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摘要：
目前我国汽车销量位居全球第一，汽车产业已然成为国民经济的支柱产业，并且仍在高速发展。日益激烈的市场竞争要求企业在能够在最短的时间内以较低的开发费用设计出性能优良的汽车产品，这对国内汽车企业的设计方法和设计手段提出了新的要求。传统设计方法采用“经验设计－试制－反复试验和修改－定型”的设计流程早已不适应当前市场，而多刚体动力学仿真技术的应用则可以满足各车企对高效和低成本的要求。其大致过程是在样车（物理样机）设计出来之前，即可对其性能进行预测，以进行可行性研究和优化设计。本文针对汽车设计中多刚体动力学仿真技术的应用进行探讨，共分为五部分。第一部分简单介绍多刚体动力学仿真技术在汽车设计中的应用情况；第二部分介绍了利用ADAMS软件进行动力学仿真的过程；第三、第四部分围绕汽车多刚体动力学模型的建立、模型验证进行深入讨论；第五部分对多刚体动力学仿真在汽车领域的进一步完善进提出了合理化建议。
关键词：
多刚体动力学；虚拟设计；仿真试验
1多刚体动力学仿真技术的介绍
多刚体动力学并不等同于多体系动力学，二者是包含与被包含的关系，多体系动力学包括刚体与柔体两部分。多刚体系统通常由多个刚性物体组合在一起。多刚体动力学的发展源于经典力学与计算机的结合，在发展过程中再融合汽车设计等学科，使其在汽车设计中发挥重要作用。动力学系统仿真的重点是虚拟样机技术，虚拟样机设计是根据各种设定参数及附加条件构一种计算机模型来模拟真实样机测试几何、动力或功能方面的特征，然后再根据测试结果将虚拟样机进行改善。传统产品的开发流程从概念设计到产品定型需要经过详细设计、制造物理样机、物理样机测试等多个过程。物理样机测试发现问题后又要修改设计，重新制造样机，再重新进行测试，如此多次循环之后才能将产品定型。而虚拟样机技术中的样机测试避免了制造物理样机的过程，从测试到发现问题，修改设计等完全可以在计算机上进行，从而简化了开发过程，大幅缩短了周期减少了开发成本。多刚体动力学仿真即是针对多刚体动力学系统通过构建虚拟样机模型来测试设计产品，并根据测试结果进行优化完善。其在汽车设计领域的广泛应用，极大地促进了汽车工业的发展。多体动力学仿真软件ADAMS曾经为“美国福特汽车公司”节省了10亿美元的开发制造成本。这很好地解释了多刚体动力学仿真为何在汽车领域被广泛应用。
2利用ADAMS软件实现多刚体动力学仿真过程
多刚体动力学仿真需要使用一些专业软件，在汽车领域最著名的仿真软件是由美国MSC公司开发的ADAMS软件，本文以该款软件为例，介绍多刚体动力学仿真的实施过程。利用ADAMS软件来进行多刚体动力学仿真一般要依次经过一下步骤：建模、测试、验证、完善模型、反复仿真、优化、自动化。“建模”即在建好的几何模型上根据需要加以约束条件，完成虚拟样机模型。“测试”是对建好的模型上进行运动学仿真，得到力与速度方面的信息。“验证”是通过对比分析数据来确定模型是否需要改进。“完善模型”是指在模型中定义某些参数，使模型更接近真实情况。“反复仿真”使模型参数化，定义相关变量。“优化设计”对设计产品设置人为控制参数，进行优化分析，寻求最佳设计方案。“自动化”可以设置一些重复性工作的自动进行，提高工作效率。
3对整车虚拟样机模型建立的探讨
