。
图3-11前轮外倾角-轮跳
3.3.2 主销后倾角随轮跳的变化规律
过车轮中心的铅垂线和真实或假想的转向主销轴线在车辆纵向对称平面的投影线所夹锐角为主销后倾角，向前为负，向后为正。主销后倾角的存在可使车轮转向轴线与路面的交点在轮胎接地点的前方，可利用路面对轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相反，使车辆保持直线行驶。后倾角越大车辆的直线行驶性越好，转向后转向盘的回复性也越好，但主销后倾角过大会使转向变得沉重，驾驶员容易疲劳；主销后倾角过小，当汽车直线行驶时，容易发生前轮摆振，转向盘摇摆不定，转向后转向盘自动
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回正能力变弱，驾驶员会失去路感；当左右轮主销后倾角不等时，车辆直线行驶时会引起跑偏，驾驶员不敢放松转向盘，难于操纵或极易引起驾驶员疲劳。由图3-12可以看出，轮跳中后倾角变化在2.5~5°之间，随车轮上跳有减小的趋势。
图3-12主销后倾角-轮跳
3.3.3 车轮前束角随轮跳的变化规律
同一轴两端车轮轮辋内侧轮廓线的水平直径的端点为等腰梯形的顶点，等腰梯形前后底边长度之差为前束。当梯形前底边小于后底边时，前束为正，反之则为负。车轮的水平直径与车辆纵向对称平面之间的夹角为前束角。由于车轮外倾及路面阻力使前轮有向两侧张开做滚锥运动的趋势但受车轴约束，不能向外滚动，导致车轮边滚边滑，增加了磨损，通过前束可使车轮在每瞬间的滚动方向都接近于正前方，减轻了轮毂外轴承的压力和轮胎的磨损。由图3-13可知，前束的变化趋势随轮跳上升而减小，变化范围-2.5~2.5°之间。前悬架上跳时前轮前束值的变小，下落时前束变大，这使得悬架具有不足转向特性,有利于改善汽车的操纵性能。
图3-13车轮前束角-轮跳
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3.3.4 轮距随车轮跳动量的变化规律
在对其他特性参数影响不大的前提下，轮距变化的要求是尽量小以减少轮胎磨损。由轮距变化产生的侧偏角，进一步产生侧向力输入，影响操纵稳定性，尤其是在汽车侧倾时，两侧车轮的横向滑移方向可能相同，使轮距变化带来的侧向力不能抵消，从而使操纵稳定性变坏，因此也要求轮距变化尽量小。一般要求车轮跳动±40mm时，轮距变化为+10mm。车轮上跳时轮距适当增加，下跳时轮距适当减小有利于保持汽车的稳定性。由图3-14可知，轮距变化符合要求，变化范围为-8~5mm。且上跳时轮距增加，下跳减小，汽车稳定性良好。
图3-14轮距-车轮跳动量
3.3.5 轮胎转角随轮跳变化规律
在双轮同向跳动试验中，转向盘锁住，由于转向横拉杆的作用，两侧轮胎上跳时会产生转角，为了防止轮胎磨损，保持良好操纵稳定性，轮跳过程中要求轮胎转角不能有太大变化由图3-15可以看出，在双轮±100mm行程中，轮胎转角保持在±2.5°以内，符合要求。
通过双轮平行上跳试验验证了前悬架特性参数（前束，外倾角，后倾角，轮距，轮胎偏角）的变化符合悬架设计要求，有利于保证车辆的行驶稳定，防止轮胎磨损。从而验证了所建转向悬架总成的合理性，为接下来的整车仿真奠定了基础。
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图3-15轮胎转角-轮跳
3.4 本章小结
本章介绍了ADAMS/CAR 建模思路和步骤，基于实车参数构建了整车各子系统模板，通过通讯器连接、驾驶员控制程序、轮胎以及弹簧减震器特性文件编写及不同CAD软件接口技术实现了整车模型的建立，且通过悬架试验验证了整车仿真模型，为后续虚拟样车性能仿真奠定了基础。
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第4章 半挂式罐箱车操纵稳定性仿真
汽车操纵稳定性是汽车整体性能最基本同时也是最重要的性能，它决定于汽车的整体结构和性能，同时也与驾驶控制有关。因此通过对整车虚拟样车模型进行操作稳定性分析，将仿真分析的结果与标准结果进行比对，可以很有效地验证创建的模型正确与否。
操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。操纵性是指车辆能够确切地响应驾驶员转向指令的能力，稳定性是指车辆在受到外界扰动(路面扰动或突然阵风扰动)影响后恢复原来运动状态的能力。稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此统称操纵稳定性。
