汽车动力学仿真基础

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1、车辆动力学基础1、描述车辆的动力学性能。为什么要研究车辆动力学？为什么要研究车辆动力学？研究车辆动力学，为车辆设计、控制服务：2、预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案。3、解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。研究内容与评价指标研究内容与评价指标1、纵向动力学 3、横向(操纵)动力学 2、垂向(行驶)动力学 研究内容与评价指标研究内容与评价指标动力性、燃油经济性安全性：制动、驱动、操纵稳定性、被动安全性舒适性：平顺性、NVH机动性：通过能力可靠性、耐久性以多学科为基础以多学科为基础轮胎力学轮胎力学空气动力学空气动力学一般力学一般力学体系体系车辆动力学的建模方法及基础理论车辆动力学的建模方

2、法及基础理论一、牛顿矢量力学体系：icFrm 0MII式中：m-质点系总质量；rc -质心位移；F i -外力。式(1)式中：I-刚体绕某轴的转动惯量矩阵；-刚体的角速度投影矩阵；M 0 -外力对于O点的主矩。式(2)牛顿第二定律 欧拉方程 车辆动力学的建模方法及基础理论车辆动力学的建模方法及基础理论二、分析力学体系：iiDiviTiTQqEqEqEqEdtd式中：ET、E v、ED -系统总动能、总势能、总耗散能；q i -描述系统的广义坐标(主变量)；Q i -作用于系统的广义力(力或力矩)；n-系统方程阶数。式(3)拉格朗日方程 ).3,2,1(ni 虚功率原理 高斯原理 非完整系统动力

3、学车辆动力学的建模方法及基础理论车辆动力学的建模方法及基础理论三、多体系统动力学1、以经典力学为基础。3、由计算机建立动力学方程并进行求解。2、多刚体、柔体的运动；采用分布参数体系。4、ADAMS、SIMAPCK等。轮胎的基本功能轮胎的基本功能 决定一辆汽车如何转向、制动和加速的关键控制力产生于四块不大于人手掌大小的接触区。1、支撑垂直载荷。3、提供加速和制动所需的纵向力。4、提供转向所需的侧向力。2、缓冲路面引起的振动、冲击。相关书籍推荐相关书籍推荐 余志生主编汽车理论第5版（美）（美）Thomas 著著.车辆动力学基础车辆动力学基础.赵六奇，金赵六奇，金达锋，译达锋，译.清华大学出版社清华

4、大学出版社 吴光强吴光强 主编主编.汽车理论汽车理论.人民交通出版社人民交通出版社 傅立敏傅立敏 著著.汽车空气动力学汽车空气动力学.机械工业出版机械工业出版社社 喻凡喻凡，林逸，林逸 编著编著.汽车系统动力学汽车系统动力学.机械工机械工业出版社业出版社1.11.1、系统的定义：、系统的定义：系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干部分结合在系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干部分结合在一起而形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。一起而形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。(主传动系统、施工图、教学大纲、培养方案、系统框图）主传动系统、施工图、教学大纲、培养方案、系统框图）系统的特

5、点：系统的特点：第一，系统的整体性；第一，系统的整体性；第二，系统的相关性；第二，系统的相关性；第三，系统具有等级结构性；第三，系统具有等级结构性；仿真基础知识1.2、系统、系统-定义定义系统实例系统实例-加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统1.2、系统、系统-举例举例系统实例系统实例-闭环转向闭环转向系统系统实例系统实例-工厂经济管理系统、系统、系统-特点特点系统是系统是实体实体的集合的集合组成系统的实体具有一定的组成系统的实体具有一定的属性属性。属性指组成系。属性指组成系统的每一个实体所具有的全部有效特征（如状态统的每一个实体所具有的全部有效特征（如状态和参数等）。和参数等）。系统处于系统

