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） 02-0045-06

越野車輛在越野行駛過程中，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的各種障礙，如陡坡、側(cè)坡、壕溝、灌木叢、水障等。所以，對(duì)要具有良好的通過性的越野車來說，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，通過靜力平衡方程來求解車輛的越壕寬度。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。

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)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以為質(zhì)心距前軸的距離;L為軸距;ψ為路面附著系數(shù)。

將車輛參數(shù)D=636.8 mm，a=1225 mm，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行ADAMS環(huán)境的初始化設(shè)置。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＼ADAM S_x64＼2013＼

common＼mdi.bat aview ru-sti

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：¨//¨＼＼¨//¨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的主菜單上插入了一個(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：

MENUl Trench_Crossing

NAME=Trench_Crossing_menu

MENU2 Model_Create

NAME=model_create

BUTTON3 Chassis

NAME=chassis

CMD=incerface 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)話框是通過對(duì)話框編輯器來實(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。使用者無需再去關(guān)注復(fù)雜的建模過程，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。

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。GJSTIFF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。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。

設(shè)置仿真時(shí)車輛越壕速度0.5 s內(nèi)穩(wěn)定到10 km/h，前輪中心距壕溝初始距離為1265 mm，路面和壕溝的附著系數(shù)為0.9，仿真步長(zhǎng)為0.001。通過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，車輛能順利的越過寬450 mm的壕溝，其越壕過程如圖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)中方法計(jì)算出的本車輛越壕寬度為426 mm，與本模塊仿真結(jié)果基本一致，說明本次開發(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。

（I）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10800 N、11 654 N;當(dāng)車輛駛離壕溝時(shí)，前后輪所受垂向力分別為5310 N、5482 N，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。