矿用铰接式自卸车车架动态仿真与研究毕业设计

大学 届毕业设计说明书I毕业设计说明书矿用铰接式自卸车车架动态仿真与研究摘 要随着计算机技术的发展，以 CAD/CAE 为支撑的设计技术逐步得到发展并在具体型号的研制中得到应用，尤其是以 ADAMS 为代表的虚拟样机技术软件的出现，使得过去繁杂的动力学分析和求解过程变得简单起来。本文采用多刚体系统动力学的理论方法，在 solidworks 中完成模型的初步建立，应用 ADAMS_View 建立了某种矿用铰接式自卸车整车多自由度模型，在不同路谱条件下（搓板路，平路，矩形坑路面，V 型坑路面，三角凸台路面，左右颠簸路面，上坡路面，下坡路面）进行动态模拟仿真，通过对车辆进行多体动力学的研究，对车辆的受力进行了分析， 探索运用 ADAMS 软件评价整车受力的方法。大学 届毕业设计说明书II关键词：多刚体系统动力学，ADAMS 软件，路谱，动态模拟仿真大学 届毕业设计说明书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大学 届毕业设计说明书IV目 录1 绪 论 .12 车辆运动学/动力学仿真理论及软件 52.1 多体动力学简介 52.2 多刚体力学软件概述 72.3 ADAMS 软件简介 82.3.1 ADAMS 基本功能 .82.3.2 ADAMS 模块 .82.3.3 ADAMS 中的坐标系 .102.3.4 ADAMS 的求解 .122.3.5 ADAMS 对模型中的刚体进行柔性化 122.3.6 ADAMS 对模型的约束、载荷及驱动施加 133 模型的建立与分析 .153.1 车体模型 .153.2 轮胎的选择与参数 183.3 道路模型 214 车架的动态仿真 .244.1 仿真平台的总体设计 .244.2 约束载荷驱动的添加 .254.3 各种路谱的 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 三角凸台路面 ADAMS 仿真 474.3.6 左右颠簸路面 ADAMS 仿真 .524.3.7 上坡路面 ADAMS 仿真 .60大学 届毕业设计说明书V4.3.8 下坡路面 ADAMS 仿真 .645 总结 .69附录 车辆轮胎的添加 .70参考文献 .78致 谢 .80大学 届毕业设计说明书11 绪 论随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求，为了提高产品竞争力，就要求各类制造企业以最短的产品开发时间(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低的生产成本(Cost)和最佳的服务(Service)来赢得用户和市场。传统的产品设计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，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的，当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本，严重地制约了产品质量提高、成本降低和对市场的占有。无法从根本上解决和从总体上把握产品设计的时间、质量、成本等问题。要对快速多变的市场需求做出敏捷响应，就必须寻求先进的设计方法和手段，通过在计算机上进行运动模拟仿真，再进行有限元分析就可以大大降低成本，缩短设计周期。近年来，并行工程的概念在工程应用中日益受到广泛重视，按照并行工程概念组织产品的设计到生产，可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件设计 【1】 。80 年代以来，零部件的 CAD 技术以及有限元分析技术(FEA)在国内已有长足的发展，随着产品开发周期的不断缩短，单独零部件的分析技术无法满足开发的要求，对整体系统的设计、分析与优化逐渐放在首位。机械系统仿真分析(MSS 即 Mechani Cal System Simulation)技术将分散的零部件设计和分析技术，如单一系统零部件的 CAD 和 FEA 技术揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，从而真正地实现并行工程设计要求 【1】 。90 年代，随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，MSS 技术在汽车工业的应用得到广泛发展。在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始终是一个关键性问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人车环境的相互作用，给汽车动力学研究带来了很大困难。由于理论方法和计算大学 届毕业设计说明书2手段的限制，该学科曾一度发展较为缓慢。主要障碍之一在于无法有效的处理复杂受力下多自由度分析模型的建立和求解问题 【2】 。许多情况下，不得不把模型简化，以便使用古典力学的方法人工求解，从而导致汽车的许多重要的特性无法得到较精确的定量分析。计算机技术的迅猛发展，使我们在处理上述复杂问题方面产生了质的飞跃。