CN111159906B - 基于adams二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法 - Google Patents

基于adams二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，本方法首先初步建立汽车悬架模型，对其中的橡胶衬套部件进行力学特性试验，根据试验数据对橡胶衬套理论模型进行参数识别；根据所述识别的参数对橡胶衬套理论模型进行编程；根据橡胶衬套理论模型编写ADAMS能够识别的用户子程序；对用户子程序进行编译，在ADAMS中建立动态链接库，使用动态链接库数据编写橡胶衬套刚度矩阵，之后删除原橡胶衬套理论模型，完成汽车悬架动态模型的搭建。本方法通过搭建动态仿真模型更为准确的进行悬架的动力学仿真，对汽车悬架动态性能进行比较准确地评价，促进高性能汽车悬架的开发与调校，提高汽车悬架的性能。

Description

基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法
技术领域
本发明涉及车辆动力工程技术领域，尤其涉及一种基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法。
背景技术
随着科学技术的发展，虚拟样机技术在工程技术领域中的应用越来越广泛，虚拟样机技术可以有效地降低研发成本，缩短研发周期，并且有效提高产品质量，因此多体动力学仿真如今广泛地应用于车辆动力工程技术领域。
橡胶衬套作为汽车底盘和车身及动力传动系统的连接件，对汽车乘坐舒适性和操纵稳定性都有重要影响，通过更换橡胶衬套可以改进系统的不良匹配并进一步提升车辆性能。由于橡胶衬套的使用，整车主观性能和动态品质得到调校和改善的同时，车辆系统常常表现出柔性特征，为准确仿真整车性能增加了很多难度。尤其在整车中高频性能仿真及零部件的可靠性、耐久性设计中，橡胶衬套的载荷和位形变化的准确模拟会对计算结果的有效性产生重要影响。因而，对橡胶衬套的力学特性进行探索与建模已成为当前的研究热点。
但传统的汽车悬架静态仿真模型中，橡胶衬套的刚度曲线较为单一，以及由于加载频率较低，橡胶衬套刚度性能不能很好地反映出来。随着试验时间的增长以及加载频率的增加，由于橡胶衬套等弹性元件的复杂性，其性能也会发生一定的变化，进而引起整个悬架刚度的变化以及垂向力的迟滞现象。并且随着加载频率的增加，车辆的簧下质量(即弹簧之下的重量)所产生的惯性力也会影响整个悬架系统，这也使得采用传统悬架静态仿真模型不能完全的满足悬架性能的研究分析需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，本方法通过搭建动态仿真模型更为准确的进行悬架的动力学仿真，对汽车悬架动态性能进行比较准确地评价，促进高性能汽车悬架的开发与调校，提高汽车悬架的性能。
为解决上述技术问题，本发明基于ADAMS动态仿真分析的汽车悬架动态模型搭建方法包括如下步骤：
步骤一、根据汽车悬架零部件的几何特性参数、质量特性参数、力学特性参数，初步建立汽车悬架模型；
步骤二、对汽车悬架中橡胶衬套部件进行力学特性试验，分析处理试验结果，根据试验数据对橡胶衬套理论模型进行参数识别；
步骤三、根据所述识别的参数，采用Fortran语言对橡胶衬套理论模型进行编程；
步骤四、基于Visual Studio-Intel Visual Fortran平台，根据橡胶衬套理论模型编写ADAMS能够识别的General Force Subroutine用户子程序；
步骤五、对编写完成的用户子程序进行编译；使其可以被ADAMS直接识别；；
步骤六、在ADAMS中建立动态链接库；
步骤七、将编译完成的用户子程序导入动态链接库中，使用导入后的程序编写橡胶衬套刚度矩阵，使用编写完成的橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型，之后删除原橡胶衬套理论模型，完成汽车悬架动态模型的搭建。
进一步，所述步骤一中汽车悬架模型采用多体动力学仿真软件ADAMS/View进行初步建立。
进一步，所述步骤二中采用高阶分数导数对橡胶衬套理论模型进行参数识别，所述参数识别包括：
弹性力Fe
Fe＝Ke·x (1)
其中，Ke为橡胶衬套的静态弹性刚度，x为橡胶衬套的变形位移量；
摩擦力Ff
Figure BDA0002350931150000021
其中，Ff max为最大摩擦力，x2为Ff从0开始增加至Ff max/2时的橡胶衬套变形位移量，(xs,Ffs)为摩擦力Ff随橡胶衬套位移变化曲线上的参考状态点，
Figure BDA0002350931150000022
