【正文】 可以快速建立高精度的整車虛擬樣機(jī)，其中包括懸架、車身、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)等，用戶可通過(guò)高速動(dòng)畫(huà)直觀地再現(xiàn)在各試驗(yàn)工況下的整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操作穩(wěn)定性、制動(dòng)性、平順性和完全性的參數(shù)，用戶還可以通過(guò)在各種不同的路面工況下進(jìn)行仿真，分析模型的操縱穩(wěn)定性，安全性，平順性及其它性能參數(shù)。 在 ADAMS 軟件中，還含有概念化懸架模塊、駕駛員模塊、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模塊、經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模塊及振動(dòng)分析模塊等。用戶在進(jìn)行建模時(shí)，在相應(yīng)模板中輸入必要的數(shù)據(jù)，就可以快速建立包括 車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等在內(nèi)的高精度的整車虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行仿真。 ADAMS 軟件的日常汽車開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，許多汽車廠商在進(jìn)行汽車研發(fā)中都使用到 ADAMS 軟件。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 在 ADAMS/Car環(huán)境下建立整車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，分為以下幾個(gè)步驟： 1) 首先將整車各子系統(tǒng)進(jìn)行分解及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)抽象分析，然后構(gòu)建各子系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。 2) 在建模過(guò)程中最重要的部分就是建立模板，在 template builder 下建立各子系統(tǒng)的 template 文件，定義各子系統(tǒng)之間的 municator，此時(shí)則需要知道各子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不用知道各子系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)。 3) 通過(guò)計(jì)算獲取各子系統(tǒng)的幾何定位參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)、物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。 4) 然后在 Standard 中建立各子系統(tǒng)相應(yīng) template 的 subsystem 文件，并將其代入各子系統(tǒng)的參數(shù)特征。 5) 之后在 Standard 下建立整車的 assembly 文件，構(gòu)建各子系統(tǒng)模型組成整車系統(tǒng)模型。 6) 針對(duì)整車研究的不同方面，進(jìn)行不同工況的仿真文件進(jìn)行整車平順性仿真。 7) 最后將仿真計(jì)算結(jié) 果的后處理。 （ 6） ADAMS/Tire(輪胎模塊 ) 輪胎模塊是研究輪胎與道路相互作用的可選模塊。 ADAMS / Tire 模塊可以完善地計(jì)算側(cè)向力、自動(dòng)回正力矩及由于路面坑洼等障礙而產(chǎn)生的力，還可以計(jì)算輪胎因克服滾動(dòng)阻力而受到的垂直、縱向和橫向載荷、仿真研究車輛在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和滑行、滑移等大變形位移下的動(dòng)力學(xué)特性，不僅可以研究車輛穩(wěn)定性，計(jì)算汽車的偏移、俯沖和側(cè)傾特性，還可以進(jìn)行其輸出力和加速度數(shù)據(jù)作為有限元分析軟件包的輸入載荷進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力和疲勞特性研究，并計(jì)算由于制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩產(chǎn)生的反作用力。 ADAMS 建?；A(chǔ) ADAMS軟件根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)和歐拉角參數(shù)來(lái)描述物體的空間位置，然后采用吉爾（ Gear）的剛性積分來(lái)解決稀疏矩陣的求解問(wèn)題， ADAMS/Solver中提供許多種功能成熟的求解器，可以對(duì)所建模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析。ADAMS軟件的多剛體動(dòng)力學(xué)分析步驟如下 [6][7]： （ 1） ADAMS 多剛體系統(tǒng)的自由度 機(jī)械系統(tǒng)中各構(gòu)件相對(duì)于地面機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)量稱為機(jī)械系統(tǒng)的自由度。機(jī)械系統(tǒng)的自由度與構(gòu)成機(jī)械的構(gòu)件數(shù)量、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)量、原第三章 基于 ADAMS 整車虛擬樣機(jī)模型建立 14 動(dòng)機(jī)的類型和數(shù)量、以及其他約 束條件有關(guān)。 