目前，各国采用的操纵稳定性试验评价方法种类颇多，其中有代表性的、常见的试验评价方法有角阶跃试验、角脉冲试验、正弦角输入试验、“回正性” 试验、“撒手稳定性”试验、“蛇行”穿杆试验、“移线”试验、“8”字形(蛇形)行驶试验、稳态圆周试验等[43]。
结合我国的具体情况，参照国外标准，我国制订了适合我国国情的汽车操纵稳定性试验方法，包括蛇行试验、转向盘转角阶跃输入、转向盘转角脉冲输入试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验和稳态回转试验，同时还制订了与操纵稳定性相应的指标极限值与评价方法。本节将按照国家标准试验的要求进行最典型的整车操纵稳定性仿真：转向盘角脉冲试验、倾翻工况、转向盘角阶跃试验、环岛路口试验和双移线试验等。
4.1 转向盘角脉冲输入
试验车速取最高车速的70%并四舍五入为10的整数倍确定为60km/h。在仿真过程中，让该车从0s~0.5s以60km/h的车速直线行驶，在0.5s~0.7s时间内迅速将转向盘从0°转动到60°(60°是预先选好的可使汽车稳态侧向加速度达到4m/s2的角度)，使其满足起跃时间不大于0.2s或起跃速度不低于200°/s的转向盘转动速度的要求，然后在0.7s~0.9s时间内迅速的将转向盘从60°转动到0°，记录仿真过程中转向盘输入信号的时间历程曲线、横摆角速度的时间历程曲线。
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图4-1 转向盘输入信号时间历程曲线图 4-2 挂车和牵引车的横摆角速度
从仿真结果可以看出，牵引车横摆角速度对转向盘转角的反应比较迅速，经过3.5秒回到稳定状态，有满意的操纵性能。挂车相对牵引车，其横摆角速度变化相对滞后约0.5秒，且其角速度峰值也低于牵引车。挂车需要更长时间回到稳定状态，这与挂车质量相对较大的情况相符。总的来说，整车动力学模型在受到外交扰动下，达到稳态状态迅速，有较好的抗干扰能力，整车对于转向盘角脉冲输入的反应快速而且准确。
4.2 倾翻工况
倾翻是牵引车—挂车列车容易遇到的一种危险工况，其机理相当复杂，且和车辆的动态响应特性息息相关。对于高速行驶车辆，最后轴车轮离地通常被认为是车辆倾翻前的第一征兆。图4-3～4-7 为转向盘正弦输入引发挂车车轮离地的仿真结果。
图4-3 转向盘时间历程曲线 图4-4 牵引车、挂车横摆角变化曲线
由图4-4 可以看出，挂车横摆角峰值滞后牵引车0.566s；由图4-6 和图4-7可知，在驾驶员完成转向操后，挂车车轮垂向力出现振荡，但始终保持正值，
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因而没有达到倾翻的临界状态。挂车横向加速度变化滞后于牵引车，正弦转向驾驶员对车辆状态的反盘输入下牵引车垂向加速度在0.13g－-0.22g之间波动。应与对车辆的修正直接影响车辆的稳定性。
图4-5 牵引车、挂车横向加速度时间历程曲线
图4-6左右前轮垂向轮胎力曲线
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0.0
1.02.03.04.0
图4-7内外侧左右轮胎垂向力变化曲线
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4.3 转向盘角阶跃输入
转向盘转角阶跃输入下的转向瞬态响应是指汽车在等速直线行驶时，急速转动转向盘，然后维持其不变，即给汽车转向盘转角阶跃输入时的响应。一般汽车经过短暂时间后便进入等速圆周行驶，在等速直线行驶和等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过度过程便是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。试验过程参照国标GB/T6323.2-94汽车转向瞬态响应特性试验的有关方法[44]。
