畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(guò)去繁雜的動(dòng)力學(xué)分析和求解過(guò)程變得簡(jiǎn)單起來(lái)。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(guò)對(duì)車輛進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)的研究，對(duì)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。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DYNAMICSIMULATIONANDRESEARCHOFARTICULATEDMININGDUMPTRUCKFRAMEABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERTECHNOLOGYTOCAD/CAETECHNOLOGYTOSUPPORTTHEPROGRESSIVEDEVELOPMENTOFTHEDESIGNANDDEVELOPMENTOFSPECIFICMODELSHASBEENAPPLIED,ESPECIALLYINADAMS,REPRESENTEDBYTHEEMERGENCEOFVIRTUALPROTOTYPINGSOFTWARE,MAKINGTHECOMPLEXDYNAMICSOFTHEPASTANDEASYUPTHESOLUTIONPROCESSINTHISPAPER,THETHEORYOFMULTIBODYDYNAMICSMETHODTOCOMPLETETHEMODELINSOLIDWORKSINITIALLYESTABLISHED,THEAPPLICATIONADAMS_VIEWESTABLISHEDSOMESORTOFMININGMULTIPLEDEGREESOFFREEDOMMODELARTICULATEDDUMPTRUCKVEHICLEINDIFFERENTROADCONDITIONSWASHBOARDROAD,FLATROAD,RECTANGULARPITROAD,VTYPEPITROAD,DELTABOSSROAD,BUMPAROUNDROAD,UPHILLSIDE,DOWNHILLSIDE,THEDYNAMICSPECTRUMOFSIMULATION,THROUGHTHEMULTIBODYVEHICLEDYNAMICSSTUDIES,THEFORCEOFTHEVEHICLEAREANALYZEDTOEXPLORETHEUSEOFTHEVEHICLEBYTHEFORCEOFADAMSSOFTWAREEVALUATIONMETHODSKEYWORDSMULTIBODYDYNAMICS,ADAMS,ROADSPECTRUM,DYNAMICSIMULATION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521多體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介522多剛體力學(xué)軟件概述723ADAMS軟件簡(jiǎn)介8231ADAMS基本功能8232ADAMS模塊8233ADAMS中的坐標(biāo)系10234ADAMS的求解12235ADAMS對(duì)模型中的剛體進(jìn)行柔性化12236ADAMS對(duì)模型的約束、載荷及驅(qū)動(dòng)施加133模型的建立與分析1531車體模型1532輪胎的選擇與參數(shù)1833道路模型214車架的動(dòng)態(tài)仿真2441仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)2442約束載荷驅(qū)動(dòng)的添加2543各種路譜的ADAMS分析28431搓板路ADAMS仿真28432平路面ADAMS仿真33433矩形坑路面ADAMS仿真37434V型坑路面ADAMS仿真43435三角凸臺(tái)路面ADAMS仿真47436左右顛簸路面ADAMS仿真52437上坡路面ADAMS仿真60438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801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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)無(wú)法預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)需求，為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(lái)贏得用戶和市場(chǎng)。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(guò)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(guò)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)一試驗(yàn)一設(shè)計(jì)過(guò)程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過(guò)程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期無(wú)法縮短，更不用談對(duì)市場(chǎng)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(duì)市場(chǎng)的占有。無(wú)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(wèn)題。要對(duì)快速多變的市場(chǎng)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(guò)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(lái)，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(lái)，零部件的CAD技術(shù)以及有限元分析技術(shù)FEA在國(guó)內(nèi)已有長(zhǎng)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(wú)法滿足開發(fā)的要求，對(duì)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MECHANICALSYSTEMSIMULATION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(duì)象的建模、分析與求解始終是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)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(lái)了很大困難。由于理論方法和計(jì)算手段的限制，該學(xué)科曾一度發(fā)展較為緩慢。主要障礙之一在于無(wú)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(wèn)題【2】。許多情況下，不得不把模型簡(jiǎn)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(wú)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?cè)谔幚砩鲜鰪?fù)雜問(wèn)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(lái)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(guó)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(guò)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(guò)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(duì)汽車系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，而且還有各種針對(duì)汽車某一類問(wèn)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(guó)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(shì)。目前市場(chǎng)上占有率最高的是美國(guó)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(lái)非常方便。國(guó)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(zhǎng)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78。