6、处于活动活动之中。活动是指实体随时间推移而之中。活动是指实体随时间推移而发生的属性变化。发生的属性变化。、系统、系统-三要素三要素 实体属性活动性能状态 系统状态 研究系统，就是研究系统状态的变化，即研究系统的动态特性和运动规律.、系统、系统-分类分类描述特性 连续系统：微分方程，差分方程离散事件系统：逻辑条件，流程图物理结构和数学性质 线性和非线性定常和时变集中参数和分布参数可以用有限个变量描述的系统，称为集中参数系统(用质心描述物体的运动)需考虑刚体内部运动时(物体的扭转，场)定义：是能够完成机械功或转化机械能的机构或机构定义：是能够完成机械功或转化机械能的机构或机构的组合的组合 特点：特

7、点：机械系统的构件间存在着相对运动机械系统的构件间存在着相对运动 相对运动的形式由联接各构件的运动副决定相对运动的形式由联接各构件的运动副决定 机构：是一种用来传递运动和力或改变运动形式的机机构：是一种用来传递运动和力或改变运动形式的机械装置。任一机构都是由两个以上的构件组合而成的械装置。任一机构都是由两个以上的构件组合而成的 2.1、模型、模型 建模总是和仿真一起提出来，他通常是仿真建模总是和仿真一起提出来，他通常是仿真的第一步的第一步实际系统模型计算机建模仿真2.2 2.2 模型的概念模型的概念 模型：是对系统的简化和抽象。模型：是对系统的简化和抽象。模型可以描述系统的本质和内在联系，通过

8、对模型模型可以描述系统的本质和内在联系，通过对模型进行分析和研究，以达到了解原系统的目的；进行分析和研究，以达到了解原系统的目的；物理模型物理模型根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物；根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物；数学模型数学模型 是系统的本质特征的数学表达式，即用数学公式来是系统的本质特征的数学表达式，即用数学公式来描述所研究的系统的某一方面的规律描述所研究的系统的某一方面的规律 静态模型:一般形式是代数方程、逻辑表达关系式。动态模型:动 态 模 型连续系统 离散系统 确定性模型 随机模型 时间离散 采样控制系统：差分、离散状态方程、脉冲传递函数 离散事件 概率型

9、描述（输出不完全由输入作用产生）集中参数:常微分、状态方程 分布参数:偏微分方程 工程动力学系统动力学热传导计算机采样系统交通系统、市场系统、电话系统、计算机分时系统 汽车动力学模型分类 集中质量模型：车辆由众多零部件构成。在不同工况、不同研究目的中，对这些零部件有不同的处理方法。例如，在制动过程中，车辆作为整体减速，可以假设整车是一个集中质量块，这个质量块的质心位置与整车质心位置重合，这个质量块拥有与整车相同的质量和惯性特性。实际上，加速、制动和大多数转向分析，把整车作为一个集中质量来研究都可以满足要求。但在乘坐舒适性研究中，我们不能忽视弹性元件的作用，而必须把整车质量分为“悬挂质量”和“非

10、悬挂质量”。集中参数仿真模型计算时间短、效率高，所需输入参数较少，但不能全面地得到系统中各子系统的运动及其相互的耦合作用，且需要建模者对汽车进行离散化并推导汽车的运动学方程。多体动力学模型：需要建模者给定各部件的详细特征、运动学约束和系统的拓扑结构，然后由相应软件工具如：基于Kane 方法的SD/FAST，AUTOSIM，SYMBA；基于Euler方法的SD/FAST，AUTOSIM，NASTRAN，SIMPACK；基于Lagrange 方法的ADAMS，DADS，MEDYNA，MADYMD 等自动建立运动学方程。多体模型包含部件较多，有些参数难以从试验中测量得到，因而不能从整体上保证系统的准

11、确性；另外，复杂的模型在计算机上求解时花费时间较长，而且一旦模型出错，很难准确查找。m1m2kcIy2lm3z2z3z1集中质量平顺性研究模型2.3、模型模型-建模建模 建模的三个层次：建模的三个层次：1)：建模者将实际系统看成一个黑箱建模者将实际系统看成一个黑箱,仅仅从输入输出行为水平上认识系统。从输入输出行为水平上认识系统。2)：建模者对实际系统的内部运行情况：建模者对实际系统的内部运行情况了解清楚了解清楚,可预测系统将来的状态和行为变化可预测系统将来的状态和行为变化,但对内部但对内部分解结构尚不明了。分解结构尚不明了。3)：建模者了解系统内部运行情况，也：建模者了解系统内部运行情况，也了