建立整车虚拟样机模型时，研究对象是汽车整体而不是某一部分零件或系统，建模时要考虑车身、悬挂系统、转向系统、轮胎与制动系统等子系统模型的有机结合。这里只探讨多刚体理论的应用，除了连接衬套等部分，将其余部分可以抽象为理想刚体，忽略各构件的形变且不考虑轮胎等柔体系统。对整车建模主要反映的是汽车操纵的平稳性与平顺性两个方面的问题。汽车操纵稳定性是指在驾驶员的正常操作下,当汽车受到外界条件变化干扰时,汽车保持稳定性的能力。汽车平顺性是指汽车所运载的人或物，在坑洼等不良路面上减少因振动而受到损坏的能力。汽车整体动力学模型是在ADAMS/CAR中建立起来的，在实际模型的建立过程中，影响模型分析精度的主要因素是参数的精度与数量。从理论上讲，所考虑的影响模型计算精度的因素越多，模型越接近于真实情况。虽然接近程度增加了，但同时模型复杂度和仿真计算的初始参数也增加很多。而有些初始参数不易获得或者缺少准确数据，这样又会造成仿真计算结果精度的降低。所以建模过程中应该在满足研究要求的情况下将模型进行合理简化。
4对模型验证的探讨
整车虚拟样车模型建立之后，将所得数据与实车进行对照，通过对比分析仿真模型计算结果与实车数值，来证实仿真模型。且在仿真过程中，以实车试验数据作为仿真输入，来增强仿真结果与实车的可比性，从而有效验证模型的精确度等相关问题。模型验证有角脉冲输入试验验证、蛇形试验验证、转向角轻便性试验验证、转弯制动试验。转向角脉冲输入试验验证的是汽车瞬态响应特性，具体做法是保持汽车油门开度不变，使汽车按最大速度的70%直线行驶，给转向盘转角输入一个三角脉冲后迅速恢复原状并保持不动，记录车身的横摆角速度等晃动状态。蛇形试验是用来验证汽车行驶稳定性和乘坐舒适性。转向轻便性试验与转弯制动试验验证的都是转向系统的工作情况。将模型验证的结果与实车实验数据相比，虚拟样机的试验结果与实车相似程度足以满足研发要求。从模型试验的过程和结果可以发现，在模型试验时使用与样机类似车型的已有试验数据作为仿真输入，可以大大增强仿真结果与实车试验的可比性，而据此所构建的多刚体模型能够更有效地反映所设计汽车的动力学特性。
5多刚体动力学仿真技术在汽车设计领域中的进一步完善
从上世纪70年代至今，多体仿真技术一直在发展完善，汽车的动力模型由简单变复杂，自由度由少到多，仿真技术从计算机模拟到数字仿真，使多刚体动力学仿真能够更进一步地服务于汽车行业。目前，在汽车动力学研究中对柔体系统仿真较少，随着计算机技术的发展，多刚体动力学仿真将逐步大量融入柔体系统的动力学研究。刚体动力学的仿真再加上对关键部件柔性特征以及结构柔性对车辆动态性能影响的考虑，将大大增加模型的通用性与真实性。对于模型参数，车辆模型的参数化程度将进一步提高，使之能够成为该类汽车的一个通用“整车动力学仿真平台”，有助于快速高效地分析不同参数的同类型车辆的重要动力学性能。对汽车整车性能分析（如操纵稳定性、平顺性分析）时，将进一步考虑结构变形刚度影响，而不是简单地进行结构刚性简化，此外还要进行整车非线性系统分析，以达到动态参数设计的目标，进一步提高模型的精度。进行动力学仿真时还将逐步考虑人员对车辆控制的影响，建立和完善车辆的动力学建模及仿真输入的驾驶员模型，建立“人－车－环境”闭环控制系统。
6结语
随着计算机性能的提高以及各种软件技术和数学算法的进步，虚拟设计技术（VirtualDesign）也得到了快速发展并逐渐成熟，已被用于各种不同行业。其中，虚拟设计技术中的多体动力学仿真技术已经被广泛应用到工程机械、国防工业、汽车工业等领域。尤其是在汽车制造业，多体动力学仿真技术的应用，使汽车的设计开发与传统设计流程相比，设计经费与周期等都得到大幅下降。本文根据实际的多刚体动力学仿真经验，提出的一些关于ADAMS软件仿真过程中“整车虚拟样机模型建立”、“模型验证”相关问题的探讨，以及针对汽车设计工作中多刚体动力学仿真技术的进一步完善所提出的合理化建议，将促进该技术更好的服务于汽车领域。
作者：李璐伶 单位：扬州盛达特种车有限公司
参考文献
[1]李鹏飞,马力,李立,满开美.基于多刚体动力学理论的摩托车平顺性仿真研究[J].摩托车技术.2005(12)
[2]许涛.汽车悬架多刚体动力学分析及九点控制[J].汽车工程师.2011(04)