本项试验测定从转向盘转角阶跃输入开始，到所测变量达到新的稳态值为止，这一段时间内汽车的瞬态响应过程。评价的主要变量是试验时测量的变量有：汽车前进速度、转向盘转角、横摆角速度、侧向加速度等，它们在现实试验中的实际变化规律应如图4-8所示，本次仿真即是根据不同侧向加速度下的试验数据，拟合画出以下各曲线：①转向盘转角的变化曲线；②横摆角速度的变化曲线；③侧向加速度的变化曲线。然后对比这三条曲线是否符合图中规律。
实车试验是在满载工况下进行的，按照国标GB/T6323.2-94进行角阶跃试验。试验车速按试验车最高车速的70％并四舍五入为10的整数倍确定。课题中试验车辆设计的最高车速为85Km/h，按试验要求取整得到仿真试验的车速为60Km/h。
图4-8 转向盘转角阶跃变量标准变化曲线
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试验前，在停车状态下记录车速零线，然后汽车以试验车速直线行驶，先按输入方向轻轻靠紧转向盘，消除转向盘自由行程并开始记录各测量变量的零线，经过0.2~0.5s，以尽快的速度(阶跃时间不大于0.2s或阶跃速度不低于200゜/s)转动转向盘，使其达到预先选好的位置，并固定转向盘数秒钟，同时保持车速不变，待所测变量过渡到新稳态值，停止记录。试验中转向盘预选位置(输入角)°按稳态侧向加速度值1~3m/s2确定，试验从1m/s2 侧向加速度做起，每间隔1m/s2进行一次试验。试验应向右转与向左转两个方向进行，可以两个方向交替进行，也可以先连续地进行一个方向的试验，然后再进行另一个方向的试验，在仿真中，由于模型的对称性，只做左转向的试验。
给汽车以3m/s的初速度，使其恒速直线行驶，在5 s时刻给整车以角阶跃输入，使第一车桥左轮从5s到5.5s向左分别转过20°，40°，60°，并维持此转角不变，整车前进速度保持恒定。转向盘转角曲线，横摆角速度瞬态响应曲线如图4-9所示。
图4-9转向盘输入曲线及横摆角速度随时间变化曲线
由于启动阶段施加了一个大的加速度来启动汽车，在初始0~5s内产生一个波动的横摆角速度。5s时刻转向盘阶跃输入，经过1.5s进入稳定状态，在转向盘转角20°，40°，60°的情况下，其稳态横摆角速度分别稳定在1、1.5、
1.8(deg/s)随着车速的增加，横摆角速度和侧向加速度的稳态值逐渐增加。即横摆角速度和侧向加速度稳态值与车速存在单调递增的关系。由图4-9可知, 横摆角速度和转向灵敏度不存在波动，横摆角速度的超调量等于1，即进入稳态所经历的时间(稳定时间)和第一次达到稳态值所经历的时间(反应时间)相等。具有很好的瞬态响应特性。
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图4-10 转向盘转角输入20°、40°、60°下车身侧向加速度时间历程曲线
由图4-10可知车身侧向加速度在转向盘角阶跃输入后，呈现波动趋势，但稳定在一定范围之内，说明仿真结果是接近实际情况的。
4.4 环岛路口通过工况
环岛路口是指中间为圆形转盘，汽车逆时针方向绕转盘通过的路口，如图
4-11所示。道路试验时，虚拟样车以15km/h速度从路口一方驶入，绕行180°后从另一方驶出，汽车行驶方向未改变，回转半径为20m。测得的数据经处理后得到横摆角、横摆角速度和侧向加速度的时间历程曲线。
在ADAMS/CAR中仿真，创建DCF和DCD文件进行仿真试验，汽车的行驶路径用式(4-1)计算得到：
⎧x=L+R−Rcosθ (4-1) ⎨
θyRsin=⎩
式中：x,y分别为汽车行驶坐标系中X,Y方向的坐标，其中汽车最开始的行驶方向为x正向，汽车左方为y正向；L为汽车转向前的直线行驶距离；R为转弯半径；θ为汽车横摆角。
仿真得到的相应参数曲线如图4-12~4-15所示。
图4-11 环岛路口 图4-12 环岛路口工况仿真轨迹
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图4-13 转向盘转角时间变化曲线及横摆角速度时间变化曲线
图4-14 牵引车、挂车侧向加速度时间历程曲线
图4-15 牵引车侧倾角及挂车侧倾角速度时间历程曲线
图中实线代表牵引车，虚线为挂车。有图可知挂车横摆角，横摆角速度，侧向加速度在环岛通过工况下与牵引车变化规律相似，但其峰值均小于牵引车，且滞后于牵引车0.02s左右。最大横摆角，横摆角速度，侧向加速度分别为
60(deg)，-11.25(deg/s)，0.045 m/s2，牵引车侧倾角在0~0.5deg间波动，挂车侧倾角速度在-0.01m/s2－0.018 m/s2间波动，没有侧倾危险，符合安全标准。
