（机械设计及理论专业论文）基于adams自动导航车多体动力学仿真分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生繇专参k 秀帆一年么月哆日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议1 时间：砂年月堰同 时间：狲占年6 月，上r 秀冬乙确夸 1 ， 红 、永 亳套 名 。 型 孙 生 签 v l r n ? 孵 黝 沈阳农业大学硕十学位论文 摘要 随着科学技术的发展，人们对车辆性能的要求越来越高。在竞争日益激烈的情况下。 采用新技术、新方法已成为提高产品竞争力的主要途径。基于虚拟样机技术进行整车系 统的建模与仿真研究，是未来汽车系统设计开发的必要环节。虚拟样机技术集建模、仿 真、优化等于一体，通过软件进行性能的计算机处理，可以缩短产品开发周期、降低开 发成本、提高产品质量，从而达到提高产品竞争力的目的。 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是当今应用最为广 泛的机械系统动力学分析软件。基于虚拟样机技术，可把车辆视为多个相互联接、能够 彼此相对运动的多体系统。为实现车辆的动力学特性在虚拟环境下的仿真和预估，建立 一个整车动力学虚拟模型。本文以自动导航车a g v ( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ) 样车为 实例，使用s o l i d w 0 r k s 软件建立前悬架及整车的三维数据模型，建立了包括车身、悬架、 转向系统、轮胎、横向稳定杆等在内的整车多体模型，对各部件之间的运动和连接做了 具体的分析，通过测量和计算获得了模型的相关参数。通过s o l i d w o r k s 与a d a m s 的转 换文件p a r a s o l i d 格式，实现了c a d 、c a e 之间数据模型的传递。模型所需质量参数直 接由a d a m s 软件自动计算求得，使这些质量参数更精确、可信。对于零部件之间的连接， 应用a d a m s 软件所提供的力约束及铰链约束等这些工具，实现能够准确反映零部件之间 相对运动关系的约束条件。应用机械系统分析软件a d a m s ，进行了悬架运动学和整车动 力学的仿真分析及优化设计。 在建立合理准确模型的基础上，结合实际车辆试验标准，文章实现了该车的操纵稳 定性基础试验，通过建立的一些测量函数，使得所需试验数据直接随仿真过程而出现， 并对结果进行了直观的数据处理。通过仿真结果同试验结果比较发现，所建模型是合理 的，并对误差做了分析。参考相关方法对试验结果进行了评价。 关键词： 动力学，运动学，仿真分析，虚拟样机技术，a d a m s 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ep e r f o r m a n c eo fa u t o 巾o b i l em u s tb e m o r ea n dm o r ep e r f e c tt om e e th u m a n s n e e d n e wt e c h n 0 1 0 9 ya n dm e a n sa r em o s t l yu 8 e dt o h e i g h t e nt h ep r o d u c t s q u a l i t yu n d e ri n c r e a s i n g l ys c o r c h i n gc o m p e t i t i o n t h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no fv e h i c l eb a s e do nv p ( v i r t u a lp r o t o t y p e ) i sa ne s s e n t i a ls t e pf o rt h es y s t e m d e s i g ni nt h ef u t u r ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g ym o d e l i n g 、 s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n e t c i tc a nb eu s e dt os h o r t e nt h et i m ea n dr e d u c et h ec o s to fr e s e a r c ha n dd e s i g n a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) i sas i m u l a t i o ns o f t w a r eo f m e c h a n i c a ls y s t e mu s e dm o s tw i d e l yi nt h ew o r l d b a s e do nt h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ， t h ea u t o m o b i l ec a nb er e g a r d e da sam u l t i b o d ys y s t e mt h a tp a r t sc o n n e c ta n dm o v e c o r r e s p o n d i n g l ye a c ho t