有限元分析技术、模态分析技术以及随后出现的多体系统动力学正是在这种情况下发展起来的。这些理论方法出现以后很快在汽车技术领域中得到了应用 【3】 。国外汽车动力学中的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的发展过程。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型；模型的自由度由二个自由度发展到数十个自由度，文献4概述了这一发展过程。模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的模拟研究。文献5介绍了多体动力学程序在汽车中的模拟应用情况，但几乎都是采用多刚体系统模型，文献6考虑了弹性车架的汽车模型，但也仅仅建立了只含两个物体的汽车模型。到了 80 年代初，不仅有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。80 年代中期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。国外各主要汽车厂家和研究机构在其 CAD 系统中安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。商品化的多体软件的销售量呈上升趋势。目前市场上占有率最高的是美国 MDI 公司开发的 ADAMS，其中汽车行业的使用率为 43%，该软件在为客户提供通用平台同时，还专门提供了用于车辆分析的专门模块(ADAMS_Car)，使用起来非常方便。国内在汽车动力学的研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起步较晚。七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究 78。研究工作集中在平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。力学模型从七十年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向系在内的三至五自由度乃至十三个自由度的非线性模型，其功能也从对汽车稳定性的稳态响应大学 届毕业设计说明书3和瞬态响应的分析 8，发展到汽车转弯制动性能的分析 2。此外，文献16首次分析了汽车悬置以上结构弹性体的一阶扭转振动对摆振性能的影响。1986 年，吉林工业大学的温吾凡等人利用多刚体系统动力学方法，对二维刚体系统进行运动学分析，并编制了一个人机对话型的分析程序。1989 年，吉林工业大学的林逸利用 R 一 W 方法，建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序 9。1991 年，第二汽车制造厂的上宫文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。北京农业工程大学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设计软件 GMCADS，用于分析平面和空间机构的运动学及动力学性能。1992 年，清华大学的张海岑采用多刚体力学中的牛顿欧拉方法，建立了汽车列车七十四个自由度的非线性数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性。1994 年，清华大学的刘红军在管迪华教授指导下用虚拟刚体结构法和弹性子结构法把弹性问题纳入整车多体系统动力学的分析中，对汽车摆振系统进行了建模和计算。吉林工业大学的陈欣在博士论文中，着重研究了汽车悬架中的柔性体对悬架性能的影响。1997 年，清华大学的张今越采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统分析软件 ADAMS，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素(橡胶减振元件)对动力学性能的影响 3。90 年代初人们开始把多柔体系统动力学理论和方法用于汽车技术领域，这标志着汽车多体系统动力学向新的层次发展，许多有益的工作值得借鉴。在文献10中，把车身处理为柔性体，为了减少自由度采用了集中质量法的离散化过程，并考虑了转动惯量的影响。在文献11中采用了子结构的分析技术，汽车悬架处理为子结构，采用模态综合方法用模态坐标描述车身的变形，通过约束条件把整个系统组装起来联合求解。文献12中讨论了离散化过程中各阶模态的选择对计算精度的影响。在文献12和13中讨论了悬架系统中广泛采用的弹性约束(橡胶铰链)对汽车性能的影响及处理大学 届毕业设计说明书4方法。在不少文献中还研究了汽车碰撞过程中坐椅安全带的变形对人体运动的影响。总之，人们试图用各种有效的方法将柔性体的力学效应并入多体动力学方程中进行分析和求解。这些方法即有探索直接建立和求解刚柔混合的多体动力学方程的方法，也有采用现有的多刚体系统动力学软件来近似对多柔性体系统进行分析的方法。从整个汽车以 CAE(计算机辅助工程)的角度来说，汽车多体系统分析软件可完成三项任务:(1)对直接设计的系统进行性能预测。(2)对己有的系统进行性能测试评估。