崔宇航劉建軍史春濤鄭宗志（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

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多體動力學(xué)技術(shù)在400沙灘車開發(fā)中的應(yīng)用

崔宇航劉建軍史春濤鄭宗志
（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

沙灘車近年來在我國不斷發(fā)展。以虛擬樣機(jī)技術(shù)為輔助討論多體動力學(xué)在沙灘車開發(fā)中的應(yīng)用，包括了沙灘車的三維建模，多體動力學(xué)模型的建立，并對沙灘車的斜坡跳躍運(yùn)動進(jìn)行了詳細(xì)的模擬仿真力學(xué)分析。虛擬的沙灘車模型對于減少產(chǎn)品開發(fā)成本具有重要的意義，同時該結(jié)果也能為沙灘車的開發(fā)設(shè)計提供更好的參考價值。

沙灘車多體動力學(xué)虛擬樣機(jī)模擬仿真

引言

沙灘車最早興起于歐美等國家，自1970年日本廠商HONDA推出第一款全地形車至今，沙灘車已經(jīng)不斷發(fā)展形成了含實用型、越野競技型（運(yùn)動型）、休閑型等多種類型，并且涵蓋了農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、狩獵、牧場及軍事等多種應(yīng)用領(lǐng)域的新型交通工具［1］。目前國內(nèi)的沙灘車行業(yè)雖說在不斷發(fā)展，但基本停滯于仿制階段，多數(shù)企業(yè)還在打價格仗，因此依靠性能及質(zhì)量來贏得市場是國內(nèi)沙灘車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

整車性能的優(yōu)劣取決于車輛研發(fā)與設(shè)計過程的好壞，以往研發(fā)與設(shè)計過程存在很多弊端，極大地增加了產(chǎn)品開發(fā)成本及資源投入。本文將通過計算機(jī)模擬仿真的方法，將多體動力學(xué)應(yīng)用于某型400沙灘車的開發(fā)與分析，并向生產(chǎn)商提供分析結(jié)果與建議。

1　沙灘車三維模型的建立

沙灘車的多體動力學(xué)模型是利用ADAMS軟件對沙灘車三維模型進(jìn)行約束設(shè)定以及運(yùn)動副設(shè)置等一系列操作而構(gòu)建。但由于ADAMS軟件本身的建模功能并不強(qiáng)大，難以構(gòu)建復(fù)雜的三維模型，因此利用建模軟件UG建立沙灘車整車三維模型，之后將建立好的三維模型簡化后導(dǎo)入到ADAMS軟件之中，以此來實現(xiàn)進(jìn)一步的仿真［2-3］。

1.1模型簡化

沙灘車的整車模型的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其復(fù)雜程度相對于兩輪摩托車來說，更接近小型轎車。由于本文重點(diǎn)研究沙灘車斜坡跳躍之后的車架上關(guān)鍵部位的受力問題，因此在保留關(guān)鍵的影響因素后對整車模型進(jìn)行了簡化，省去了傳動系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，但保留其質(zhì)量屬性，進(jìn)而在使得模型簡化，仿真復(fù)雜度降低的同時，盡可能地保留了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2車架及前后懸架的建模

在影響沙灘車斜坡跳躍仿真結(jié)果的眾多因素當(dāng)中，車架的結(jié)構(gòu)以及車輛懸架的模型對仿真結(jié)果的影響最為顯著，因此著重介紹著車架與懸架的建模，為仿真做進(jìn)一步的準(zhǔn)備。

1）車架建模

車架作為沙灘車骨架，承受的靜載荷包括整車及外加載荷的重量，其模型的建立是整個建模環(huán)節(jié)中最為重要的一個部分，對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性影響也最大。沙灘車通常為把式轉(zhuǎn)向、四車輪的結(jié)構(gòu)，其車架的結(jié)構(gòu)既不同于四輪汽車的車架更不同于普通的兩輪摩托車的車架，車架和懸架對沙灘車的各個重要部件起到了固定和限位作用。其中需要注意的是在裝配連接件時要保證前后懸架與車架的連接孔分別在同一軸線上，并且保持水平，其會最終影響到仿真成功與否。完整的沙灘車車架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　沙灘車車架三維模型