h e r o n ev i r t u a ld y n a m i cm o d e l sa r em a d ei nt h i sp a p e r b a s e do n ap r o t o t y p eo fa g v w eb u i l d3 dm o d e l i ns o f t w a r es o l i d w o r k ，t h ea r t i c l eb u i l daw h o l ev e h i c l e m o d e lt h a tc o n t a i n sb o d y 、 s u s p e n s i o n 、s t e e r i n g s y s t e m 、 t i r e s 、a n ds t a b i l i z eb a re t co f c o u r s e 。t h ec o n n e c t i o na n dc o r r e s p o n d i n g l ym o t i o n s h o u l db ea n a l y s i s e dt h o r o u g h l y ，a n dg e t a c c u r a l ed a l aa s s oa sd o s s i b l et h e nl i a n s l 8 t el h i sm o d e l i n l oa d 怂 st h r o u g hl h es t yl e o ff i l ep a r a s 0 1 i d t h ed a r a m e t e r st h a tw en e e d e dc a nb ec a l c u l a t e db ya d a m s ，s ot h e s ev a l u e s s h o u l db ea c c u r a t e1 、ot h ej u n c t u r ep a r to ft w os e c l i o n s ，w eu s et h ej o j n ta n df o r c eo f f e r e d b ya d a m s t h i st h e s i sh a sd o n es u s p e n s i o ns y s l e m sk i n e m a t ic sa n df u hv e h i c l ed y n 鲫i c s s i m u l a t j o na n do p t j m i z a t i o nb ya p p l y i n gt h em e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s t h e nt e x tr e a i i z e dv i r n j a le x p e r i m e n t a t j o na c c o r dw i t hv e h ic 1ee x p e r i m e n ts t a n d a r d s t h ed i a g r a t h a tw en e e do nt h e e x p e r i m c n tc a nb e s 1 0 w no nt h es c r e e nt h r o u g hp h y s i c a l m e a s u r e s ， w h i c hw ec r e a t e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw e r ec o m p a r e dw i t hc x p e r i m e n tt o v a l i d a t et h ev e r a c i t vo fe s t a b l i s h e dm o d e l f a c t o r st h a tc a u s e dt h ed i f f e r e n c e sw e r e d i s c u s s e d f u r t h e rm o r e w em a r k e dt h es i m u l a t i o nr e s u l ta c c o r dw i t hs t a n d a r d s k e yw o r d s ：d y n a m i c s ，k in e m a t i c s ，s i m u i a t l o n ，v ir t u a lp r o t o t y p et e c h n o i o g y ， a d a m s 2 沈阳农业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 多体系统动力学研究发展概况 1 1 1 引言 多体系统动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统( 一 般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体动力学是在经典力 学基础上发展起来的与运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学 等领域密切相关且起着重要作用的新的分支。 在传统研究车辆动力学问题中，对于自由度少或简单类型的多自由度模型可以使 用牛顿定律、达朗伯贝尔原理、动量定理或动量矩定理来建立运动微分方程组。对于复 杂的多自由度系统，要用拉格朗同方程来推导出动力学微分方程组。 