(3)对原有的设计进行改进。分析的范围包括:运动分析、静态分析、准静态分析、动态分析、灵敏度分析等。此外，还对前后处理提出较高的要求，如建模功能；曲线(频域和时域)、表格、图形(包括动画)的输出等等，以便高效率地完成上述三项任务。多柔性体系统动力学是一种普遍的方法，但在各行各业的应用中分析对象的结构和性能要求有很大差异，所以在分析内容上也有侧重。汽车系统同航天器、机器人以及其它机械系统有明显的不同，在汽车多体动力学的研究中要充分考虑其特殊性，进行有针对的分析，才能得到理想的效果。近年来，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IMP、ADAMS、DAMN 等。所谓 MSS 技术，即把分散的零部件设计与分析技术结合在一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的反馈信息指导设计 【1】 。其中由美国机械动力公司(Mechanical DynamicsInc)开发的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)最有代表性，它采用模拟样机技术，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，并提供与其他 CAE 软件如控制分析软件 Matrixs、有限元分析软件 ANSYS 等的集成模块扩展设计手段。ADAMS 是当前求解机械系统空间位移运动力学的主要软件，在汽车、航空等领域有广泛的应用 【17】 。最近两年，国内主要的汽车厂家:汇众、北汽福田、天津汽车技术中心等单位已经在其开发新产品、改型等工作中使用 ADAMS。2000 年，北汽福田的许先锋等工程师利用ADAMS 对某轻卡货车进行了汽车操纵稳定性仿真分析 【22】 ，上海汇众的周俊龙等利用ADAMS_Car 对某轿车的悬架进行了仿真分析 23。大学 届毕业设计说明书52 车辆运动学/ 动力学仿真理论及软件2.1 多体动力学简介多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔性体系统动力学，是研究多体系统(一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学 【16】 。多体动力学是在经典力学基础上发展起来的与运动和生物力学、航天器控制、机器人动力学、车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的分支。六十年代至七十年代初，美国的 R.E.罗伯森、T.R.凯恩，联邦德国 J.维登伯格，苏联的 E.H.波波夫等人先后提出了各自的方法来解决复杂系统的动力学问题，于是，将古典的刚体力学、分析力学与现代的电子计算机技术相结合的力学新分枝多刚体系统动力学便诞生了。近二十年来，由于各种复杂机械系统的高性能、高精度的设计要求，加之高速度、大容量、多功能现代计算机的发展及计算方法的成熟，多体力学由早期的多刚体系统动力学发展为多柔体系统动力学。这门边缘学科以当代航天事业的发展为标志，研究的领域包括了宏观世界机械运动的主要问题 【17】 。多刚体系统动力学中有以下几种研究方法:(l)牛顿欧拉方程法：对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时，铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，故即使直接采用牛顿一欧拉方法，也必须加以发展，制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动消除铰约束能力。德国学者 Schiehlen 在这方面做了大量工作。其特点是在列写出系统的牛顿欧拉方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，对完整约束系统用 Alembert 原理消除约束反力，对非完整约束系统用 Jourdain 原理消除约束反力，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程，希林等人编制了符号推导的计算机程序 NEWEUL。大学 届毕业设计说明书6（2）拉格朗日方程法：由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉格朗日坐标将十分困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标比较方便，对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉氏方程处理是十分规范化的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。Chance 等人应用吉尔(Gear)的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编制了 ADAMS 程序；Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了 DADS 程序。