基于ADAMS二次開發(fā)的車輛越壕仿真模塊研究

瞿文明　陳興華　高憲峰　居剛　魏道高

摘 要：針對(duì)某型4×2越野車輛，建立了其越壕數(shù)學(xué)模型為仿真提供理論參考，利用ADAMS宏命令、定制界面完成了車輛越壕仿真模塊的二次開發(fā)設(shè)計(jì)，仿真模塊具有良好的人機(jī)交互性，能快速的完成仿真模型的建立與結(jié)果的提取。仿真結(jié)果表明，該模塊能較準(zhǔn)確的仿真車輛越壕工況并獲取車輛相關(guān)部件受力情況，能為車輛強(qiáng)度等相關(guān)設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

關(guān)鍵詞：越壕；ADAMS；二次開發(fā)；仿真；

中圖分類號(hào)：U469.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）03-0061-06

Study of Vehicles Trench Crossing Simulation Module Based on ADAMS Secondary Development

QU Wen-ming1， CHEG Xing-hua2， GAO Xian-feng2， JU Gang2， WEI Dao-gao1

（1.School of Automotive and Traffic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 23009， China；2.Jianghuai Automobile Technology Center， Hefei 230091， China）

Abstract：A mathematical model of trench crossing is established for a 4×2 off-road vehicle， which provides a theoretical reference for simulation. Using the ADAMS macro command， the custom interface completes the secondary development design of the vehicles trench crossing simulation module. The simulation module has a good human-computer interaction， and can quickly complete the simulation model establishment and results extraction. The simulation results show that the module can simulate the condition of the vehicle trench crossing accurately and obtain the force of the relevant parts of the vehicle， and provide the calculation basis for the vehicle strength and other related design.

越野車輛在越野行駛過(guò)程中，經(jīng)常要克服一些比較惡劣的道路狀況，這些道路上可能存在著影響車輛通過(guò)的各種障礙，如陡坡、側(cè)坡、壕溝、灌木叢、水障等[1]。所以，對(duì)要具有良好的通過(guò)性的越野車來(lái)說(shuō)，越壕能力是其性能重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。且車輛在通過(guò)壕溝這種特殊路況時(shí)，車輛各部件的受力情況較行駛在平整路面上時(shí)要復(fù)雜的多，長(zhǎng)期以往可能會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，影響使用壽命。研究車輛越壕性能，能預(yù)測(cè)車輛通過(guò)未知路面的能力，對(duì)車輛相關(guān)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

目前，對(duì)車輛越壕能力的研究大多采用的是理論研究，即在車輛參數(shù)已知的情況下，通過(guò)靜力平衡方程來(lái)求解車輛的越壕寬度[2-4]。這種方法的不足在于不能動(dòng)態(tài)分析車輛越壕情況，更無(wú)法計(jì)算車輛輪胎、懸架等部件受力的動(dòng)態(tài)變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件分析車輛越壕已成為可能。美國(guó)MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件功能強(qiáng)大，能快速準(zhǔn)確的對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于車輛、航天等領(lǐng)域[5]。

本文針對(duì)某型4×2越野車輛，以ADAMS軟件為基礎(chǔ)，完成了車輛越壕仿真模塊的二次開發(fā)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真分析。

1 車輛越壕數(shù)學(xué)模型的建立

車輛在越壕時(shí)由于速度都很低，可用靜力學(xué)去分析車輛越壕能力。文獻(xiàn)[1]指出車輛越壕寬度Ld與車輛越障高度h只有一個(gè)換算系數(shù)差別，他們之間的關(guān)系為：

對(duì)于本文中的4×2后軸驅(qū)動(dòng)的車輛，其前后輪越障高度分別為：

式中：D為輪胎直徑；a為質(zhì)心距前軸的距離；L為軸距；φ為路面附著系數(shù)。

將車輛參數(shù)D =636.8mm，a =1225mm，L=2600mm代入上述公式，利用MATLAB編制相關(guān)程序進(jìn)行求解，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，前后輪的越壕寬度都隨著路面附著系數(shù)的增大而增大，后輪的越壕寬度小于前輪，后輪的越壕能力是制約整車越壕能力的關(guān)鍵。

2 車輛越壕仿真模塊的二次開發(fā)

以ADAMS/VIEW為基礎(chǔ)，開發(fā)了一個(gè)用于車輛越壕仿真分析的模塊Trench_Crossing，該模塊能自動(dòng)建立仿真模型、完成仿真分析、獲取分析結(jié)果。