在 ADAMS軟件中，機(jī)械系統(tǒng)的自由度（ DOF）和原動(dòng)機(jī)的數(shù)量與機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性有著密切的關(guān)系，機(jī)構(gòu)的自由度決定該機(jī)構(gòu)的分析類型：運(yùn)動(dòng)學(xué)分析或動(dòng)力學(xué)分析 [6][7]。 ADAMS 中自由度（ DOF）的計(jì)算公式為： ???? i innDOF )1(6 （ 31） 式中 n—— 系統(tǒng)的部件數(shù)目（包括地面）； in —— 系統(tǒng)中各約束所限制的自由度數(shù)目。 其中，當(dāng) DOF0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)狀況是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求構(gòu)件運(yùn)動(dòng)不僅要滿足約束要求，而且還要滿足給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。包括有靜力學(xué)分析、準(zhǔn)靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。其中的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程即機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的約束方程和拉格朗日乘子微分方程組成的方程組。 當(dāng) DOF＝ 0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，而不用考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的外力。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，某些機(jī)構(gòu)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，不是依據(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)算求解。 當(dāng) DOF0時(shí)，屬于超靜定問(wèn)題，目前 ADAMS還無(wú)法解決。 ADAMS系統(tǒng)中包括一般約束庫(kù)和基礎(chǔ)約束庫(kù)，一般約束庫(kù)中含有機(jī)械系統(tǒng)常見(jiàn)的約束，基礎(chǔ)約束庫(kù)則是一些抽象的約束，一般約束所限制的自由度如表31示。 表 31 一般約束所限制的自由度 平動(dòng) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 0 1 2 3 0 固定副 旋轉(zhuǎn)副 萬(wàn)向副 球鉸副 1 滑移 副 圓柱副 2 平面副 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （ 2） ADAMS多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立 建立動(dòng)力學(xué)方程，其求解的速度很大程度上取決于廣義坐標(biāo)的選擇。在研究剛體在慣性空間中的一般運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常使用它的連體基的圓點(diǎn) (一般與質(zhì)心重合 )來(lái)確定位置，使用連體基相對(duì)慣性基的方向余弦矩陣來(lái)確定方位。通常為了更好的描述方位，必須規(guī)定一組轉(zhuǎn)動(dòng)廣義坐標(biāo)表示方向余弦矩陣。在確定轉(zhuǎn)動(dòng)廣義坐標(biāo)通常有三種方法。一種方法是用方向余弦矩陣本身的元素作為轉(zhuǎn)動(dòng)廣義坐標(biāo)，但是它的變量太多，同時(shí)還要附加六個(gè)約束方程；另一種方法是使用歐拉角或卡爾登角作為轉(zhuǎn)動(dòng)坐 標(biāo)，它的算法規(guī)范，缺點(diǎn)是在逆問(wèn)題中存在奇點(diǎn)，在奇點(diǎn)位置豎直計(jì)算容易出現(xiàn)困難；最后一種方法是用歐拉參數(shù)作為轉(zhuǎn)動(dòng)廣義坐標(biāo)，由于它的變量不太多，方向余弦計(jì)算歐拉角時(shí)不存在奇點(diǎn)，所以通常情況下采用第三種方法來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)廣義坐標(biāo) [6][7]。 ADAMS軟件用剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)，即： ? ? Tii zyxq ?? ,, ?? （ 32） 12, TT T Tnq q q q??? ????? （ 33） 由于采用不獨(dú)立的廣義坐標(biāo)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)雖然是最大數(shù)量，但是高度稀疏耦合的微分代數(shù)方程，卻適用于稀疏矩陣的方法高效求解。 ADAMS 程序通常采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程： TT TTqqd T T Qd x q q ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (34) 完整約束方程： ? ?,0qt? ? （ 35） 非完整約束方程： ? ?, , 0q q t? ? （ 36） 式中： T—— 動(dòng)能； q —— 描述系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣； Q —— 廣義力列陣； ? —— 完整約束的拉格朗日乘子列陣； ? —— 非完整約束的 拉格朗日乘子列陣。 