（3）图论(RW)方法:R.E.Roberson 和 J.wittenburg 创造性的将图论引人多刚体系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成功地描述了系统内各刚体之间的联系状况，即系统的结构。RW 方法以十分优美的风格处理了树结构的多刚体系统。对于非树系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。RW 方法以相邻刚体之间的相对位移作广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，并据此推导了系统的运动微分方程，相应的程序有 MESAVERDE。（4）凯恩方法:R 一 W 方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式；而凯恩方法提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，广义速度的选择也需要一定的经验和技巧，这是它的缺点，但这种方法不用动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算，节省时间。（5）变分方法:在经典力学中，变分原理只是对力学规律的概括，而在计算技术飞速发展的现代，变分方法已成为可以不必建立动力学方程而借助于数值计算直接寻求运动规律的有效方法。变分方法主要用于工业机器人动力学，有利于结合控制系统的优化进行综合分析，对于变步态系统，可以避免其它方法每次需重建微分方程的缺点。多刚体系统动力学理论有很多优点:1.适用对象广泛。由于多刚体系统动力学由计算机按程式化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种连接方式的系统进行计算，因此其通用性非常强，同一程式可对各类复杂系统进行分析。大学 届毕业设计说明书72.可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合系统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大方便，能够使计算结果更符合实际。3.模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程，模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂直方向、前后水平方向及横向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影响综合起来研究。柔性体系统不同于多刚体系统，它包含有柔性部分，其变形不可忽略，其逆运动学是不确定的；它与结构力学不同，部件在自身变形运动同时，空间中经历着较大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈耦合；与一般系统不同，它是一个时变、高度祸合、高度非线性的复杂系统。归纳起来，柔性多体系统动力学方程的建立主要有三类方法:(1)牛顿欧拉法；(2)虚位移法；(3)上述二种方法的各种变形方法。如较有影响的 Kane 方法等。2.2 多刚体力学软件概述1960 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件一一 DYANA(Dynamic ANAlyzer)，该软件主要是解决多自由度、无约束的机械系统动力学问题。1964 年，IBM 公司为汽车工业研制了运动学分析软件 KAM(Kinematic Analysis Method)，该软件采用了 M.A.Chance 矢量代数方法，对单运动链单自由度机械进行位置、速度、加速度分析。随着多刚体系统动力学的诞生和发展，1972 年，美国的 Wistonsim 大学的J.J.Uicker 等人研究出了 ADAMS(Automatic Analysis Dynamic of Mechanical System)机械系统的自动动力学分析软件，它能分析软件，它能分析二维、三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统的动力学问题。1977 年，美国 lowa 大学的 CAD 中心在 E.J.Hauy 教授的引导下，研制了 DADS(Dynamic Analysis and Design System 动力学分析和设计系统)目前，世界上已经约有十七种基于不同方法的多体运动分析软件问世。大学 届毕业设计说明书8总体来说，多体系统动力学的方法是一种高效率、高精度的分析方法。然而在解决实际问题时，如果处理不当，不仅使工作量增加，而且也得不到满意的结果，应用中要根据具体情况和所研究的问题性质选择最有效的分析方法，这一点对于较复杂的汽车系统来说尤为重要，应用多刚体系统动力学理论解决实际问题时，一般要经过以下几个步骤:(1)实际系统的多体模型简化；(2)自动生成动力学方程；(3)准确地求解动力学方程，最终得到准确的结果。