为符号函数，表示位移的变化方向，位移增加时为正，反之为负；
粘弹性力Fv
Figure BDA0002350931150000031
其中：
Figure BDA0002350931150000032
k1、k2、c1、c2分别为分数导数系数，α、β、γ分别为分数导数阶数，取值范围为(0,1)，/>
Figure BDA0002350931150000033
为Riemann-Liouville分数阶微积分算子。
进一步，所述步骤2中橡胶衬套选取汽车悬架中前悬架的控制臂前端衬套、控制臂后端衬套以及减振器上支点衬套进行力学特性试验并进行参数识别。
进一步，所述橡胶衬套理论模型采用图形法和粒子群优化算法进行参数识别，其中，橡胶衬套的摩擦单元和弹性单元识别的参数分别为橡胶衬套的静态弹性刚度Ke、最大摩擦力Ff max和Ff从0开始增加至Ff max/2时的橡胶衬套变形位移量x2，并且采用Originlab软件中的Tangent模块进行识别。
进一步，所述步骤四中General Force Subroutine用户子程序采用可被ADAMS识别的Fortran语言进行编写，其中，橡胶衬套的径向、轴向理论模型编写成程序，扭转方向使用线性模型。
进一步，所述步骤五中采用Inter Visual Fortran编译器对程序进行编译并生成.dll文件，建立起Fortran程序算法与ADAMS求解器之间信息交互的桥梁。
进一步，所述步骤七中动态链接库文件的读取和使用，需将动态链接库文件引用到ADAMS内置求解器中的Executable数据库中。
进一步，所述步骤七中橡胶衬套刚度矩阵编写需要在用户参数中依次输入两个标记点ID号和衬套识别ID号，橡胶衬套刚度矩阵方向与橡胶衬套的安装方向必须保持一致，橡胶衬套刚度矩阵方向由其创建的两个标记点方向决定的，橡胶衬套刚度矩阵方向先绕Z轴，再绕X轴，最后绕Z轴输入橡胶衬套刚度矩阵的欧拉角。
进一步，所述步骤七中橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型的过程为：在ADAMS建立的动态链接库中导入程序后，在需要替换的橡胶衬套处添加新刚度矩阵，根据程序中橡胶衬套编号定义新刚度矩阵，依据原橡胶衬套理论模型中的橡胶衬套坐标以及新刚度矩阵的欧拉角修改新刚度矩阵，采用新刚度矩阵的橡胶衬套模型替换原橡胶衬套理论模型，删除原橡胶衬套理论模型，完成悬架动态模型的搭建。
由于本发明基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法采用了上述技术方案，即本方法首先初步建立汽车悬架模型，对其中的橡胶衬套部件进行力学特性试验，根据试验数据对橡胶衬套理论模型进行参数识别；根据所述识别的参数对橡胶衬套理论模型进行编程；根据橡胶衬套理论模型编写ADAMS能够识别的用户子程序；对用户子程序进行编译，在ADAMS中建立动态链接库，使用动态链接库数据编写橡胶衬套刚度矩阵，之后删除原橡胶衬套理论模型，完成汽车悬架动态模型的搭建。本方法通过搭建动态仿真模型更为准确的进行悬架的动力学仿真，对汽车悬架动态性能进行比较准确地评价，促进高性能汽车悬架的开发与调校，提高汽车悬架的性能。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明汽车悬架动态模型搭建方法的流程框图；
图2为本方法中高阶分数导数的模型示意图；
图3为本方法中橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型的流程框图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法包括如下步骤：
步骤一、根据汽车悬架零部件的几何特性参数、质量特性参数、力学特性参数，初步建立汽车悬架模型；
步骤二、对汽车悬架中橡胶衬套部件进行力学特性试验，分析处理试验结果，根据试验数据对橡胶衬套理论模型进行参数识别；
步骤三、根据所述识别的参数，采用Fortran语言对橡胶衬套理论模型进行编程；
步骤四、基于Visual Studio-Intel Visual Fortran平台，根据橡胶衬套理论模型编写ADAMS能够识别的General Force Subroutine用户子程序；
步骤五、对编写完成的用户子程序进行编译；使其可以被ADAMS直接识别；
步骤六、在ADAMS中建立动态链接库；
步骤七、将编译完成的用户子程序导入动态链接库中，使用导入后的程序编写橡胶衬套刚度矩阵，使用编写完成的橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型，之后删除原橡胶衬套理论模型，完成汽车悬架动态模型的搭建。