随着汽车工业的发展，研究的车辆动力学模型越来越复杂，构造动力学方程时，将 面临十分繁重的代数和微分运算，并且极易出错，手工推导已很难胜任。因此，目前以 这些方法编制的车辆动力学软件有以下缺点： 1 ) 对真实反映动力学系统实际情况的复杂模型，由于手工推导无法胜任，不得不对系 统作许多简化，降低自由度的个数。显然，这样做就很难得到精确的分析结果。 2 ) 传统的方法是：建立模型一推导方程一编制计算机程序一调试软件一计算分析所要 解决的动力学问题。一旦研究的对象或内容发生变化，不得不重新建立新的模型 或者对已有模型进行修改。这一赞时费工的操作，已不能适应当前科技与生产迅速 发展的需要。 为此，人们提出了一个想法：动力学方程的生成和求解全由计算机来实现，即只要 机械系统的物理模型一旦建立，给计算机输入描述系统的最基本的参数，如几何、物理 参数和各分离体间相互约束的关系，以后的工作就由计算机自动完成。从而推动了传统 的刚体动力学的发展，产生了多刚体动力学这力学分支。为了研究有多刚体与多柔体 组成的机械系统动力学问题，在多刚体动力学的基础l ：发展成多体系统动力学。 1 1 2 多体系统动力学的发展进程 在本世纪6 0 年代中期，经过l i k i n g sh o o k e r 、m a r g a l i e s 、r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 等人卓有成效的努力，多刚体系统动力学诞生了。它是在经典力学基础上产生的新学科 分支，它针对由多个刚体组成的力学模型，研究程式化的求解算法，咀便实现计算机自 动建立方程并求解。多剐体系统动力学诞牛以后发展很快，形成了几种风格不同的流派， 代表性的方法有r w 方法、旋量方法、凯恩方法和第一类拉格朗同方法等。1 9 7 7 年国 际理论和应用力学学会主持召开的第一次多刚体系统动力学研讨会，是这门学科发展的 重要里程碑。它标志着多刚体系统动力学的建模方法已基本得到解决。从此，原先从事 多刚体系统动力学研究的学者纷纷转向对带柔性的多体系统动力学的研究，于是，“多 刚体系统动力学”的内涵得到延伸，成为“多体系统动力学”。1 9 8 3 年，由n a t o - n s f _ a r 刚体系统动力学”的内涵得到延伸，成为“多体系统动力学”。1 9 8 3 年，由n a t o - n s f _ a r 绪论 在美国i o m 大学联合举办的机械系统动力学计算机辅助分析和优化高级讲习会及1 9 8 4 年i u t a m 、i f t o m n 主办的多体系统动力学研究会可以充分看到这门学科从理论建模到面 向工程的计算机辅助仿真研究的大发展。短短几年内，许多大型通用计算机软件不断涌 现，并在商业化方砸取得巨大成功。这些软件的应用领域非常广泛，以致西欧和北美的 工程师们已习惯于在机械系统的设计过程中，通过多体系统的仿真软件，对新设计的产 品进行研究、分析和优化，大大缩短了设计周期，并降低了通常研制中制造、调试样机 所占用的成本消耗。所以，这个过程在计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 中被称为c 从( c o m p u t e ra i d e da n a l y s i s ) ，并示为一个必要的环节。同时，在车辆、航 天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会，以交流多体软件的l 丌发和应用的经验，传递 信息并提出新的思想和研究方向。由w s c h i e h l e n 编撰的多体系统手册( m u l t i - b o d y s y s t e mh a n d b o o k ) 就是这种形式发展下的产物，其中包括了全世界范围内近2 0 个研究团 体的成果，如著名的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l v s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m 机械 系统的自动动力分析) 和d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa 几dd e s i g ns y s t e m 动力学分析和设计 系统) 等。这些软件结构性强、功用完备、操作方便，不但能够求解航天器和机器人等 以开环和低运动副为主的机构，而且能求解车辆等结构形式复杂的多闭环系统。 1 2 多体系统动力学的基本任务 多体系统动力学是经典的动力学理论同现代计算机技术相结合的产物。 其计算动力学的基本任务是： 夺建立系统运动学和动力学程式化的数学模型，u 丌发实现这个数学模型的软件系统， 用户只需输入描述系统的最基本的参数，计算机将自动进行程式化的处理过程。 夺开发和实现有效的稳定的数值计算方法，自动求解运动学和动力学方程，得到运动 学规律和动力学响应。 耷合理解释仿真结果，提供仿真结果的图形输出或将分析计算结果用图表方式告知用 户。 j 下如有限元理论在计算固体力学中的地位样，多体系统动力学是计算动力学的基 础，它的主要任务是建立适用于计算机的程式化数学模型的推导。根据动力学原理，多 体系统动力学的各种建模方法分为分析法和综合法。无论运用何种动力学原理，从最后 所得的动力学方程的结构形式来看，基本上分为两大类：第一类数学模型其方程个数与 系统自由度数相同，一般形式为：爿g = b 。这种形式首先是为丌环的航天器推出的， 它的优点是方程的个数最少，缺点是方程呈严重的非线性，矩阵a 和b 形式相当复杂，这 种复杂程度与广义坐标的选择有关。