2.3 ADAMS 软件简介2.3.1 ADAMS 基本功能ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)是较权威的机械系统仿真设计软件，工程中利用 ADAMS 交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。ADAMS 自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或 X 一 Y 曲线图形，ADAMS 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，支持 ADAMS 同大多数 CAD、FEA 及控制设计软件包之间的双向通讯。ADAMS 软件的功能如下:l)可有效地分析三维机构的运动与力。例如可以利用 ADAMS 来模拟作用在轮胎上的垂直、转向、牵引、制动、力与力矩；可以分析前悬架、转向系统在跳动、转向时各前轮定位角的变化、有没有运动干涉；还可以应用 ADAMS 进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。2)利用 ADAMS 可模拟有较大位移动作的系统。ADAMS 很容易处理这种模型的非线性方程。3)可分析运动学静定(对于非完整约束或速度约束一般情况的零自由度)系统。对于一个或多个自由度机构，ADAMS 可完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析 【18】 。大学 届毕业设计说明书92.3.2 ADAMS 模块ADAMS 软件经过几十年的发展，功能已日益完善，现由基本模块、扩展模块、专业领域模块、接口模块和工具箱 5 类模块组成。用户不仅可以通过用户界面模块对一般的机械系统进行仿真，而且，针对特定工业应用领域的问题还可以采用专用模块进行快速有效的建模与仿真 【20】 。另外，ADAMS 软件所包含的模块如下所示:1.基本模块中文模块名 英文模块名用户界面模块 ADAMS/Viewer求解器模块 ADAMS/Solver后处理模块 ADAMS/Postprocessor2.扩展模块中文模块名 英文模块名振动分析模块 ADAMS/Vibration液压系统模块 ADAMS/Hydraulics试验设计与分析模块 ADAMS/Insight耐久性分析模块 ADAMS/Durability线性化分析模块 ADAMS/Linear高速动画模块 ADAMS/Animation数字化装配回放模块 ADAMS/DMU Replay3.专业领域模块中文模块名 英文模块名轿车模块 ADAMS/Car概念化悬架模块 CSM悬架设计软件包 Suspension Design动力传动系模块 ADAMS/Driveline驾驶员模块 ADAMS/Drive大学 届毕业设计说明书10轮胎模块 ADAMS/Tire柔性轮胎模块 F Tire Module柔性体生成器模块 ADAMS/FBG发动机设计模块 ADAMS/Engine经验动力学模型 EDM底盘模块 ADAMS/Chassis铁路车辆模块 ADAMS/Rail附件驱动模块 Accessory Drive Module配气机构模块 ADAMS/Engine Valve train正时链模块 ADAMS/Engine Chain4.接口模块中文模块名 英文模块名控制模块 ADAMS/Controls柔性分析模块 ADAMS/Flex图形接口模块 ADAMS/ExchangePro/E 接口模块 Mechanical/PreCATIA 专业接口模块 CATIA/ADAMS5.工具箱中文模块名 英文模块名虚拟试验工具箱 Virtual Test Lab虚拟试验模态分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis齿轮传动工具箱 ADAMS/Gear Tool软件开发工具包 ADAMS/SDK飞机起落架工具箱 ADAMS/landing Gear钢板弹簧工具箱 Leaf spring Toolkit履带/轮胎式车辆工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle大学 届毕业设计说明书112.3.3 ADAMS 中的坐标系ADAMS 了两种直角坐标系:总体坐标系和局部坐标系，它们之间通过关联矩阵相互转换。总体坐标系是固定坐标系，它不随任何机构的运动而运动。它是用来确定构件的位移、速度、加速度等的参考系。局部坐标系因定在构件上，随构件一起运动。构件在空间内运动时，共运动的线物理量(如线位移、线速度、线加速度等)和角物理量(如角速度、角位移、角加速度)都可由局部坐标系相对于总体坐标系移动、转动时的相应物理量确定。而约束方程表达式均由相连接的两构件的局部坐标系的坐标描述。机构的自由度(DOF)是机构所具有的可能的独立运动状态的数目。在 ADAMS 软件中，机构的自由度决定了该机构的分析类型:运动学分析或动力学分析。当 DOF=O 时，对机构进行运动学分析，即仅考虑系统的运动规律，而不考虑产生运动的外力。