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4.5 双移线工况
汽车在行驶过程中遇到障碍物或者需要超车时，做进行连续更换行驶车道的操作，这种工况可以用双移线试验的方法进行仿真。Adams自带的
ISO-lane-change试验与GB要求不同，所以通过编写DCF和DCD文件进行双移线工况仿真。纵向控制器使车辆行驶速度保持在期望值，侧向控制器控制转向系统使车辆保持沿期望的指定路线行驶。
仿真计算完成后，记录汽车的转向盘转角、运动轨迹、侧向位移、侧向加速度、横摆角及横摆角速度、侧倾角及侧倾角速度等值的变化，如图4-16~4-20所示。
由图知，满载双移线工况要求转向盘转角输入更大，牵引车的侧向加速度变化比挂车提前 。相比于满载状态，空载条件下牵引车和挂车侧向加速度、侧
倾角相对较大。牵引车横摆角速度变化超前于挂车，在-15~15deg/s之间波动。
图4-16 空载和满载下转向盘输入转角随时间变化曲线
图4-17牵引车与挂车在空载和满载条件下横摆角时间历程曲线
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图4-18 挂车和牵引车分别在空载和满载工况下侧向加速度时间历程曲线
图4-19 挂车和牵引车分别在空载和满载工况下横摆角速度变化曲线
图4-20 挂车和牵引车分别在空载和满载工况下侧倾角时间历程曲线
仿真模型中未将该车车架作为弹性体来处理，实际上该车架在满载时受力较大，必然会产生一定程度的变形，仿真中未能模拟该变形量，这样势必导致理论分析与试验结果的偏差。对于操纵稳定性来说，路面状况的不同对试验结果必然产生影响，仿真时按理想的轮胎路面附着条件进行，而实际试验路面很
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难做到，这也造成仿真结果与试验结果存在差别。轮胎参数是通过查找近似型号的做过试验的轮胎获得的，这也是造成偏差存在的原因。模型中一些参数的测量计算与真实值之间必然有一定程度的误差。这也是偏差存才的必然原因。总之，所建模型误差较小，能够仿真实车的实际运动状况。
4.6 本章小结
使用构建的整车动力学模型进行了整车操纵稳定性仿真，验证了整车模型的合理性和准确性。
根据ADAMS/CAR的仿真机理和国标要求，设计了转向盘角阶跃、转向盘角脉冲以及双移线仿真试验等，编写了相应的控制文件，并分别对整车动力学模型进行仿真分析，整理和计算得到各自的相关参数的变化曲线。结果表明该车具有良好的操纵稳定性，其相应的评价参数变化符合国标要求的基本规律，能够正确的仿真实车的运动状态。
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第5章 半挂式罐箱车平顺性仿真
5.1 平顺性评价指标的确定
5.1.1 车辆平顺性的评价方法
汽车平顺性的评价是一个极为复杂的过程，它包括人、车、路三个环节，其中人是最活跃的因素，当前对汽车平顺性进行评价主要分两类：主观评价和客观评价。
主观评价是人对汽车平顺性最直接的评价方法。主观评价方法主要是根据有一定经验的试车人员对汽车振动的直观感受进行统计分析并对车辆进行评价。经过对主观评价的研究分析，设计人员根据经验可以简单地改变如汽车悬架参数来提高汽车的平顺性。但是，由于车辆的动态特性和人体对振动响应的复杂性，主观评价只能是对汽车平顺特性的一个比较模糊的描述。此外，由于人与人之间存在的差异，以及人体自身复杂的心理、生理特性，即使对同样的汽车振动的感觉也会不一致，这样，就会导致难以对汽车平顺性进行定量、准确的评价分析，因此需要专门评价人员进行。而客观评价方法由于排除了人的个人差异，以具有量值的概念对汽车平顺性进行评价，从而可以比较精确合理地评价、分析汽车的平顺性。它主要考虑车辆的隔振性能，以机械振动的各个物理量（如振幅、频率、加速度等）作为评价指标，通过测试传递到人体的振动量的大小，来确定影响人体舒适性的程度，以此来评价汽车的平顺性，因此，这是一种较为合适的评价方法。研究人体对振动的反应涉及到车辆乘坐舒适性，对车辆乘坐舒适性的客观评价方法各国的学者都作了许多研究，有各种不同的评价方法，至今没有一个公认的乘坐舒适性的评价准则，综合各种方法，最主要的有以下几种[45-49]：