2.1 二次開發(fā)文件的組織及ADAMS環(huán)境的初始化

本次基于ADAMS/VIEW的二次開發(fā)文件全部存放在F盤的yuehao文件夾中，其中包含用于存放菜單文件的menus文件夾、存放對(duì)話框文件的dialog_boxes文件夾、存放圖標(biāo)文件的icons文件夾、存放屬性文件的properties文件夾。除了以上四種主體文件，yuehao文件夾中還包括一個(gè)啟動(dòng)文件start.bat和一個(gè)ADAMS環(huán)境初始化文件main.cmd。

啟動(dòng)文件start.bat的作用是設(shè)定二次開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行路徑，啟動(dòng)ADAMS/VIEW，調(diào)用main.cmd進(jìn)行ADAMS環(huán)境的初始化設(shè)置[6]。啟動(dòng)文件代碼如下所示。

set MDI_yuehao=F：＼yuehao

set MDI_CMD=mdi

cd %MDI_yuehao%

Call D：＼MSC.Software＼ADAMS_x64＼2013＼

common＼mdi.bat aview ru-st i

copy main.cmd aview.cmd

文件main.cmd主要代碼如下所示。

！定義路徑變量

If cond=（！db_exists（".MDI.yuehao_dir"））

var create var=.MDI.yuehao_dirstring

=（eval（"F："http://"＼＼"http://"yuezhao"））

end

！設(shè)置ADAMS的單位以及坐標(biāo)系統(tǒng)

defaults units length=mm time=sec angle=deg mass=kg force=newton

defaults units coordinate_system_type=

Cartesian orientation_type=body313

！讀入對(duì)話框文件

file command read file ="./dialog_boxes/

dbox_chassis"

…………………

！讀入主菜單文件

Interface menubar read menubar

=.gui.main.mbar="./menus/yuehaomenu"

…………………

2.2 仿真模塊的定制菜單

車輛越壕仿真模塊的菜單是在ADAMS/VIEW的主菜單上插入一個(gè)Trench_Crossing用戶定制菜單，其共有5個(gè)子菜單，如圖2所示。子菜單的作用分別為建立仿真模型、調(diào)整仿真模型參數(shù)、設(shè)置仿真求解器、建立仿真腳本、獲取仿真結(jié)果。

用戶自定義菜單是二次開發(fā)模塊在初始化時(shí)通過(guò)讀取menus文件夾中的yuehaomenu文件實(shí)現(xiàn)的，yuehaomenu文件是在原ADAMS/VIEW菜單文件中加入用戶編制的命令，其增加的命令部分代碼如下：

MENU1 Trench_Crossing

NAME=Trench_Crossing_menu

MENU2 Model_Create

NAME=model_create

BUTTON3 Chassis

NAME=chassis

CMD=interface dialog display dialog

=.gui.dbox_chassis

SEPARATOR3

BUTTON3 Front_suspension

NAME=front_suspension

CMD=interface dialog display dialog

=.gui.dbox_front_suspension

………………

2.3 仿真模塊的定制對(duì)話框

用戶可以根據(jù)實(shí)際需求定制自己的對(duì)話框，本次二次開發(fā)中定制的對(duì)話框是通過(guò)對(duì)話框編輯器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定制的對(duì)話框包括：底盤建模對(duì)話框、前懸建模對(duì)話框、轉(zhuǎn)向系建模對(duì)話框、后懸建模對(duì)話框、路面輪胎建模對(duì)話框、添加驅(qū)動(dòng)對(duì)話框、模型調(diào)整對(duì)話框、結(jié)果曲線對(duì)話框。

定制的對(duì)話框具有良好的人機(jī)交互性，由于篇幅有限，只選取后懸建模對(duì)話框來(lái)介紹。后懸建模對(duì)話框如圖3所示，由于在對(duì)話框的execution_commands已經(jīng)加入了建模宏命令，使用者只需輸入后懸的相關(guān)參數(shù)，再點(diǎn)擊“確定”按鈕即可以完成后懸的建模。使用者無(wú)需再去關(guān)注復(fù)雜的建模過(guò)程，能大大減少動(dòng)力學(xué)分析所需的時(shí)間。

3 車輛越壕仿真分析

3.1 車輛越壕仿真模型的建立

建立車輛越壕仿真模型，只需點(diǎn)擊子菜單Model_Create中的按鈕，在彈出的各個(gè)對(duì)話框中輸入?yún)?shù)后點(diǎn)擊“確定”按鈕，最終建立的仿真模型如圖4所示。整車模型中忽略了傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)力矩直接加在驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)副上。模型中共有26個(gè)部件，1個(gè)圓柱副，13個(gè)旋轉(zhuǎn)副，7個(gè)球副，2個(gè)等速副，5個(gè)固定副，3個(gè)虎克副，1個(gè)耦合副，模型自由度為13。