优选的，所述步骤一中汽车悬架模型采用多体动力学仿真软件ADAMS/View进行初步建立。
优选的，所述步骤二中采用高阶分数导数对橡胶衬套理论模型进行参数识别，高阶分数导数模型如图2所示，其中，k1、k2、c1、c2分别是分数导数系数，k1和k2表征了材料的弹性模量，c1和c2表征了材料的粘性；所述参数识别包括：
弹性力Fe
Fe＝Ke×x (1)
其中，Ke为橡胶衬套的静态弹性刚度，x为橡胶衬套的变形位移量；
摩擦力Ff
Figure BDA0002350931150000051
其中，Ff max为最大摩擦力，x2为Ff从0开始增加至Ff max/2时的橡胶衬套变形位移量，(xs,Ffs)为摩擦力Ff随橡胶衬套位移变化曲线上的参考状态点，
Figure BDA0002350931150000052
为符号函数，表示位移的变化方向，位移增加时为正，反之为负；
粘弹性力Fv
Figure BDA0002350931150000053
其中：
Figure BDA0002350931150000054
k1、k2、c1、c2分别为分数导数系数，α、β、γ分别为分数导数阶数，取值范围为(0,1)，/>
Figure BDA0002350931150000055
为Riemann-Liouville分数阶微积分算子。
优选的，所述步骤2中橡胶衬套选取汽车悬架中前悬架的控制臂前端衬套、控制臂后端衬套以及减振器上支点衬套进行力学特性试验并进行参数识别。具体建模过程中汽车悬架可采用麦弗逊悬架进行试验，并且橡胶衬套试验在MTS831弹性体试验机上进行。
优选的，所述橡胶衬套理论模型采用图形法和粒子群优化算法进行参数识别，其中，橡胶衬套的摩擦单元和弹性单元识别的参数分别为橡胶衬套的静态弹性刚度Ke、最大摩擦力Ff max和Ff从0开始增加至Ff max/2时的橡胶衬套变形位移量x2，并且采用Originlab软件中的Tangent模块进行识别。
优选的，所述步骤四中General Force Subroutine用户子程序采用可被ADAMS识别的Fortran语言进行编写，其中，橡胶衬套的径向、轴向理论模型编写成程序，扭转方向使用线性模型。
优选的，所述步骤五中采用Inter Visual Fortran编译器对程序进行编译并生成.dll文件，建立起Fortran程序算法与ADAMS求解器(ADAMS/Solver)之间信息交互的桥梁。
优选的，所述步骤七中动态链接库文件的读取和使用，需将动态链接库文件引用到ADAMS内置求解器中的Executable数据库(可执行文件数据库)中。
优选的，所述步骤七中橡胶衬套刚度矩阵编写需要在用户参数中依次输入两个标记点ID号和衬套识别ID号，为了能够准确地描述橡胶衬套在仿真期间的受力情况，橡胶衬套刚度矩阵方向与橡胶衬套的安装方向必须保持一致，橡胶衬套刚度矩阵方向由其创建的两个标记点方向决定的，橡胶衬套刚度矩阵方向先绕Z轴，再绕X轴，最后绕Z轴输入橡胶衬套刚度矩阵的欧拉角。
如图3所示，优选的，所述步骤七中橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型的过程为：在ADAMS建立的动态链接库中导入程序后，在需要替换的橡胶衬套处添加新刚度矩阵，根据程序中橡胶衬套编号定义新刚度矩阵，依据原橡胶衬套理论模型中的橡胶衬套坐标以及新刚度矩阵的欧拉角修改新刚度矩阵，采用新刚度矩阵的橡胶衬套模型替换原橡胶衬套理论模型，删除原橡胶衬套理论模型，完成悬架动态模型的搭建。
本方法搭建的汽车悬架动态模型能够进行高精度的激励信号仿真，相比于传统的悬架静态模型，悬架动态模型能够更好地反映出悬架系统在实际路面激励下的响应和性能，以及更好地反应悬架系统的动态特性，精度相比传统静态模型有一定程度的提高。实现悬架性能的仿真研究和悬架性能的精确评价，并可确定合理的系统设计参数，调校优化整车性能，从而自主开发高性能悬架并提高整车的性能品质。本方法经试车场载荷谱和正弦扫频信号对所搭建的轿车悬架动态模型进行验证，所搭建的悬架动态模型的悬架动态K&C指标与实际试验完全一致，具有较高的匹配度。

Claims (10)

1.一种基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：本方法包括如下步骤：
步骤一、根据汽车悬架零部件的几何特性参数、质量特性参数、力学特性参数，初步建立汽车悬架模型；
步骤二、对汽车悬架中橡胶衬套部件进行力学特性试验，分析处理试验结果，根据试验数据对橡胶衬套理论模型进行参数识别；
步骤三、根据所述识别的参数，采用Fortran语言对橡胶衬套理论模型进行编程；