(1) 乘坐舒适性系数法，简称RCL法。此法由Janeway于1948年提出，后为SAE J6a及日本国营铁道所推荐；
(2) 吸收功率法，简称AP法。此法由Pradlo和Lee提出，用代表人体振动系统内部所吸收的能量多少即平均功率来评价乘坐舒适性；
(3) 国际标准IS02631法。国际标准化组织ISO于1974年发表的IS02631-人体承受整体振动的评价指南后于1976、1982、1985、1997年又发表了修订补遗版；
(4) 单一不舒适性指数法，简称NASA法。由美国宇航局(NASA)的莱利研究中心提出；
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(5) 总体乘坐值法。1988年英国南安普敦大学声振动研究所(ISVR)的人体工程研究室的学者提出了一整套乘坐不舒适性的评价方法，称作ISVR法，此法包括适用于各种场合的总体剂量值法和总体乘坐值法，后者适用于振动峰值因素小于6的振动环境；
(6) 汽车乘坐舒适性主观评价方法。采用心理测定法中的SD法，对汽车乘坐舒适性进行主观评价，然后导入Fuzzy(模糊)理论中的模糊测度和模糊积分，构筑了汽车乘坐舒适性主观评价阶层化模型，使以往很能难处理的心理状态变化的定量分析成为可能。
5.1.2 本文评价指标的确定
结合ISO2631与我国的法规可得，人体对振动的反映主要体现在座椅传递给人体的振动量的大小。对于振动量，一般用座椅传递给人体的加速度来表示。本文主要的评价指标就是座椅传递给人体加速度的大小，对于不同的仿真工况，评价指标是不同的，本文的仿真工况为随机输入与脉冲输入仿真，其评价指标的确定如下:
对于随机输入仿真，本文确定的评价指标是不舒适参数。不舒适参数体现了人体对振动的反应，是平顺性评价的主要指标。其他评价指标还有悬架动行程以及车轮动载荷。悬架动行程体现了悬架撞击限位块的概率，是平顺性评价的附加指标，车轮与路面的动载荷的影响主要体现在汽车的操纵稳定性上，为了在平顺性分析的同时兼顾操纵稳定性，可将车轮与路面的动载荷作为平顺性评价的参考指标。本文主要选取不舒适参数作为评价指标，具体如下：
根据不舒适性参数是指经ISO2631-1(1997)频率加权后的加速度均方根值。
ISO2631-1(1997)推荐的加权方法，将驾驶员座椅处的三个轴向振动的加速度时间历程曲线进行频谱分析，得到三个轴向的功率谱密度曲线，将每个轴向的功率谱密度曲线分别进行频率加权，得到各轴向的加权加速度均方根值，最后将各轴向的加权加速度均方根值进行总加权，可得到总加权加速度均方根值，即不舒适性参数。具体过程如下所述：
(1) 建立整车模型仿真计算；
(2) 获取驾驶员座椅处xyz三方向的加速度曲线；
(3) 获取xyz三方向的加速度功率谱密度曲线Gxa (f)，Gza (f)； Gya (f)，(4) 获取xyz三方向的加权加速度均方根值：
2
axa=[∫wx(f)Gxa(f)df]1/2 (5-1)
0.580
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2
aya=[∫wy(f)Gya(f)df]1/2 (5-2)
0.580
80
aza=[∫wz2(f)Gza(f)df]1/2 (5-3)
0.5
其中w(f)指频率加权函数，f指频率
(5) 获取总加权加速度均方根值。
前三步的功能是在ADAMS中实现的，生成加速度时域变化曲线后，由
Adams/Postprocessor自带的傅里叶变化FFT工具可将时域曲线转化为加速度功率谱密度曲线。曲线以点的形式导入Matlab，在Matlab中编制求解不舒适参数的程序，即可求得各轴向的加权加速度均方根值与总加权加速度均方根值。
5.2 平顺性随机输入仿真
根据GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》的要求，对整车的平顺性随机输入进行仿真分析。采用的随机路面为沥青路面和波特兰水泥混凝土路面。输出频率为200Hz，路面模型选择路面生成器产生的随机路面，让模型在一定的车速下匀速行驶。仿真结束后，在后处理中做出所需要的曲线，进行相应的处理，对处理结果进行分析。利用加速度的时间历程曲线做功率谱密度曲线时，加用的窗函数为Hamming窗，总的数据点数为1000，窗函数的段数为8。
图5-1和5-2 给出了在B级和F级路面上，50km/h车速情况下，牵引车垂向加速度时间历程曲线和功率谱密度曲线。