因此，这种数学模型在建立时，广义坐标的选取还 需人工干预。另外，方程中不出现系统的约束反力，方程简洁。但是对于那些需要系统 的约束反力的工程对象来院，这样的数学模型就不太理想。第二类数学模型是用统一的 广义坐标描述刚体的位置和运动。例如用3 个笛卡尔坐标描述质心位置，4 个欧拉元素描 沈阳农业大学硕士学位论文 述它的姿态建立起6 n ( n 为刚体数) 的含拉格朗日乘子的动力学方程，与这些广义坐标间 的约束方程联立构成第二类数学模型，它是一组微分一代数混合方程组，一般形式为： m g + ，7 五= f ，以刮7 。这种数学模型的特点是方程个数庞大，但是，系数矩阵m 和j 呈 稀疏状，另外，由于模型中的广义坐标已经选定，约束方程以约束库的形式先存入计算 机，只要给定约束作用的相邻刚体的序号和约束类型，计算机可自动生成约束方程，真 正做到用户不参与，计算机自动建模。此外，方程中还存在描述约束反力性质的拉格朗 日乘子。这种方法适合于车辆动力学的需要。以前由于这类数学模型的方程个数庞大， 而且这样混合型的微分代数方程组在进行数值计算时往往是刚性的，需要专门的计算方 法，所以不被人们所重视。但它的一个最大的优点是广义坐标的选择不需要人工干预。 所以，伴随着稀疏矩阵技术的发展以及对专门算法的深入研究，这类数学模型愈来愈 受到人们的广泛注意。多体系统动力学理论有很多优点： 夺适用对象广泛。由于多体系统动力学由计算机按程式化方法自动建模和分析， 并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种联接方式的系统进行计算，因此 其通用性非常强，同一程序可对各类复杂系统进行分析。 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的， 因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合 系统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大方便，能够使计算结果 更符合实际。 夺模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程，模型越 复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系统动力学的数学模型可 由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不但适用于较简单的 平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂向、 纵向及横向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、 操纵稳定性的影响综合起来研究。 1 3 多体系统动力学在车辆性能分析中的应用 多体系统动力学作为动力学仿真的一种新方法，在汽车工程领域有着广泛的应用前 景。首先，采用多体动力学分析方法，能够得到一个通用的自动建立数学模型的方法。 这种方法不仅能够求解车辆垂向、横向、纵向的空间动力学问题，而且还能对它们之间 的耦合模型进行分析。由于这种方法的通用性，它除了能对已有的车辆模型进行各种动 力学分析外，还能对未来出现的车辆类型是很有帮助的。 其次，多体系统分析方法可以与有限元技术和模态分析方法接口，随着车辆动力学 模拟的深入，对车体等柔性体不能以刚体来代替，而必须考虑它的弹性变形。目前，对 物体弹性的处理方法有多种，主要是采用有限元离散化方法与模态分析方法。由于这两 种方法已相当成熟，这样多体分析方法可以借鉴它们的现有成果，结合物体的大位移运 绪论 动来对含有弹性变形的多体系统进行分析。从而可以比较全面的模拟车辆动力学性能， 为各种新型汽车的设计和结构参数的确定提供可靠的依据。 在研究车辆诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始终是一 个关键性问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人一 车一环境的相互作用，给汽车系统动力学研究带来了很大困难，由于理论方法和计算手 段的限制，该学科曾一度发展缓慢，许多情况下不得不把模型进行较多简化，以便使问 题能够用古典力学的方法人工求解。这导致汽车许多重要特性无法得到较精确的定量分 析。计算机技术的迅速发展，使我们在处理上述问题方面产生了质的飞跃。 8 0 年代初，不仅有许多通用多体软件可以对汽车系统进行分析和计算，而且还有各 种针对汽车某类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车 系统动力学方方面面。国外各主要汽车厂家和研究机构在其c a d 系统中均安装了多体系 统动力学分析软件并与有限元、模态分析、优化等软件一起构成一个有机整体。国内从 1 9 8 7 年开始自行开发了汽车多刚体系统动力学软件，在悬架分析和整车性能分析方面得 到了成功的应用。8 0 年代后期人们开始把柔体系统动力学理论和方法用于汽车技术领 域，这标志着汽车多体系统动力学向新的层次发展。人们试图用各种有效的方法将柔性 体的力学效应并入多体动力学方程中进行分析和求解，这些方法中既有探索直接建立和 求解刚柔混合的多体系统动力学方程的方法，也有采用现有的多刚体系统动力学软件来 近似对多柔体系统进行分析的方法。