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        基于ADAMS二次開發(fā)的車輛越壕仿真模塊研究

        2018-12-11 03:29:14瞿文明陳興華高憲峰居剛魏道高
        汽車科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:二次開發(fā)仿真

        瞿文明 陳興華 高憲峰 居剛 魏道高

        摘要:針對某型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:U469.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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,長期以往可能會產(chǎn)生疲勞損傷,影響使用壽命。研究車輛越壕性能,能預(yù)測車輛通過未知路面的能力,對車輛相關(guān)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

        目前,對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態(tài)變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用多體動力學(xué)分析軟件分析車輛越壕已成為可能。美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件功能強(qiáng)大,能快速準(zhǔn)確的對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(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只有一個換算系數(shù)差別,他們之間的關(guān)系為:

        對于本文中的4×2后軸驅(qū)動的車輛,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)了一個用于車輛越壕仿真分析的模塊Trench_Crossing,該模塊能自動建立仿真模型、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啟動文件start.bat和一個ADAMS環(huán)境初始化文件main.cmd。

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

        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Trench_Crossing用戶定制菜單,其共有5個子菜單,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仿真模塊的定制對話框

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

        定制的對話框具有良好的人機(jī)交互性,由于篇幅有限,只選取后懸建模對話框來介紹。后懸建模對話框如圖3所示,由于在對話框的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,在彈出的各個對話框中輸入?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系結(jié)構(gòu),將驅(qū)動力矩直接加在驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)副上。模型中共有26個部件,1個圓柱副,13個旋轉(zhuǎn)副,7個球副,2個等速副,5個固定副,3個虎克副,1個耦合副,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、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)果曲線對話框,如圖6所示,點(diǎn)擊其中相應(yīng)的按鈕,可以獲得對應(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)這兩個時(shí)刻分別對應(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與輪胎垂向力變化趨勢一致,說明仿真的正確性。后懸彈簧力波動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。

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