在运动学分析中，当某些构件的运动状态确定后，其余构件的位移、速度和加速度随时间变化的规律，不是根据牛顿定律来确定的，而是完全由机构内构件间的约束关系来确定，是通过位移的非线性代数方程与速度、加速度的线性代数方程迭代运算解出；当 DOFO时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保守力的作用而引起的宁并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的规律。它又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态静力学分析。动力学的运动方程就是机构中运动的拉格朗乘子微分方程和约束方程组成的方程组:当 DOF0在计算机械系统自由度时应注意以下一些特殊问题:大学 届毕业设计说明书12(l)复合铰链两个以上的构件同在一处以转动副相联接，构成了所谓复合铰链，当有 m 个构件(包括固定构件)以复合铰链相连接时，其转动副的数目应为(m 一 l)个。(2)局部自由度与机械系统中需要分析的构件运动无关的自由度称为局部自由度，在计算机械系统自由度时，局部自由度可以除去不计。(3)起重复限制作用的约束称为虚约束，因此，虚约束又称为多余约束，虚约束的存在虽然对机械系统的运动没有影响，但引入虚约束后不仅可以改善机构的受力情况，还可以增加系统的刚性，因此在机械系统的结构中得到较多的使用。但计算机在求解运动方程组时，不应有虚约束的存在，因此，计算机进行机械系统运动分析时，程序将自动地查找虚约束，如果机械模型中有虚约束存在，计算机会随机地将多余的虚约束删除，这种处理方法使得计算结果同实际情况有所不同，而且可能出现多组解。2.3.4 ADAMS 的求解ADAMS 的整个计算过程(指从数据的输入到结果的输出，不包括前、后处理功能模块)可以分成几个部分:数据的输入、数据的检查、机构的装配及虚约束的消除、运动方程的自动形成、积分迭代运算过程、运算过程中的错误检查和信息输出、结果的输出。模型的组成及定义如下:(l)构件(part):它是机构内可以相互运动的刚体或刚体固定件。当定义构件时，需要给出构件局部坐标系的原点及方向，构件质心的位置，质量某参考坐标系的转动惯量、惯性积等。在机构中，还要定义一个固定件(ground)作为参考系。(2)标识点(marker):它是构件内具有方向失量点。用标识点可以表明两构件约束的连接点是相对运动方向、作用力的作用及方向等，在定义标识点时，除了定义它所在的构件外，还要定义该标识点的方向。（3）约束(constraint):它是机构内两构件间的连接关系。（4）运动激励(或驱动):它是机构内一个构件相对于另一构件按约束允许的运动方式，以给定的规律一进行的运动，该运动不受机构运动的影响。(5)力:它包括机构内部产生的作用力和外界对机构所加的作用力。大学 届毕业设计说明书13(6)属性文件:属性文件是指减振器的速度与力的关系、轮胎的属性或者是各种试验数据等的文件。2.3.5 ADAMS 对模型中的刚体进行柔性化最直接的方法可在 ADAMS 环境中创建柔性梁，还可以采用间接的方法，把刚性模型导入到有限元分析软件(如 ANSYS)中进行细化，然后再将细化后的模型导进 ADAMS 中，而这里为了方便建模采取第三种方法，就是直接运用 ADAMS/view 提供的功能模型把模型中需要软化的刚性进行柔性化，只需输入细化后的小个体大小值、模态阶数等。注意的是，细化程度越大(也就细化成的小个体数量越小越多)，给计算机带来的工作量将逐倍增大。2.3.6 ADAMS 对模型的约束、载荷及驱动施加本课题所涉及到的 ADAMS 功能操作只是 ADAMS 软件中的一小部份。(1)施加约束.ADAMS/View 中约束定义了构件(刚体、柔性体和点质量)间的连接方式和相对运动方式，为用户提供了一个非常丰富的约束库，主要包括:理想约束，有转动副移动副和圆柱副等，虚约束，用来限制构件某个运动方向；运动产生器，驱动构件以某种方式运动；接触限制，定义两构件在运动中发生接触时的相互约束关系。.旋转副与移动副的创建都有三种方式，这里只介绍一种:两个构件一个位置(2Bod一 1Loc)，即选择需连接的两个构件和一个连接位置，此时约束固定在第一个构件上，第一个构件相对于第二个构件运动。(2)施加载荷载荷并不完全阻止或描述运动，因此并不会使系统自由度增加或减少，一些载荷阻止运动的进行，一些载荷促进运动的进行，ADAMs/View 为用户提供了四种类型的载荷:作用力；柔性连接，阻碍运动的进行，用户只需提供产生通用性连接力的常系数，因此柔性连接比作用力更简单易用；特殊力，如轮胎力和重力；接触，接触定义了运动模型中相互接触构件间的相互作用关系。大学 届毕业设计说明书14拉压弹簧阻尼器在具有一定距离的两构件间，施加一对带有阻力的弹簧力，力的大小线性地取决于弹簧阻尼器两端点间的相对位移和相对速度，施加弹簧阻尼器要求用户在两构件上指定弹簧阻尼器两端点的位置，作用力作用在先选择的位置上，ADAMS/Solver 自动在后选择的位置施加和一个作用力大小相等方向相反的反作用力。接触力是一种作用在构件上的特殊力，当两个构件相互接触发生变形时，产生接触力，接触力的大小与变形的大小和变形速度有关，如果两个构件相互分开不接触，则接触力为零。(3)施加驱动只有施加驱动才能让整个模型进行动态仿真，也就是给模型创建运动。运动副运动(Joint Motion)定义了移动副、转动副或圆柱副中移动或转动运动，相应的运动副运动去除相应的自由度，本课题中的运动只需运用运动副中的转动副，转动副消除了两个构件间的 3 个移动自由度和 2 个转动自由度。