12、解分解结构。了解分解结构。3.1、仿真、仿真 直观上：仿真就是模仿真实的物理世界直观上：仿真就是模仿真实的物理世界 -Pro/E Solid Edge Solid Work UG 3D Max -Maya ADAMS3.1、仿真、仿真 加入各种物理量进行分析（对机械系统而言）加入各种物理量进行分析（对机械系统而言）-运动学、动力学分析：运动学、动力学分析：ADAMS(位移、速度、加速度位移、速度、加速度分析分析)MATLAB-SIMULINK -有限元分析：有限元分析：ANSYS ALGOR MSC.Nastran，Fatigue SAP3.1、仿真、仿真 其它形式的仿真其它形式的仿真 -Ar

13、ena Flexsim -MATLAB -ANSoft3.2、仿真、仿真 系统仿真的结构组成规律系统仿真的结构组成规律的有机整体。的有机整体。3.3、仿真、仿真-作用作用实际系统未建立前，对方案进行论证和修改。实际系统未建立前，对方案进行论证和修改。（有限元，波音（有限元，波音777）2)实际系统建立后，对系统进行改进，寻求最佳参数。实际系统建立后，对系统进行改进，寻求最佳参数。（有限元）（有限元）3)在系统理论中，可检验理论推导。在系统理论中，可检验理论推导。（最优控制、大系统分解）（最优控制、大系统分解）4)人员训练人员训练 （飞行员，潜艇，核电站）（飞行员，潜艇，核电站）三要素:系统系统

14、模型计算机活动规则:模型建立仿真模型建立仿真实验系统实 物 模 型 或数学模型计算机抽象仿真实验指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替实际指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替实际系统来进行实验和研究的一门综合性技术。系统来进行实验和研究的一门综合性技术。3.5 系统仿真的分类（1）根据系统的特征 连续系统仿真：状态是随时间连续变化 离散事件系统仿真：系统状态是在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真。（2）按仿真实验中所取的时间标尺（模型时间）与自然标尺T之间的比例/T=1,实时仿真/T1,非实时仿真（3）按参与仿真的模型的种类 物理仿真数学仿真半实物仿真2、

15、最新发展（1）仿真实验任务的扩展（2）仿真技术的发展动向p向广阔时空发展p向快速、高效与海量信息通道发展p向规模化模型校核，验证、确认技术发展p向虚拟现实技术发展p向高水平的一体化，智能化仿真环境发展p向广阔的应用领域扩展与其它学科融合p虚拟样机应用，动态联盟的建立二、传统的产品开发流程二、传统的产品开发流程概 念概 念设计设计详 细详 细设计设计制 造 物制 造 物理样机理样机物 理 样物 理 样机测试机测试产 品 定产 品 定型生产型生产发现问题，修改设发现问题，修改设计并重新制造样机计并重新制造样机 传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模型传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物

16、模型(样机样机)的仿真实验过程的仿真实验过程 传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计实验设传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计实验设计过程，对于结构复杂的系统，这一过程是冗长的，需要计过程，对于结构复杂的系统，这一过程是冗长的，需要耗费大量的时间和资金；耗费大量的时间和资金；缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场做出灵缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场做出灵活反应成为生产商所追求的目标；活反应成为生产商所追求的目标；三、虚拟样机技术三、虚拟样机技术(Virtual Prototype)(Virtual Prototype)利用利用CAD中的三维几何造型技术，在计算机中建立

17、产品的几中的三维几何造型技术，在计算机中建立产品的几何模型何模型采用计算机仿真技术在几何模型之上附加采用计算机仿真技术在几何模型之上附加其它的功能特性其它的功能特性，使之成为产品的数字样机（虚拟样机）使之成为产品的数字样机（虚拟样机）再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代替实物再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代替实物模型进行虚拟实验，实现对设计的验证模型进行虚拟实验，实现对设计的验证 虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成，是计算机虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成，是计算机仿真技术的深化和扩展。仿真技术的深化和扩展。概念概念设计设计详细详细设计设计产品定型产品