图5-1 B级路面上垂向加速度时间历程曲线和功率谱密度曲线
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图5-2 F级路面上垂向加速度时间历程曲线和功率谱密度曲线
将三个方向上的功率谱密度曲线导入MATLAB，利用编好的程序，即可求得座椅处的加权加速度均方根值aw=0.418m/s2（F级路面） aw=0.153m/s2 (B级路面)。由表5-1可知，半挂车以50km/s行驶在F级路面上时，会产生一些不舒服的感觉。B级路面上行驶感觉一直良好。
表5-1 加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系 加权加速度均方根(m/s2)
<0.315 0.315-0.630 0.500-1.000 0.800-1.600 1.250-2.500 >2.000
人的主观感觉 没有不舒适 有一些不舒适 较不舒适 不舒适 很不舒适 极不舒适
5.3 平顺性脉冲输入仿真
汽车在脉冲输入下的行驶平顺性是评价汽车平顺性的一种重要方法，
GB5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》中对其作了详细的规定，具体规定用座垫表面传递给乘员的最大加速度响应作为评价指标[50]。采用此标准的三角形凸块作为脉冲输入，更改路面文件如图5-3所示。
(1) 轿车、旅行客车及总质量小于或等于4t的货车，h =60mm；
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(2) 客车(旅行客车除外)、越野车及总质量大于4t但小于或等于20t的货车，h=80mm；
(3) 总质量大于20t的货车，h = 120mm。
StartHeight Height（h）三角形凸块高度；Length三角形凸块长度；Start脉冲输入前行使距离（mm）
图5-3 路面文件示例
Length半挂车质量大于20t，选用木块高h =120mm，编制相应的脉冲路面文件。分别以车速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h进行仿真，并给出座椅处垂直方向的最大加速度进行比较分析。座垫表面传递给乘员的最大加速度响应与车速的关系如图5-4～5-9所示。
图5-4 10km/h下加速度响应曲线 图5-5 20km/h下加速度响应曲线
图5-6 30km/h下加速度响应曲线 图5-7 40km/h下加速度响应曲线
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图5-8 50km/h下加速度响应曲线 图5-9 60km/h下加速度响应曲线
加速度（m/s2）
国标GB_5902-86未提出评价指标的限值。因此，相当长一段时间以来，对汽车在脉冲输入下行驶平顺性的评价，只有采用同类型相同车辆的评价结果之间相互比较的方法，即所谓的“相对比较法”。文献[46]在脉冲输入下，座椅表面传递给乘员的最大加速度响应超过43.02m/s2时将危害健康，低于31.44m/s2时对健康没有什么危害，在31.44-43.02m/s2这个区间内对健康有一定的危害。该车以不同车速经过三角形凸块，其最大加速度远远低于该限值。因此，该车在此脉冲输入下对驾驶员的健康没有任何危害。
5.4 本章小结
综述平顺性评价指标的基础上，提出本文的平顺性评价指标。采用ADAMS动力学模型进行了随机输入和脉冲输入平顺性仿真试验，结果表明该车具有较好的平顺性，其相应的评价参数变化符合国标要求的基本规律，可正确的仿真实车的运动状态。
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结 论
1 研究结论
本文总结了系统动力学建模的发展历程和未来的发展趋势，阐述了系统动力学软件ADAMS的建模及求解方法。据某半挂车的实车参数建立了相应的整车多体动力学模型，并进行系统的运动学、动力学分析。分析了各子系统的变化对整车动力学性能的影响。全文可得主要结论如下：
其实体建模不适合复杂(1) 由于ADAMS的优势在于系统动力学仿真分析，
的3D机械模型，因此本文中虚拟样车模型中复杂外形部分利用了