把 (34)式寫(xiě)一般形式 : ? ?, , , , 0F q u u t? ? （ 37） 第三章 基于 ADAMS 整車虛擬樣機(jī)模型建立 16 ? ?,0G u q u q? ? ? （ 38） ? ?1 ,0j qt? ? ?? （ 39） 式中： q —— 廣義坐標(biāo)列陣； q —— 廣義速度列陣； u —— 廣義速度列陣； ? —— 約束反力及作用力列陣； F —— 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程及用戶定義的微分方程。 定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量： , TT T Ty q u ???? ?? （ 310） 則式 (34)可寫(xiě)成單一矩陣方程： ? ?, , 0g y y t ? （ 311） 在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)， ADAMS通常采用兩種算法 [6][7]: 1）使用積分求解程序，采用坐標(biāo)分離算法來(lái)計(jì)算獨(dú)立坐標(biāo)的微分方程，使用這種方法主要用于模擬特征值經(jīng)歷突變的系統(tǒng)或高頻系統(tǒng)。 2）使用三種功能強(qiáng)大的變階、變步長(zhǎng)積分求解程序（ GSTIFF積分器、 DSTIFF積分器 和 BDF積分器）來(lái)求解稀疏耦合的非線性微分代數(shù)方程，這種方法通常適用于模擬剛性系統(tǒng) (特征值變化范圍大的系統(tǒng) )。 采用 GEAR預(yù)估一校正算法可以有效地求解式 (34)所示的微分－代數(shù)方程： 首先，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值，采用泰勒級(jí)數(shù)預(yù)估下一時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)矢量值 2 21 212!nnnn yyy y h htt? ??? ? ? ? … (312) 式中，時(shí)間步長(zhǎng) nn tth ?? ?1 在采用這種預(yù)估算法時(shí)，得 到的新時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)矢量值通常不準(zhǔn)確，式 (34)右邊的項(xiàng)不等于零，可以采用由 Gear k+1階積分求解程序 (或其它向后差分積分程序 )來(lái)校正。如果采用預(yù)估算法得到的新時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值滿足 (34)，則可以不必進(jìn)行校正。 1 0 1 11kn n i n iiy h y y??? ? ? ??? ? ? ? (313) 式中： 1ny? —— ??yt在 1ntt?? 時(shí)的系數(shù)值； 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 0, i??—— Gear積分程序的系數(shù)值。 將式 (313)簡(jiǎn)化為： ? ???? ??? k ininn yayhBy 11011 (314) 將式 (34)在 1ntt?? ,時(shí)刻展開(kāi)，得： ? ?1 1 1 1 1, , , , 0n n n n nF q u u t?? ? ? ? ? ? ? ?1 1 1 1 1 1 1101,0 kn n n n n n i n iiG u q u q u q qh ??? ? ? ? ? ? ? ????? ??? ? ? ? ? ??? ?????? ? (315) ? ?11,0nnqt???? ADAMS使用修正的牛頓 拉夫森迭代程序求解上面的非線性方程，其迭代校正公式為： 0j j j jF F FF q uqu ??? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? 0j j jGGG q uqu??? ? ? ? ? (316) 0jjqq??? ? ? ?? 式中， j表示第 j次迭代。 1j j jq q q?? ? ? ， 1j j ju u u?? ? ? ， 1j j j? ? ??? ? ? (317) 由式 (314)可知： 01jjuuh???? ? ? ????? (318) 由式 (315)可知： 01G Iqh???? ???? ??， G Iu? ?? (319) 將公式 (318)和公式 (319)代入式 (316)，得： 第三章 基于 ADAMS 整車虛擬樣機(jī)模型建立 18 0011000TjjF F Fq u h u qqFI I u Ghq??????? ??? ? ? ? ?????? ??? ? ? ???????? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ??????? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ?????????????? (320) 公式 (320)左邊得系數(shù)矩陣稱系統(tǒng)的雅可比矩陣，式中： Fq??—— 系統(tǒng)剛度矩陣； Fu?? —— 系統(tǒng)阻尼矩陣； Fu?? —— 系統(tǒng)質(zhì)量矩陣。 通過(guò)分解系統(tǒng)雅可比矩陣 (通常為了提高計(jì)算效率， ADAMS采用符號(hào)方法分解矩陣 )求解 jq? ， ju? ， j?? ，然后計(jì)算出 1jq? , 1ju? , 1j?? , 1jq? ， 1ju? ， 1j?? ，重復(fù)上述迭代校正步驟，直到滿足收斂條件，最后是積分誤差控制步驟。 如果預(yù)估值與校正值的差值小于規(guī)定的積分誤差限，接受該解， htt ?? 則進(jìn)行下一時(shí)刻的求解；否則將拒