后者一般要通过以下几种途径：1 用多刚体系统加 弹簧和阻尼来近似模拟多柔体系统；2 先不考虑构件位移运动与弹性变形运动的动力耦 合，首先计算多刚体系统的动力学特性，然后通过边界条件用结构力学的方法对柔性构 件进行计算，最后把二者叠加；3 先用有限元法计算重要的柔性部件，得到其刚度特性， 然后对整个系统进行多体系统分析。 国内自八十年代开始，主要运用由美国学者r e r o b e r s o n 和联邦德国学者 j w i t t e n b u r g 提出的方法( 简称r 1 w 方法) 进行汽车悬架的空问运动分析。这种方法应用 图论中的关联矩阵和通路矩阵来描述系统的结构特征及连接关系；用矢量、张量、矩阵 对复杂系统的运动学、动力学关系给出简明的统一的数学表达式，是机械系统动力学分 析的一种通用方法。 在多刚体系统动力学中，将系统结构型式分为两类开环系统( 一般为树形系统) 和闭 环系统。 从整个汽车c a e 的角度来说，汽车多体系统分析软件可完成三项任务：( 1 ) 对直接设 计的系统进行性能预铡；( 2 ) 对己有的系统进行性能测试评估：( 3 ) 对原有的设计进行改 进。分析的范围包括：运动分析、静态分析、准静态分析、动态分析、灵敏度分析等。 应用多体系统动力学理论解决实际的汽车动力学问题时，一般要经过以下几个步 骤：( 1 ) 实际系统的多体模型简化；( 2 ) 自动生成动力学方程；( 3 ) 准确求解动力学方程。 沈阳农业大学硕士学位论文 1 4 适用于车辆动力学的多体系统动力学通用软件 机械系统的种类繁多，多体系统动力学分析软件在进行机械系统运动学和动力学分 析时，还需要融合其他相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件的特长，有时希望该 软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程软件，或者反过来，该软件的输入数据可以 由其他的专用软件产生。个优秀的多体系统动力学分析软件除了可以进行机械系统运 动学和动力学分析外，还应该包含以下技术： 夺几何形体的计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术。用于机械系统 的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。 有限元分析f e a ( f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ) 软件和技术。可以利用机械系统的 运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条 件。或者利用有限元技术对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 夺模拟各种各样作用力的软件编程技术。多体系统软件运用开放式的软件编程技 术来模拟各种力和力矩，例如：电动力、液压气动力、风力等，以适应各种机 械系统的要求。 利用实验装置的试验结果进行某些构件的建模。试验结果经过线性化处理后输 入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 控制系统设计与分析技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论， 进行机械系统的运动仿真分析，或者可以应用其他专用的控制系统分析软件， 进行机械系统和控制系统的联合分析。 夺优化分析技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析是一个 重要的应用领域。通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使机械系统获 得最佳的综合性能。 自5 0 年代中期以来，国外( 特别是美国) 研制了一些机构的计算机辅助设计软件。 1 9 6 0 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件一d y a n a ( d y n a m i ca n a l y z e r ) ， 主要用于解决多自由度无约柬的机械系统的动力学问题，研制者用该软件进行了车辆的 “质量一弹簧一阻尼”模型分析。然而，虽然d y a n a 不失为第一代机构计算机辅助设计系 统的代表，但是若用该软件来解决有约束的机械系统的动力学问题，则需要一定的数学 模型将约束解除后才能使用，无疑对于稍复杂的机构，这一工作量相当大，而且d y a n a 没有提供方便求解静力学和运动学问题的型式。 1 9 6 4 年，i 叫公司为验证其计算机在工业上的应用，为汽车工业研制了运动学分析 软件k a m ( k i n e m a t i ca n a l y s i sm e t h o d ) 。该软件采用美国m i c h i g a n 大学m a c h a c e 等人 的矢量代数的分析法，对单运动链单自由度机构进行位置、速度、加速度分析。但该软 件不能对多运动链进行同时分析，不能分析高副和多自由度机构，不能方便进行静力学 和运动学分析。尽管这样，k a m 软件比d y n a 软件前进了一步，是机构运动学分析的第 代软件。m a c h a c e 等人于1 9 6 4 年研制出了运动学分析软件d a m n ( d y n 硼i ca n a l y s i so f 绪论 m e c h a n i c a ln e t w o r k s ) ，用来分析大位移下多自由度平面机构的动态响应问题。