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(cè)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(duì)汽車穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)中的牛頓歐拉方法，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(wèn)題納入整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的分析中，對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)約束條件把整個(gè)系統(tǒng)組裝起來(lái)聯(lián)合求解。文獻(xiàn)12中討論了離散化過(guò)程中各階模態(tài)的選擇對(duì)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(duì)汽車性能的影響及處理方法。在不少文獻(xiàn)中還研究了汽車碰撞過(guò)程中坐椅安全帶的變形對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的影響?？傊藗?cè)噲D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(lái)近似對(duì)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(lái)說(shuō)，汽車多體系統(tǒng)分析軟件可完成三項(xiàng)任務(wù)1對(duì)直接設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。2對(duì)己有的系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試評(píng)估。3對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)的分析，才能得到理想的效果。近年來(lái)，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(guó)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(guò)仿真分析中的反饋信息指導(dǎo)設(shè)計(jì)【1】。其中由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司MECHANICALDYNAMICSINC開發(fā)的ADAMSAUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEM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(guó)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(duì)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(duì)某轎車的懸架進(jìn)行了仿真分析23。2車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真理論及軟件21多體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)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(lái)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(guó)的RE羅伯森、TR凱恩，聯(lián)邦德國(guó)J維登伯格，蘇聯(lián)的EH波波夫等人先后提出了各自的方法來(lái)解決復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(lái)，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(wèn)題【17】。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中有以下幾種研究方法L牛頓歐拉方程法對(duì)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(guó)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)的牛頓歐拉方程后，將不獨(dú)立的笛卡爾廣義坐標(biāo)變換成獨(dú)立變量，對(duì)完整約束系統(tǒng)用ALEMBERT原理消除約束反力，對(duì)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。（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(duì)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RW方法REROBERSON和JWITTENBURG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(duì)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(duì)位移作廣義坐標(biāo)，對(duì)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)各類復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析。2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(wèn)題帶來(lái)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(wú)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(jiǎn)單的平面模型，而且更適用于復(fù)雜的三維空間模型。對(duì)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(duì)汽車平順性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性的影響綜合起來(lái)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(lái)，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牛頓歐拉法；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。22多剛體力學(xué)軟件概述1960年，美國(guó)通用汽車公司研制了一個(gè)動(dòng)力學(xué)分析軟件一一DYANADYNAMICANALYZER，該軟件主要是解決多自由度、無(wú)約束的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)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KAMKINEMATICANALYSISMETHOD，該軟件采用了MACHANCE矢量代數(shù)方法，對(duì)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(guó)的WISTONSIM大學(xué)的JJUICKER等人研究出了ADAMSAUTOMATICANALYSISDYNAMICOFMECHANICALSYSTEM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(wèn)題，側(cè)重于解決復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。1977年，美國(guó)LOWA大學(xué)的CAD中心在EJHAUY教授的引導(dǎo)下，研制了DADSDYNAMICANALYSISANDDESIGNSYSTEM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(wèn)世。總體來(lái)說(shuō)，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(wèn)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(wèn)題性質(zhì)選擇最有效的分析方法，這一點(diǎn)對(duì)于較復(fù)雜的汽車系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(wèn)題時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟1實(shí)際系統(tǒng)的多體模型簡(jiǎn)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。