对于旋转运动，约束构件 1 按右手定则绕构件 2 的 Z 轴旋转，要求构件 1 的 Z 轴必须始终同构件 2 的 Z 轴保持平行，当夹角为零时，构件 1 的 X 轴同构件 2 的 X 轴平行。这里要注意的是:如果定义的运动导致非零的初始加速度，ADAMS/Solver 在运动学仿真的最初 23 步积分分析中，可能会产生不可靠的加速度，ADAMS/Solver 在输出时，会自动纠正这些错误。创建运动副运动时，需要在设置栏输入速度值，也可以用函数表达式或自编子程序定义运动值，这时产生的运动将更加复杂。大学 届毕业设计说明书153 模型的建立与分析3.1 车体模型为了对矿用铰接式自卸车进行动态模拟仿真，首先要在 solidworks 中建立一个简单模型的装配图（图 2.1） ，主要包括主机架（图 2.2） 、后机架（图 2.3） 、车轴（图2.4） 、轮毂（图 2.5） 、钢板弹簧（图 2.6）与轮胎，基本上包含了矿用铰接式自卸车的主要部件，可以较精确的完成车架的模拟仿真，并作出相应的分析。图 2.1 装配图图 2.2 主机架大学 届毕业设计说明书16图 2.3 后机架图 2.4 车轴大学 届毕业设计说明书17图 2.5 轮毂图 2.6 钢板弹簧大学 届毕业设计说明书18矿用铰接式自卸车的主体是由主机架和后机架组成的，然后由车轴进行支撑与传动，在车架与车轴中间有起到减震作用的钢板弹簧，再加上轮胎就可以组成简化的模型，其中轮胎是在 ADAMS 软件中添加的，下面重点介绍下轮胎的添加与道路模型。3.2 轮胎的选择与参数ADAMS 软件提供了四种用于动力学仿真计算的轮胎模型。即默认的 Fiala 模型、UA(University of Arizona)模型、Smithers 模型、DELET 模型，此外还可由用户自定义模型。其中 Fiala 模型是 Fiala 在 1954 年由简化的轮胎理论模型推导出的无量纲解析式，该模型计算纵向力、侧向力、垂直力、回正力矩、滚动阻力矩随侧偏角、滑移率及垂直方向变形的变化规律，外倾推力没有计入模型。该模型比较简单，对于不包括联合滑动(纵向滑动、侧向滑动)的情况下，侧向力的计算精度尚可，回正力矩误差较大；UA 模型是 1988 年由 Arizona 大学的 Nikravesh 和 Gim 等人研制开发的，其特点是各方向的力和力矩由耦合的侧偏角、滑移率、外倾角及垂直方向变形等参数显式表达，该模型考虑了纵向和侧向联合滑动的情况，因而准确、全面，比 Fiala 模型提供较准确的回正力矩值，但回正力矩计算仍存在一定误差，以上两种轮胎模型属于解析模型；Smithers 模型使用来自 Smithers Seientific Services 的数据计算侧向力和回正力矩，使用 Fiala 模型计算其余的力和力矩。该模型计算精度较高，但只有在获取了他们提供的轮胎试验数据的前提下才能使用；DELET 模型又称 Magic Formula 模型，是世界上著名的轮胎模型，其函数表达式和数据格式与其他的轮胎模型不同，该模型所有的函数、公式只用正弦、余弦这两个三角函数来表达。ADAMS 软件中的 DELET 模型中的数据文件由十一块组成，每一块都有独立的数据单元，分别模拟轮胎的不同工况。用户自定义模型需要编写子程序，各方向力、力矩的计算根据试验数据进行插值计算得到，其模型精度取决于试验精度和建模的合理性。以上两种轮胎模型属于试验模型【20】 【21】 。建立 ADAMS 轮胎模型时，需提供相应的轮胎特性文件。其中包含的轮胎特性参数有:车轮自由半径、轮胎径向刚度、纵向滑移刚度、侧偏刚度、外倾刚度、径向相对阻尼系数、滚动阻力系数、静摩擦系数、动摩擦系数，任一时刻，轮胎相对于路面的运动产生的轮胎变形和侧偏角等运动信息。对于不同的轮胎模型，ADAMS_Tire 根据运动大学 届毕业设计说明书19信息和轮胎特性参数，采用相应的计算公式计算各时刻轮胎接地点处的六个作用力。这个过程，如此循环，直到达到要求的仿真时间。根据上面的分析，本文进行的动力学仿真分析采用了 UA 模型，UA 轮胎模型属性文件如下：$-MDI_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPE = tirFILE_VERSION = 2.0FILE_FORMAT = ASCII(COMMENTS)comment_stringTire - XXXXXXPressure - XXXXXXTest Date XXXXXXTest tireNew File Format v2.1$-unitsUNITSLENGTH = meterFORCE = newtonANGLE = radMASS = kgTIME = sec$-modelMODEL! use mode 1 2 3 ! -! relaxation lengths X 大学 届毕业设计说明书20! smoothing X !PROPERTY_FILE_FORMAT = UATIREUSE_MODE = 2$-dimensionDIMENSIONUNLOADED_RADIUS = 0.5WIDTH = 0.19ASPECT_RATIO = 