仿真模型中的道路模型選用的是3D道路3d_road_obstacle_pothole，輪胎模型選用的是FTire模型。盡管輪胎模型有很多種，如UA、Fiala、Swift、FTire等，但并不是都適合仿真越壕這種特殊工況。FTire模型是高級(jí)、復(fù)雜的輪胎力元素，仿真車輛越障時(shí)可以獲得非常高的精度[7]。

3.2 車輛越壕仿真

仿真之前需點(diǎn)擊菜單中的Solver進(jìn)行求解器設(shè)置，積分器選用的是GSTIFF，積分格式選用的是SI2。GSTIFF積分器采用的是多步變階變步長(zhǎng)算法，計(jì)算精度高；SI2穩(wěn)定度指標(biāo)中考慮了速度約束方程，可以給出速度、加速度的較為精確解[8]。同時(shí)為了提高仿真精度，仿真模型需要從靜平衡狀態(tài)開始仿真[9]。

設(shè)置仿真時(shí)車輛越壕速度0.5s內(nèi)穩(wěn)定到10km/h，前輪中心距壕溝初始距離為1265mm，路面和壕溝的附著系數(shù)為0.9，仿真步長(zhǎng)為0.001。通過(guò)更改路面屬性文件不斷的調(diào)整壕溝寬度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，車輛能順利的越過(guò)寬450mm的壕溝，其越壕過(guò)程如圖5所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

在路面附著系數(shù)為0.9時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中方法計(jì)算出的本車輛越壕寬度為426mm，與本模塊仿真結(jié)果基本一致，說(shuō)明本次開發(fā)的仿真模塊能很好的仿真越壕情況。

點(diǎn)擊Results菜單中的“Plots”彈出車輛越壕結(jié)果曲線對(duì)話框，如圖6所示，點(diǎn)擊其中相應(yīng)的按鈕，可以獲得對(duì)應(yīng)的曲線。圖7為底盤質(zhì)心加速度曲線，圖8輪胎垂向力曲線，圖9輪胎下沉量曲線，圖10懸架彈簧力曲線。

（1）由圖7可知：當(dāng)車輛前后輪越壕時(shí)，底盤質(zhì)心在縱向和垂向的加速度波動(dòng)較大，說(shuō)明前后輪在駛?cè)?、駛出壕溝時(shí)受到?jīng)_擊較大，此時(shí)車內(nèi)的舒適性最差。當(dāng)車輛完成越壕駛?cè)肫秸访?，底盤質(zhì)心加速度穩(wěn)定在0附近，與車輛實(shí)際行駛情況相符。

（2）由圖8可知：前后輪所受的垂向力最小是在車輪剛好完全駛?cè)牒緶蠒r(shí)，此時(shí)輪胎的垂向力近似為0；前后輪所受的垂向力最大是在車輪剛好完全駛出壕溝時(shí)，最大值分別為10800N、11654N；當(dāng)車輛駛離壕溝時(shí)，前后輪所受垂向力分別為5310N、5482N，與車輛靜態(tài)軸荷分配基本一致。

（3）由圖9可知：車輛在越壕過(guò)程中前后輪下沉量都出現(xiàn)了突變，都先是由正值突變成負(fù)值，再由負(fù)值突變成正值，其實(shí)這兩個(gè)時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)著車輪剛好完全駛?cè)牒緶蠒r(shí)與車輪剛好完全駛出壕溝時(shí)。前后輪下沉量最大值均出現(xiàn)在車輪剛好完全駛出壕溝時(shí)，同樣說(shuō)明了此時(shí)輪胎受力最大。

（4）由圖10可知：車輛前后懸彈簧所受到的力變化趨勢(shì)與輪胎垂向力變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明仿真的正確性。后懸彈簧力波動(dòng)的程度比前懸的要大，所以后懸彈簧應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）建立了車輛越壕數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了車輛理論越壕寬度，為后續(xù)仿真提供了理論參考；

（2）以ADAMS/VIEW為基礎(chǔ)，通過(guò)定制菜單、定制對(duì)話框、建模宏命令完成了車輛越壕仿真模塊的二次開發(fā)，仿真模塊具有良好的人機(jī)交互性，能快速完成建模與結(jié)果的提取，能為研究者節(jié)省大量時(shí)間；

（3）基于二次開發(fā)的仿真模塊對(duì)車輛越壕進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，車輛仿真越壕寬度與理論計(jì)算值相接近，說(shuō)明了本仿真模塊的可靠性和具有的重要現(xiàn)實(shí)意義；

（4） 仿真模塊所獲取的車輛輪胎、懸架等部件受力情況可為車輛物理樣機(jī)研制提供技術(shù)參考。

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