18、定型生产生产虚拟样机虚拟样机测试测试波音波音777飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术整机外形、结构件和各飞行系统整机外形、结构件和各飞行系统100%100%采用三维数字采用三维数字化定义，化定义，100%100%应用数字化预装配应用数字化预装配整个设计制造过程没有完整的模型样机，一次定型整个设计制造过程没有完整的模型样机，一次定型生产成功生产成功波音波音777成本降低了成本降低了25%，出错返工率减少了，出错返工率减少了75，制造周期缩短了制造周期缩短了50%虚拟样机技术的成功应用范例：波音777飞机的研制：三、虚拟样机技术三、虚拟样机技术(Virtu

19、al Prototype)(Virtual Prototype)四、虚拟样机的开发与分析软件四、虚拟样机的开发与分析软件90年代，在年代，在Chace的的ADAMS计算程序的基础上，美计算程序的基础上，美国国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发了机械公司开发了机械系统运动学与动力学仿真软件系统运动学与动力学仿真软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)在在Haug的的DADS计算程序的基础上，比利时计算程序的基础上，比利时LMS公公司 开 发 了 机 械 系 统 运 动 学 与 动 力 学 仿

20、 真 软 件司 开 发 了 机 械 系 统 运 动 学 与 动 力 学 仿 真 软 件DADS(Dynamic Analysis and Design System)它使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库，它使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统动力学模型创建完全参数化的机械系统动力学模型可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析析后处理程序可输出各构件的位移、速度、加速度和后处理程序可输出各构件的位移、速度、加速度和反作用力曲线及动画仿真反作用力曲线及动画仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、可用

21、于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷；计算构件的约束反力作为有限元分析的输峰值载荷；计算构件的约束反力作为有限元分析的输入载荷等入载荷等ADAMS软件首先是一个虚拟样机仿真分析软件：软件首先是一个虚拟样机仿真分析软件：四、虚拟样机的开发与分析软件四、虚拟样机的开发与分析软件其开放性的程序结构和多种接口，可以成为不同专业领域用其开放性的程序结构和多种接口，可以成为不同专业领域用户进行特定专业类型虚拟样机分析的二次开发平台户进行特定专业类型虚拟样机分析的二次开发平台例如，在例如，在ADAMSADAMS核心模块基础上开发的专业轿车模块核心模块基础上开发的专业轿车模块ADAMS/carA

22、DAMS/car，就是一个专业的虚拟样机生成工具，就是一个专业的虚拟样机生成工具 使用使用ADAMS/car，工程师可以建立整车的虚拟样机，修改各，工程师可以建立整车的虚拟样机，修改各种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显示仿真数据结果种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显示仿真数据结果 用户只要在模板中输入必要的数据，用户只要在模板中输入必要的数据，ADAMS/car就可以自动就可以自动建立子系统和整车装配模型建立子系统和整车装配模型 ADAMS软件也是一个虚拟样机的开发平台：软件也是一个虚拟样机的开发平台：四、虚拟样机的开发与分析软件四、虚拟样机的开发与分析软件五、虚拟样机技术应用软件五、

23、虚拟样机技术应用软件ADAMSADAMS的核心基础理论的核心基础理论 计算多刚体系统动力学：采用程式化的方法，计算多刚体系统动力学：采用程式化的方法，利用计算机来解决复杂机械系统的运动学与动利用计算机来解决复杂机械系统的运动学与动力学的自动建模与数值分析。力学的自动建模与数值分析。1.1687年，牛顿建立了牛顿方程，解决了质点的运年，牛顿建立了牛顿方程，解决了质点的运动学和动力学问题动学和动力学问题2.欧拉于欧拉于1725年提出刚体的概念，采用反作用力的年提出刚体的概念，采用反作用力的概念隔离刚体以描述铰链等约束概念隔离刚体以描述铰链等约束3.1743年，达朗贝尔研究了约束刚体系统，区分了作用