2）懸架建模

為提高沙灘車的操作舒適性，沙灘車前后懸架均采用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，與汽車的懸架結(jié)構(gòu)有一定的相似性，不過與普通摩托車的懸架結(jié)構(gòu)完全不同，有著本質(zhì)的區(qū)別。懸架在運(yùn)動過程中會因為路面凹凸不平而上下擺動，從而緩沖路面帶給駕駛?cè)藛T的顛簸感。該沙灘車的前、后懸架均由上、下臂組成，并且懸架與車架之間采用鉸鏈連接，同樣需要注意的就是同一擺臂的兩個鉸鏈點(diǎn)一定要保證在同一軸線上，并且同樣保持水平，否則將會影響之后裝配的準(zhǔn)確性及動力學(xué)模型的建立，最終導(dǎo)致仿真錯誤。為保證懸架結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度，關(guān)鍵位置局部加強(qiáng)。完整的沙灘車前后懸架模型如圖2所示。

圖2　　沙灘車前后懸架模型

圖3　沙灘車部分零件模型

3）其它零部件建模

除了上述的懸架與車架模型之外，沙灘車的其它一些零部件模型如圖3所示。

2　沙灘車多體動力學(xué)建模

利用UG軟件建模得到的沙灘車模型導(dǎo)入到ADAMS軟件之中，根據(jù)實際情況添加各種約束以及運(yùn)動副，并對一些特定零件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，建立動力學(xué)模型，為之后對其進(jìn)行斜坡跳躍的仿真與分析奠定基礎(chǔ)。

2.1車架與懸架多體動力學(xué)模型

車架作為一個整體是其它各個部件的裝配基體，上下擺臂與車架之間采用“旋轉(zhuǎn)副”連接，與轉(zhuǎn)向節(jié)之間采用“球面副”連接。另外，轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向搖臂之間分別采用“球面副”連接。車架與懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的約束如圖4所示，左右兩側(cè)完全對稱。上下擺臂中，任何一個擺臂與車架之間的兩個旋轉(zhuǎn)副必須在同一軸線上，否則仿真時容易出現(xiàn)干涉。

圖4　前后懸架、車架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副約束

在懸架與車架的連接中，還需對減震器和彈簧進(jìn)行設(shè)置。該設(shè)置可直接由ADAMS力庫調(diào)出，通過修改彈簧屬性完成彈簧和減震器的添加其參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5　彈簧參數(shù)設(shè)置

2.2輪胎模型

ADAMS軟件自帶的輪胎模型需要輸入很多輪胎自身特性參數(shù)，這些參數(shù)真實數(shù)值的獲得需要對輪胎進(jìn)行專業(yè)測試，因此本文直接利用UG軟件建立輪胎模型，在保證了輪胎的尺寸與形狀前提下將其設(shè)置成剛性屬性，并將其裝配到車架上。最后分別在兩個后輪上加上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動以及旋轉(zhuǎn)力矩，輪胎模型驅(qū)動及力矩的參數(shù)設(shè)置分別如圖6、圖7所示。

圖6　后輪驅(qū)動及其參數(shù)設(shè)置

圖7　后輪驅(qū)動力矩及參數(shù)設(shè)置

2.3斜坡模型

斜坡、坑洼路面等是沙灘車最經(jīng)常行駛的環(huán)境，而截至目前類似這方面的研究較少，本文通過研究沙灘車在通過斜坡跳躍落地時車體關(guān)鍵部位的受力情況來模擬分析車輛在惡劣路面上的運(yùn)行情況。其中斜坡模型直接在ADAMS軟件中簡化生成。最后在路面與四個輪胎之間分別設(shè)置一個接觸，沙灘車多體動力學(xué)模型如圖8所示。

圖8　沙灘車多體動力學(xué)模型

2.4模型運(yùn)動檢驗及自由度分析

在機(jī)械系統(tǒng)中，自由度表示確定一個零部件在空間位置所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)目，用來衡量該零部件可以相對于其他零部件運(yùn)動的可能性。因此，整個系統(tǒng)的自由度是表示系統(tǒng)特性的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目，與整個機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)件的數(shù)量、運(yùn)動副的類型和數(shù)量、原動機(jī)的類型和數(shù)量以及其他約束條件有關(guān)。每個自由構(gòu)件具有6個自由度。

ADMAS中自由度（DOF）的計算公式為：

式中：n為系統(tǒng)的零部件數(shù)目（包括地面）；ni為系統(tǒng)內(nèi)各約束所限制的自由度數(shù)目。

本文所建立的沙灘車動力學(xué)模型經(jīng)過ADAMS的驗證，有四個重復(fù)的約束，實際為必須，不必移除，沒有多余的運(yùn)動方程，模型檢驗正確。ADAMS的自檢對話框如圖9所示。

圖9　模型驗證正確

圖10　仿真過程部分時刻沙灘車狀態(tài)