23ADAMS軟件簡(jiǎn)介231ADAMS基本功能ADAMSAUTOMATICDYNAMICANALYSISMECHANICALSYSTEM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(kù)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(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、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(lái)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(duì)于非完整約束或速度約束一般情況的零自由度系統(tǒng)。對(duì)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】。232ADAMS模塊ADAMS軟件經(jīng)過(guò)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(guò)用戶界面模塊對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且，針對(duì)特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)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/DMUREPLAY3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SUSPENSIONDESIGN動(dòng)力傳動(dòng)系模塊ADAMS/DRIVELINE駕駛員模塊ADAMS/DRIVE輪胎模塊ADAMS/TIRE柔性輪胎模塊FTIREMODULE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ACCESSORYDRIVEMODULE配氣機(jī)構(gòu)模塊ADAMS/ENGINEVALVETRAIN正時(shí)鏈模塊ADAMS/ENGINECHAIN4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VIRTUALTESTLAB虛擬試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析工具箱VIRTUALEXPERIMENTMODALANALYSIS齒輪傳動(dòng)工具箱ADAMS/GEARTOOL軟件開發(fā)工具包ADAMS/SDK飛機(jī)起落架工具箱ADAMS/LANDINGGEAR鋼板彈簧工具箱LEAFSPRINGTOOLKIT履帶/輪胎式車輛工具箱TRACKED/WHEELEDVEHICLE233ADAMS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(guò)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(lái)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(duì)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)DOFO時(shí)，對(duì)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(lái)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(lái)確定，是通過(guò)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(duì)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(wèn)題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(wú)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(duì)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。234ADAMS的求解ADAMS的整個(gè)計(jì)算過(guò)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?jǐn)?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(guò)程、運(yùn)算過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)機(jī)構(gòu)所加的作用力。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。235ADAMS對(duì)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(lái)的工作量將逐倍增大。236ADAMS對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)方式，為用戶提供了一個(gè)非常豐富的約束庫(kù)，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(lái)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(duì)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(jiǎn)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。拉壓彈簧阻尼器在具有一定距離的兩構(gòu)件間，施加一對(duì)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(duì)位移和相對(duì)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)JOINTMOTION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(duì)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23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。3模型的建立與分析31車體模型為了對(duì)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(jiǎn)單模型的裝配圖（圖21），主要包括主機(jī)架（圖22）、后機(jī)架（圖23）、車軸（圖24）、輪轂（圖25）、鋼板彈簧（圖26）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21裝配圖圖22主機(jī)架圖23后機(jī)架圖24車軸圖25輪轂圖26鋼板彈簧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(jiǎn)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。32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、UAUNIVERSITYOFARIZONA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(jiǎn)化的輪胎理論模型推導(dǎo)出的無(wú)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(jiǎn)單，對(duì)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(lái)自SMITHERSSEIENTIFICSERVICES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MAGICFORMULA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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)于不同的輪胎模型，ADAMS_TIRE根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(guò)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_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPETIRFILE_VERSION20FILE_FORMATASCIICOMMENTSCOMMENT_STRINGTIREXXXXXXPRESSUREXXXXXXTESTDATEXXXXXXTESTTIRENEWFILEFORMATV21UNITSUNITSLENGTHMETERFORCENEWTONANGLERADMASSKGTIMESECMODELMODELUSEMODE123RELAXATIONLENGTHSXSMOOTHINGXPROPERTY_FILE_FORMATUATIREUSE_MODE2DIMENSIONDIMENSIONUNLOADED_RADIUS05WIDTH019ASPECT_RATIO055PARAMETERPARAMETERVERTICAL_STIFFNESS50000000VERTICAL_DAMPING50ROLLING_RESISTANCE0003CSLIP80000CALPHA60000CGAMMA3000UMIN08UMAX11REL_LEN_LON06REL_LEN_LAT05SHAPESHAPERADIALWIDTH10001002100410061008091033道路模型在MSCADAMS中，道路時(shí)域、道路模型是通過(guò)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ROADBUILDER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(wú)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(duì)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(kù)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_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPERDFFILE_VERSION500FILE_FORMATASCIICOMMENTSCOMMENT_STRINGFLAT2DCONTACTROADFORTESTINGPURPOSESUNITSUNITSLENGTHMMFORCENEWTONANGLERADIANSMASSKGTIMESECMODELMODELMETHOD2DFUNCTION_NAMEARC901ROAD_TYPEFLATGRAPHICSGRAPHICSLENGTH1600000WIDTH800000NUM_LENGTH_GRIDS16NUM_WIDTH_GRIDS8LENGTH_SHIFT100000WIDTH_SHIFT00PARAMETERSPARAMETERSMU10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(guò)MODEL數(shù)據(jù)塊中的METHOD、ROAD_TYPE語(yǔ)句定義，MODEL數(shù)據(jù)塊定義的常用道路類型如下表31所示。表31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)。METHODFUNCTION_NAMEROAD_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ARC901STOCHASTIC_UNEVEN隨機(jī)不平路面3DARC904/NONE3D等效容積道路3D_SPLINEARC903/NONE3D樣條路面521ARC913FLAT或INPUT521輪胎模型專用路USERARC501自定義4車架的動(dòng)態(tài)仿真41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41所示。圖41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其中需要注意的問(wèn)題是軟件環(huán)境的設(shè)置，ADAMS中的默認(rèn)單位制是MMKGSRAD，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(guó)際單位可以任意組合。ADAMS中任何新建對(duì)象的材料屬性一律默認(rèn)為鋼STEEL，在創(chuàng)建完對(duì)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。42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(guò)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（42）圖42整體模型圖42輪胎處約束、驅(qū)動(dòng)圖42前橋處約束圖42后橋處約束圖42柔性梁的離散43各種路譜的ADAMS分析以下針對(duì)該車輛常見的各種路譜進(jìn)行ADAMS分析，提取行車過(guò)程中車架與各連接件以及其他連接部位的力曲線，并提取出相應(yīng)的峰值力及Y向力（豎直方向）。431搓板路ADAMS仿真A搓板路面形狀B搓板路面參數(shù)要求圖43搓板路面及參數(shù)1）路譜文件SINE3RDF路譜MDI_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPERDFFILE_VERSION500FILE_FORMATASCIICOMMENTSCOMMENT_STRINGUNITSUNITSLENGTHMFORCENEWTONANGLERADIANSMASSKGTIMESECDEFINITIONMODELMETHOD3DNODESNODESNUMBER_OF_NODES410NODEX_VALUEY_VALUEZ_VALUE15020250203005200042094012000454450152000069860220003797025200047980320001384042992001349405299520009424063020004764074020408402040945204104520ELEMENTSELEMENTSNUMBER_OF_ELEMENTS408NODE_1NODE_2NODE_3MU123123413451456156716781789140440540614054064071406407408140740840914084094101該路譜由“平路1正弦路1平路2正弦路2平路3”組成。其中平路1長(zhǎng)50M；正弦路1波長(zhǎng)314MM，振幅10MM，長(zhǎng)10M；平路2長(zhǎng)10M；正弦路2波長(zhǎng)1256MM，振幅40MM，長(zhǎng)10M；平路3長(zhǎng)10M。2）驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)STEPTIME,0,0,2,15STEPTIME,6,0,10,1135；仿真時(shí)間20S；仿真步長(zhǎng)2000；有效時(shí)間10S20S。3）重要連接部位動(dòng)態(tài)過(guò)程（力）車按通過(guò)搓板路面的參數(shù)并以7KM/H的速度通過(guò)搓板路面部分時(shí)，重要連接部件與車架連接處作用力的大小如圖44所示。A散熱器與前機(jī)架連接處B覆蓋件與前機(jī)架連接處C駕駛操縱與前機(jī)架連接處D廢氣處理箱與前機(jī)架連接處E燃油箱與前機(jī)架連接處F液壓油箱與前機(jī)架連接處G油氣罐與前機(jī)架連接處H補(bǔ)水箱與前機(jī)架連接處I變速箱與前機(jī)架連接處J貨物與后機(jī)架連接處K人與前機(jī)架連接處圖44重要連接部件與車架連接處力曲線4）各連接部位動(dòng)態(tài)過(guò)程峰值各連接部位動(dòng)態(tài)過(guò)程峰值時(shí)間、大小及Y向分力峰值如表41所示。表41峰值力及Y向分力峰值JOINT連接部件重量N峰值時(shí)間峰值NY向分力峰值N重量倍數(shù)1散熱器6501175120E03119418369232覆蓋件34001175450E03449113208823駕駛操縱8301175127E03126815277114廢氣處理03296116455燃油箱16001174236E03235314706256液壓油箱32201174478E03477514829197油氣罐5401173745E027451379638補(bǔ)水箱21001173278E03277513214299變速箱23501173314E033141133659610貨物795001678118E0511842014895611人3501175339E03339012前左輪和前橋1175521E045204713后左輪和后橋1678752E047522614前右輪和前橋1176491E044903015后右輪和后橋1417684E046834516鉸鏈1177324E043193617板簧和前機(jī)架左前端1177242E042302618板簧和前機(jī)架左后端1231334683267519左板簧和前橋1176500E044971220板簧和前機(jī)架右前端1178267E042543621板簧和前機(jī)架右后端1231254E042477622左板簧和后橋1416641E046412723右板簧和后橋1416661E046609924板簧和后機(jī)架左前端1751379E043674625板簧和后機(jī)架左后端1414349E043415326板簧和后機(jī)架右前端1751400E043890527板簧和后機(jī)架右后端1676375E043662128右板簧和前橋1176430E044257029發(fā)動(dòng)機(jī)和車架1662144E