24、力和年，达朗贝尔研究了约束刚体系统，区分了作用力和反作用力，提出达朗贝尔原理和虚位移原理。这两个基本定反作用力，提出达朗贝尔原理和虚位移原理。这两个基本定律构成了理论力学中分析动力学问题的基本方法。律构成了理论力学中分析动力学问题的基本方法。在理想约束的条件下，即不考虑摩擦或摩擦力不做功，根在理想约束的条件下，即不考虑摩擦或摩擦力不做功，根据虚功原理，有：据虚功原理，有：1()0nigiiiFFr上述方程表明：在理想约束的条件下，质点系的上述方程表明：在理想约束的条件下，质点系的各个质点在任一瞬时所受的主动力和惯性力在虚各个质点在任一瞬时所受的主动力和惯性力在虚位移上所作的虚功的和等于零。上述

25、方程称为动位移上所作的虚功的和等于零。上述方程称为动力学普遍方程。力学普遍方程。六、虚拟样机技术应用软件六、虚拟样机技术应用软件ADAMSADAMS的核心基础理论的核心基础理论 上图的双轮滚动系统，两个均质轮子的半径皆为上图的双轮滚动系统，两个均质轮子的半径皆为r，中心用连杆相连，在倾角为，中心用连杆相连，在倾角为的斜面上作纯滚的斜面上作纯滚动。设轮子的重量皆为动。设轮子的重量皆为P，对轮心的转动惯量皆，对轮心的转动惯量皆为为I，连杆重为，连杆重为Q，求连杆运动的加速度，求连杆运动的加速度a。(2)2(2)sin0gggPQxMPQx 2(2)2(2)sin0aIaPQxxPQxgr4.178

26、8年，拉格朗日发表了年，拉格朗日发表了分析力学分析力学，系统地，系统地考虑了约束，提出了广义坐标的概念，利用变分原考虑了约束，提出了广义坐标的概念，利用变分原理考虑系统的动能和势能，得出了拉格朗日方程理考虑系统的动能和势能，得出了拉格朗日方程(),KKKdTTQdtqq (K=1,2,3n-s)212iiTmv为质点系的动能为质点系的动能 质点系由质点系由n个质点组成，系统具有个质点组成，系统具有s个完整约个完整约束，并且都是理想约束，因此它是具有束，并且都是理想约束，因此它是具有(3n-s)个自由度的系统个自由度的系统 123,n sq qq 表示系统的广义坐标，设表示系统的广义坐标，设系统

27、中第系统中第i个质点的质量为个质点的质量为mi 310n sFKKKWQq5.随着计算机数值计算方法的出现和不断发展完善，随着计算机数值计算方法的出现和不断发展完善，使得利用计算机自动建立复杂机械系统运动学和动力使得利用计算机自动建立复杂机械系统运动学和动力学数学模型，并自动求解称为可能学数学模型，并自动求解称为可能 19841984年年ChaceChace和和HaugHaug选取每个刚体质心在惯性系中的选取每个刚体质心在惯性系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉坐标作为笛三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉坐标作为笛卡儿广义坐标。得到了由刚性微分代数方程组表示卡儿广义坐标。得到了由刚性微

28、分代数方程组表示的多刚体动力学模型。该模型非常适合与计算机自动的多刚体动力学模型。该模型非常适合与计算机自动建模。建模。1989年，年，Chace进一步应用进一步应用Gear的刚性积分算法并的刚性积分算法并且采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了计算机且采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了计算机程序程序ADAMS，Haug编制了计算机程序编制了计算机程序DADS。示例：示例：如图所示的曲柄如图所示的曲柄摇杆机构，已知各杆的摇杆机构，已知各杆的长 度 为长 度 为 l1=1 2 0 m m=1 2 0 m m，l2=250mm=250mm，l3=260mm=260mm，l4=300mm=300mm，曲柄，曲柄1 1均速转均速转动的角速度为动的角速度为1=1rad/srad/s。试分析摇。试分析摇杆杆3的运动的运动