0.55$-parameterPARAMETERVERTICAL_STIFFNESS = 50000000VERTICAL_DAMPING = 50ROLLING_RESISTANCE = 0.003CSLIP = 80000CALPHA = 60000CGAMMA = 3000UMIN = 0.8UMAX = 1.1REL_LEN_LON = 0.6REL_LEN_LAT = 0.5$-shapeSHAPEradial width1.0 0.01.0 0.21.0 0.4大学 届毕业设计说明书211.0 0.61.0 0.80.9 1.03.3 道路模型在 MSC.ADAMS 中，道路时域、道路模型是通过属性文件表达的，属性文件的创建时使用独立插件 Road Builder 路面建模器完成的，老版本的 ADAMS 路面建模器需要单独的许可证，可以生成后缀名为.rdf 的 TeimOrbit 格式路面文件。自 2005 版后，路面建模器已经作为一个标准插件集成到 ADAMS 中，但只支持 XML 格式的 3D 路面文件。目前的状态是 TeimOrbit 和 XML 两种格式并存，其中 TeimOrbit 格式的路面文件既有 2D 也有 3D 的。但是，无论是哪种格式其路面参数的关键词以及定义方式是不变的。了解 TeimOrbit 格式的关键词对于使用 XML 格式文件有很大的帮助。所谓 2D 路面是指路面参数只用 XZ 平面的点定义而形成的一条二维曲线，3D 路面是三维平滑路面的统称。2D 和 3D 都可以定义路面的基本形状和各种缺陷（如凹坑、波纹等） ，在共享数据库中的路面文件是以这些基本特征命名的。例如在操纵性仿真中常用的二维平整路面文件如下所示：$-MDI_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPE = rdfFILE_VERSION = 5.00FILE_FORMAT = ASCII(COMMENTS)comment_stringflat 2d contact road for testing purposes$-UNITSUNITSLENGTH = mmFORCE = newton大学 届毕业设计说明书22ANGLE = radiansMASS = kgTIME = sec$-MODELMODELMETHOD = 2DFUNCTION_NAME = ARC901ROAD_TYPE = flat$-GRAPHICSGRAPHICSLENGTH = 160000.0WIDTH = 80000.0NUM_LENGTH_GRIDS = 16NUM_WIDTH_GRIDS = 8LENGTH_SHIFT = 10000.0WIDTH_SHIFT = 0.0$-PARAMETERSPARAMETERSMU = 1.0路面文件的结构分为几个数据块，其中MDI_HEADER数据块、UNITS数据块的定义与其他属性文件一样，MODEL数据块定义路面的类型，GRAPHICS数据块定义路面几何图形，PARAMETERS数据块定义路面的如摩擦系数、几何形态等参数。道路的类型在 TeimOrbit 格式的道路属性文件中通过MODEL数据块中的METHOD、ROAD_TYPE 语句定义，MODEL数据块定义的常用道路类型如下表 3.1 所示。大学 届毕业设计说明书23表 3.1 数据块定义 FUNCTION_NAME函数名称变量指路面与轮胎接触函数 ID 号。METHOD FUNCTION_NAME ROAD_TYPEDRUM 轮胎转鼓试验台FLAT 平整路面PLANK 矩形凸块路POLY_LINE 折线路面POT_HOLE 凹坑路面RAMP 斜坡路面ROOF 三角形凸块路面SINE 正弦波路面SINE_SWEEP 正弦变波纹路面2D二维路面 ARC901STOCHASTIC_UNEVEN 随机不平路面3D ARC904/none 3D 等效容积道路3D_SPLINE ARC903/none 3D 样条路面5.2.1 ARC913 FLAT 或 INPUT 521 轮胎模型专用路USER ARC501 自定义大学 届毕业设计说明书244 车架的动态仿真4.1 仿真平台的总体设计本仿真软件系统基本操作流程如图 4.1 所示。图 4.1 流程图START配置系统参数创建关节约束ADAMS 基本建模工具三维实体建模软件 创建模型定义材料属性施加力和力矩设置环境参数设置仿真参数开始仿真End大学 届毕业设计说明书25其中需要注意的问题是软件环境的设置，ADAMS 中的默认单位制是 mm Kg s rad，必须注意单位，否则将出现不可预知的错误，用户可以修改单位至任何想要的单位制，各个国际单位可以任意组合。ADAMS 中任何新建对象的材料属性一律默认为钢(Steel)，在创建完对象后，用户可以修改其材料属性；用户也可以修改其材料属性；用户也可以自己定义一种新材料。4.2 约束载荷驱动的添加把模型导入 ADAMS 中，把所有部件材料都设置为钢，然后添加运动副，经过分析，模型共有固定副 10 个，旋转副 5 个，滑移副 4 个（需特别注意工作栅格的方向） ，然后添加轮胎（选取 UA 模型） ，添加路面文件，添加完驱动后就可以进行动态仿真。模型如图（4.2）图 4.2 整体模型