3　沙灘車運(yùn)動仿真及分析

沙灘車的斜坡跳躍可分為前輪離開地面、后輪離開地面、前輪接觸地面、后輪接觸地面四個過程。其中前輪與后輪接觸地面的瞬間沙灘車受到的沖擊最大，對車以及人的影響最為顯著。利用ADAMS軟件對沙灘車從斜坡躍下之后，前輪與后輪接觸地面的瞬間車上關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行分析。仿真過程部分時刻的狀態(tài)如圖10所示。

3.1仿真結(jié)果分析

在仿真過程結(jié)束后，單擊仿真控制面板中的繪圖按鈕，進(jìn)入仿真后處理模塊，對沙灘車的前輪、后輪、及前后懸架位置的受力情況進(jìn)行繪圖，獲得的受力曲線如圖11至圖14所示。

圖11　前輪受力曲線

圖12　后輪受力曲線

圖13　前懸架受力曲線

圖14　后懸架受力曲線

由圖11、圖12可知，在沙灘車前輪與后輪著地時，各部位受力均達(dá)到一個峰值，其中前輪所受的最大力超過10 000 N，后輪受到的最大沖擊力也超過10 000 N，前懸架所受到的最大沖擊力約為4 000 N，后懸架所受到的沖擊力接近5 000 N。

各測量點(diǎn)的位置如圖15所示，其中各字母代表的位置分別為：前懸架（A-彈簧上支架；B-上臂前支架；C-上臂后支架；D-下臂前支架；E-下臂后支架），對應(yīng)的有后懸架（a-彈簧上支架；b-上臂前支架；c-上臂后支架；d-下臂前支架；e-下臂后支架）各點(diǎn)的受力情況如表1、2所示。

圖15　前、后懸架測量點(diǎn)

表1　前懸架各點(diǎn)受力情況

表2　后懸架各點(diǎn)受力情況

顯然受力超過車體所能承受的極限，有可能造成駕駛員的生命安全，必須對設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。

3.2模型優(yōu)化

通過仿真結(jié)果可知，原本的沙灘車模型在斜坡跳躍時沖擊力較大，不僅對車輛的穩(wěn)定性造成影響，更會降低駕駛?cè)藛T的駕駛舒適性以及安全性。為此，需要對沙灘車的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，對部分參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計。根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)整了前后懸架的結(jié)構(gòu)，重新設(shè)置了彈簧阻尼器的剛度以及阻尼系數(shù)，同時改變了前后貨架的設(shè)計，在車架的關(guān)鍵部位重新設(shè)計了支撐結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)化內(nèi)容如圖16所示。

調(diào)整后的沙灘車受力情況如圖17、18、表3、表4所示。

圖16優(yōu)化內(nèi)容

圖17　優(yōu)化的前輪受力曲線

圖18優(yōu)化的后輪受力曲線

表3　優(yōu)化的前懸架各點(diǎn)受力情況

通過對比可知，優(yōu)化后的模型有效地降低了沙灘車斜坡跳躍后落地時的沖擊力，改善了駕乘的舒適性與安全性。

表4　優(yōu)化的后懸架各點(diǎn)受力情況

4　結(jié)論

本文介紹了沙灘車三維模型及多體動力學(xué)模型的建立，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對沙灘車進(jìn)行了斜坡跳躍的動力學(xué)仿真研究及優(yōu)化設(shè)計，為多體動力學(xué)分析應(yīng)用于沙灘摩托車的研究開發(fā)建立了一個平臺。

1李發(fā)家，崔元勝，孫傳祝.沙灘摩托車發(fā)展現(xiàn)狀及傳動系仿真分析［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（4）：18-22

2Kamalakkannan K，Elayaperumal A，Managlaramam S.Simulation aspects of a full-car ATV model semi-active suspension［J］.Engineering，2012，4（7）：384-389

3李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實例教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002

Application of Multi-body Dynamics Technique on ATV400 Developing

Cui Yuhang，Liu Jianjun，Shi Chuntao，Zheng Zongzhi
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Nowadays，ATV has been rapidly developing in China.This paper is about the application of multi-body-dynamics on the ATV′s R&D procedure with the help of Virtual Prototype technology，

including ATV 3D model and ATV multi-body dynamics model，and the simulation of ATV′s jumping down the hill is analyzed in detail.It is of great meaning for reducing the cost in the procedure of ATV research and developing by using the virtue prototype，the result is valuable in designing ATV as well.

ATV，Multi-body-dynamic，Virtual prototype，Simulation

U489

A

2095-8234（2015）06-0062-06

崔宇航（1983-），女，工程師，主要從事整車結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計工作。

（2015-07-21）