后经 d a s m i t h 等人不断改进，其功能不断完善，1 9 6 9 年定名为d r 圳( d y n 枷i cr e s p o n s eo f a r t i c u l a t e dm a c h i n e r y ) ，即铰链机构的动态响应分析软件，它可进行碰撞、冲击、振 动特性的分析模拟。以上三种软件都不是通用软件，而且不能用于交互式作业，在实际 应用中很难推广。 随着多刚体系统动力学的诞生和发展，机械系统运动学、动力学软件得到了迅速发 展。1 9 7 2 年，美国w i s c o n s i n 大学的j j u i c k e r 等人研究出了解决闭环机构运动学、动 力学通用分析软件i 咿( i n t e g r a t e dm e c h a n i s m sp r o g r a m ) ，即集成化机械程序，它能对 二维或三维、单运动链或多运动链的闭环机构进行运动学、静力学和动力学分析。1 9 7 3 年，美国m i c h i g a n 大学的n o r l a n d e a 和m a c h a c e 等人研制出了a d a m s 软件，它能分析二 维、三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统的动力学问题。 1 9 7 7 年，美国i o w a 大学的c a d 中心在e f h a u g 教授的引导下，研制了d a d s 软件，它能够 顺利解决包含柔性元件、反馈元件的空间机构运动学、动力学问题。 1 5 论文研究的目的与意义 在传统的设计理念逐步被取代的形势下，基于并行工程和虚拟样机技术的产品设计 理念得到了广泛的应用。虚拟样机技术是在计算机上建立物理样机的模型，利用分析软 件对设计进行仿真，使设计得到优化和完善。利用虚拟样机技术可以在计算机上对试验 项目进行仿真，再依据符合要求的虚拟样机进行实体的研制，进行场地的试验，这样减 少了试验的投入。虚拟样机有利于实现参数化设计和最优化控制。利用仿真技术可以方 便的建立机械系统的虚拟样机模型，在设计之初，就可以实现对整个系统的运动分析、 动力分析、载荷及应力分析等，可大大提高机械本体设计的质量和效率。丽且，仿真软 件的应用可以使设计更为优化，即在计算机上修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案， 对整个系统进行不断改进直至获得最优设计方案。同时，通过计算机仿真可以代替已有 的物理样机进行各种状态的仿真分析，降低物理样机现场实验的风险。利用实验数据对 仿真模型进行修改，以更加真实的仿真模型代替物理样机进行多次实验，综合仿真数据 与实验数据对所设计的物理样机性能做出准确的评价及提出改型建议。 本课题研究的主要目的是要建立a g v 小车车体的动力学模型，并采用图形化建模的 方法对非线性模型进行分析，利用a d a m s 软件仿真a g v 机构的动力学和运动学特性，由此 可以为a g v 的车体机械部分设计和参数分析寻求理论指导。 本文将仿真技术引入到自动导引车的机构、运动学、动力学分析中，为研究自动导 引车的作业性能、动力学特性及进一步讨论控制，从虚拟样机的角度，提供了一定的参 考依据。所建立的自动导引车为导入的参数化模型，可以通过实验数据对其进行修正， 从而为机构的设计优化、路径规划等做出铺垫，应用计算机仿真技术，对自动导引车的 车体机构进行动力学和运动学的分析。运用数学方法和虚拟样机技术，建立车体的数学 模型和三维物理样机模型分别进行动力学和运动学仿真分析，通过对多种设计方案的 沈阳农业大学硕士学位论文 仿真结果的比较和分析，找出既能挺高现有系统，又便于对现有车体进行升级改造的方 案。 通过深入细致的学习a d a m s 软件，可以更加有效的了解和利用国外先进的动力学分 析软件，把现代先进的设计和分析方法应用到机械行业，为今后的工作和学习打下一个 坚实的基础。 1 6 自动导引车的国内外研究状况 1 6 1 国外现状 世界上第一台a g v 是美国b a s r r e t t 电子公司于2 0 世纪5 0 年代开发成功的，它是种 牵引式小车系统。小车中有一个真空管组成的控制器，小车跟随一条钢丝索导引的路径 行驶。 6 0 年代和7 0 年代初，除b a s r r e t t 公司以外，w e b b 和c l a r k 公司在a g v 市场中也占有相 当的份额。在这个时期，欧洲的a g v 技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺 寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘促进了a g v 的发展。欧洲的主要制造厂家有 s c h i n d l e r d i g i t r o n 、w o g n e rh j c 、a c s 、b t c f c 、f a t a 、s a x b y 、d e n f o r d 和b 1 e c b e r t 等。7 0 年代中，欧洲约装备了5 2 0 个a g v 系统，共有4 8 0 0 台小车，1 9 8 5 年发展到一万台左 右，为美、欧、日之首。在机械制造行业的应用为：汽车工业( 5 7 ) ，柔性制造系统f m s ( 8 ) 和柔性装配系统f a s ( “) 。 欧洲的a g v 技术于8 0 年代初，通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转 移到美国。芝加哥的k e e b l e r 分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的a g v ，1 9 8 1 年j o h n 公司将a g v 连接到a s r s ，以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1 9 8 4 年，通用汽车 公司便成为a g v 的最大用户，1 9 8 6 年已达1 4 0 7 台包括牵引式小车、叉式小车和单元装载 小车，1 9 8 7 年又新增加1 6 6 2 台美国各公司在欧i f 1 技术的基础上将a g v 发展到更为先进的 水平。他们采用更先进的计算机控制系统( 可联网于f m s 或c i m s ) ，运输量更大，移载时 问更短，具有在线充电功能，以便2 4 小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的 a g v 生产厂商从2 3 家( 1 9 8 3 年) 骤增至7 4 家( 1 9 8 5 年) 。日本的第一家a g v 工厂于1 9 6 6 年由一 家运输设备供应厂与美国的w e b b 公司合资开设。到1 9 8 8 年，日本a g v 制造厂已达2 0 多家， 如大福、f a n u c 公司、m u r a t a ( 村田) 公司等。到1 9 8 6 年，日本已累计安装了2 3 1 2 个a g v 系 统，拥有5 0 3 2 台a g v 。 1 6 2 国内现状 我国工业机器人经过2 0 多年的发展，已在产业化的道路上迈开了步伐。近几年，我 国工业机器人、含工业机器人的自动化生产线和工程项目以及相关产品的年销售额已近 3 亿元。国家“八六三”高技术计划已将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨 博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、国家机械局北京自动化所 的工业机器人与应用技术工程研究中心、大连贤科机器人技术有限公司、天津市南开太 阳高技术有限公司、上海机电一体工程有限公司、上海交大海泰科技发展有限公司以及 绪论 四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等单位被确定为智能机器人的9 个产业化基地， 除南开太阳公司外，其余8 家都是我国研发和从事机器人应用工程的大户。此外，大连 组合机床所、上海富安工厂自动化公司、国家机械局机械研究院及北京机电研究所、东 风汽车公司、济南第二机床厂、济南铸锻研究所、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、 北京梢艺公司、哈尔滨风华机器厂、航天测控公司、首钢莫托曼公司、安川北科公司等 单位以开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在我国工业机器人的应用领域。 目前全国约有工业机器人用户7 0 0 多家，拥有的工业机器人约3 5 0 0 台，其中国产机 器人约占l 5 。我国工业机器人的市场受国际和国内市场、经济的影响而有所起落在国 际上，1 9 9 7 年是工业机器人创记录的销售高峰期，我国仅从日本就进口4 3 6 台i s o 定义的 工业机器人，当时也是“九五”计划的第二年，各单位资金到位，购得起机器人；而1 9 9 8 年国际机器人市场开始疲软，我国各大企业技改资金已大幅消耗，只从日本进口1 7 8 台 机器人，同时国产机器人市场也欠佳；1 9 9 9 年国际机器入市场开始回升，我国也接近“九 五”末，各大企业对机器人的需求升温，进口增加，国内各研发、生产单位也忙碌起来。 总的来讲，近几年我国工业机器人的增加为4 0 0 一6 0 0 台年。 我国工业机器人应用地域分布在华东、华北、东北、中南等地区，其中华东地区为 2 6 l 家，占3 6 ；华北地区为1 5 9 家，占2 2 ；东北三省为9 l 家，占】3 ；中南地区为1 0 7 家， 占1 5 ；西部地区的四川、重庆和陕西的应用也较活跃。边远地区除西藏外都已启动。 我国香港特别行政区和台湾省都有应用，尤其是台湾省，其应用的工业机器人总数已超 过5 0 0 0 台。在全国7 2 4 家用户中，机械行业( 机械制造和汽车工业) 共4 6 7 家，占用户的6 5 ， 电子电器和邮电通讯共9 2 家，占用户的1 3 ；可见目前我国工业机器人主要应用在汽车、 机械制造和电子f 电器三大行业。其中汽车、机械制造自7 0 8 0 年代就是主要应用行业， 而电子电器行业的应用是9 0 年代以后才开始的。 中国科学院沈阳分院成功开发的自动导航车( a g v ) 和自动导航车系统( a g v s ) 主要用 于汽车等生产线，实现动态装配，可提商装配线的自动化水平。在中国汽车生产总装线 上首次使用具有自主版权的a g v 产品和系统。沈阳金杯客车制造有限公司总装车间有9 台 a g v 构成的发动机、后桥、油箱装配生产线，己经投入生产运行诱年。该a g v 具有自动动 态跟踪、提升、定位、装配功能，已达国际先进水平。且获得多项专利，如双举升载人 自动装配导引车、双倍行程举升装置等。运用该产品及系统技术可大大提高总装生产线 动态装配的自动化程度，减少设备投资及提高生产效率。以会杯客车带4 造有限公司的9 台a g v 应用工程为例，据估算，一台a g v 国产价格要比进口的便宜2 0 万元人民币，应用工 程系统的设计调试技术费的差额更大。 1 7 自动导航车系统构成介绍 a g v 一般采用轮式驱动，具有电动车的特征。