步骤四、基于Visual Studio-Intel Visual Fortran平台，根据橡胶衬套理论模型编写ADAMS能够识别的General Force Subroutine用户子程序；
步骤五、对编写完成的用户子程序进行编译；使其可以被ADAMS直接识别；
步骤六、在ADAMS中建立动态链接库；
步骤七、将编译完成的用户子程序导入动态链接库中，使用导入后的程序编写橡胶衬套刚度矩阵，使用编写完成的橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型，之后删除原橡胶衬套理论模型，完成汽车悬架动态模型的搭建。
2.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤一中汽车悬架模型采用多体动力学仿真软件ADAMS/View进行初步建立。
3.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤二中采用高阶分数导数对橡胶衬套理论模型进行参数识别，所述参数识别包括：
弹性力Fe
Fe＝Ke·x (1)
其中，Ke为橡胶衬套的静态弹性刚度，x为橡胶衬套的变形位移量；
摩擦力Ff
Figure QLYQS_1
其中，Ff max为最大摩擦力，x2为Ff从0开始增加至Ff max/2时的橡胶衬套变形位移量，(xs,Ffs)为摩擦力Ff随橡胶衬套位移变化曲线上的参考状态点，
Figure QLYQS_2
为符号函数，表示位移的变化方向，位移增加时为正，反之为负；
粘弹性力Fv
Figure QLYQS_3
其中：
Figure QLYQS_4
k1、k2、c1、c2分别为分数导数系数，a、β、γ分别为分数导数阶数，取值范围为(0,1)，/>
Figure QLYQS_5
为Riemann-Liouville分数阶微积分算子。
4.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤二中橡胶衬套选取汽车悬架中前悬架的控制臂前端衬套、控制臂后端衬套以及减振器上支点衬套进行力学特性试验并进行参数识别。
5.根据权利要求3或4所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述橡胶衬套理论模型采用图形法和粒子群优化算法进行参数识别，其中，橡胶衬套的摩擦单元和弹性单元识别的参数分别为橡胶衬套的静态弹性刚度Ke、最大摩擦力Ff max和Ff从0开始增加至Ff max/2时的橡胶衬套变形位移量x2，并且采用Originlab软件中的Tangent模块进行识别。
6.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤四中General Force Subroutine用户子程序采用可被ADAMS识别的Fortran语言进行编写，其中，橡胶衬套的径向、轴向理论模型编写成程序，扭转方向使用线性模型。
7.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤五中采用Inter Visual Fortran编译器对程序进行编译并生成.dll文件，建立起Fortran程序算法与ADAMS求解器之间信息交互的桥梁。
8.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤七中动态链接库文件的读取和使用，需将动态链接库文件引用到ADAMS内置求解器中的Executable数据库中。
9.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤七中橡胶衬套刚度矩阵编写需要在用户参数中依次输入两个标记点ID号和衬套识别ID号，橡胶衬套刚度矩阵方向与橡胶衬套的安装方向必须保持一致，橡胶衬套刚度矩阵方向由其创建的两个标记点方向决定的，橡胶衬套刚度矩阵方向先绕Z轴，再绕X轴，最后绕Z轴输入橡胶衬套刚度矩阵的欧拉角。
10.根据权利要求1所述的基于ADAMS二次开发的汽车悬架动态模型搭建方法，其特征在于：所述步骤七中橡胶衬套刚度矩阵替换原橡胶衬套理论模型的过程为：在ADAMS建立的动态链接库中导入程序后，在需要替换的橡胶衬套处添加新刚度矩阵，根据程序中橡胶衬套编号定义新刚度矩阵，依据原橡胶衬套理论模型中的橡胶衬套坐标以及新刚度矩阵的欧拉角修改新刚度矩阵，采用新刚度矩阵的橡胶衬套模型替换原橡胶衬套理论模型，删除原橡胶衬套理论模型，完成悬架动态模型的搭建。
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