SOLIDWORKS软件的建模优势导入集成。通过软件间的接口，可以方便地实现数据的传递，弥补软件间的不足，能更加真实、准确地进行仿真分析。
(2) 在采集实车参数的基础上，建立基于ADAMS/CAR的虚拟样车模型，并对其进行各项常规的悬架性能试验、操纵稳定性试验及平顺性试验，其结果符合国标要求，验证了虚拟样车具有较好的操纵稳定性和平顺性。
(3) 采用ADMAS/CAR建立虚拟样车模型并系统仿真分析的方法，可较好地校验车辆的各项性能，该分析方法具有成本低、分析快等优点，并可用于开发设计阶段提前发现问题并改进。
2 本论文的创新点
本论文的主要创新点在于结合SOLIDWORKS等三维建模软件的建模能力首次构建了半挂式罐箱车的虚拟和ADAMS/CAR的多体动力学样车虚拟能力，
样车，并进行了系统地操纵稳定性与平顺性仿真分析，为半挂式汽车的开发和性能分析提供了一种可行的方法。
3 研究展望
本文虽取得了若干进展，但限于水平与时间，论文的研究还存在一些不足之处，期望在以后的研究中加以改进，主要有：
(1) 仿真时设定的路面及工况不够详尽，后续应建立更多的路面，且设定各种常用与极限工况，以全面检验样车的能力。
(2) 虽然课题组前期进行过罐箱车的实车试验，与罐箱车虚拟样车的仿真分析比对研究表明有很好的相似性；但本论文限于实验条件，没有展开半挂车的实车试验，所以半挂车型虚拟样车的方法准确性尚需在后续研究中进一步验证。
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于ADAMS/CAR的半挂式罐箱车性能仿真研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签字：
日期：2009年06月30日
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书
《基于ADAMS/CAR的半挂式罐箱车性能仿真研究》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。
本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√”）： 保密□，在 年解密后适用本授权书
√ 不保密□
作者签名： 日期： 2009 年06月30日
导师签名： 日 期：2009年06月30日
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致 谢
本文完成之际，谨向给予我指导、关心和鼓励的领导、老师、同事及朋友致以最诚挚的感谢！
首先要感谢我的导师崔胜民教授。崔老师踏实严谨的治学态度、渊博的专业知识和丰富的实践经验、为人师表的工作风范、诲人不倦的教学精神，使本人受益匪浅。参加工作以来，正是在崔老师的关怀支持下，我在各个方面都得到了很大的锻炼，自身素质、工作能力都得到了很大的提高。本论文是在崔老师的精心指导和热情关怀下完成的，在此向尊敬的崔老师表示最真挚的感谢！
同时，我也要感谢学院周玉生书记、同事胡俊生、任熙华，正是他们承担了我部分繁重的工作，给予了我理解、支持和帮助，使我能够有充分的时间准备论文和答辩，在此表示深深的谢意！
在课题期间，特别感谢黄博老师和姚玉峰老师给予大力帮助和支持，使我受益匪浅，在此表示由衷的感谢！
本文中部分内容和图表引自公开发表的文献，在此对原作者表示感谢! 感谢我的家人，特别感谢妻子的理解和关心给了我勇气和信心！ 最后，再一次感谢所有关心、支持、帮助过我的领导、老师、同事和朋友们！
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个人简历
2001.07— 至今 哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院 辅导员 1997.09—2001.07 哈尔滨工业大学（威海）外语系 学生
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基于ADAMS/CAR的半挂式罐箱车性能仿真研究
作者：
学位授予单位：
隋海瑞
哈尔滨工业大学
引用本文格式：隋海瑞 基于ADAMS/CAR的半挂式罐箱车性能仿真研究[学位论文]硕士 2009
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