a g v 小车能在地面控制系统的统一调度 下，自动搬运货物，实现自动化的物料传送。因其具有灵活性、智能化等特点，能够方 便的重组系统，达到生产过程中的柔性化运输之目的。较之传统韵人工或半人工的物料 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 输送方式，a g v 系统大大减轻了劳动强度和危险性，提高了工作效率，在机械、电子、 纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业都可以发挥作用。国外的a g v 系统设计，应用水 平都比较高，应用范围也很广泛。国内的应用相对少一些，但是在各方面的共同努力下， 国内的a g v 系统的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。a g v 系统由控制 台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、a g v 和地砸移载设备组成。其中主控计算机 负责a g v 系统与外部系统的联系与管理，它根据现场的物料需求状况向控制台下达a g v 的 输送任务。在a g v 电池容量降到预定值后，充电系统给a g v 自动充电。地面移载设备般 采用滚道输送机、链式输送机等将物料从自动化仓库或工作现场自动移载到a g v 上，反 之也可以将物料从a g v 上移载下来并输送到目的地。a g v 、充电系统、地面移载设备等都 可以根据实际需要及工作场地任意布置，这也体现了a g v 在自动化物流中的柔性特点。 a g v 由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、移载系统和安全与辅助系统组 成。 1 8 课题研究的内容和方法 综上所述，车辆多体动力学己逐渐获得了广泛关注，随着计算机技术、建模技术和 试验分析技术的发展，基于精确系统动力学分析的多体仿真技术必将广泛地应用于车辆 动力学研究中，对提高产品的动力学性能、缩短产品的开发或改进周期、降低产品的开 发设计成本的作用将日益显著。 本课题正是应用计算机技术，采用多刚体系统动力学的理论方法。利用目前最为流 行的多体动力学分析软件a d a m s ，以自动导引车为研究对象，物理样车如图卜1 所示，建 立自动导航车的多体运动学动力学模型t 对整车在路面激励和动力激励共同作用的真 实工作环境下的行驶状态进行了动力学仿真分析，对车体转向系统的特性和车轮跳动等 进行了动力学分析。 圈卜1 试验样车 f i g1 1t e s t i n gc ar t 绪论 课题研究的主要内容有： 令运用s o l i d w 0 r k s 软件分别建立车体的独立的子系统：转向系统、前悬架后悬架系统、 前后轮胎支持系统和车身系统等。 夺了解a d a m s 软件所用的动力学方程原理。将各子系统组装起来导入a d a m s 软件最后形 成整车多体动力学模型，对模型进行参数设置和进行仿真试验分析。 夺运用a d a m s 软件对车体的虚拟模型进行动力学仿真。考察在一定速度下，给前轮以不 同的转向角输入，模型的瞬态和稳态响应特性，包括行使速度和侧向加速度等的响 应特性，以及其他的动力学特性指标。 夺在a d a m s 虚拟环境中对所建立的整车虚拟样车进行动力学仿真，并输出所需的各种评 价整车性能的特性曲线。将仿真结果和实车试验结果进行对比，以验证模型的正确 性。 1 9 研究路线 本课题根据研究内容的实际需要特制定如图l 一2 的研究路线图。 收 生 刁修 仿 设模 集 体 立i改 真 计型 资 结 模h 模 分 研 r - - 优 料 _ i 卜 构 ， 型i 丰 型 析究化 熟 性 i 悉 能 it 软 分 件析 l 一；模骖靴卜一 结果 评价 围卜2 研究路线图 f 旧卜2d ；a g r 鲫o ft h er e s e a r c hr o u t o 根据研究路线对自动导航车进行实体的建模和分析计算，通过仿真分析和实际试验 对试验车进行模型的优化。 1 1 0 本章小结 本章介绍了多体动力学的发展概况及其在车辆动力学分析中的应用，介绍了自动导 航车的发展概况，提出本文研究的目的意义及研究方法。 沈阳农业大学硕士学位论文 2 多体系统动力学与a d a m s 2 1 多体系统动力学简介 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学包括多刚体系统动力 学和多柔体系统动力学，是研究多体系统( 一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体 之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定 常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性系统动力学方程、能量表达方程式、运 动学表达式以及其它量的公式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成 的系统。 多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学的问题，各个构件之间可以 有较大的相对运动。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸。根据 多柔体系统组成特点，一般以多刚体系统动力学的研究为基础，对系统中柔体进行不同 的处理，在