韓剛，劉瑞，呂鶴

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

Solidworks 軟件具有強大的三維實體建模功能，能夠通過拖曳操作快速進行直觀的三維幾何實體建模，對零部件進行動態(tài)的干涉檢驗，隨時檢測模型是否存在問題[1]。SimMechanics 是高度集成在Simscape 環(huán)境中，用于三維剛體系統(tǒng)動態(tài)分析的子模塊，而Simscape 是在Simulink/Matlab 基礎上的擴展工具模塊，用于多種不同類型物理系統(tǒng)的建模與仿真。SimMechanics 建模方式可以直觀地表現(xiàn)出物理系統(tǒng)的組成結構，自動構建可以計算系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學方程，這些方程又可同其它Simulink 模型結合運算，大大拓展了復雜剛體系統(tǒng)的仿真能力。但是，SimMechanics 建摸過程需要預先確定每塊剛體的物理參數(shù)（質量、慣量）、連接的運動副屬性以及幾何坐標變化關系等，整個過程抽象、繁瑣、不直觀、獲取參數(shù)困難，極易導致建模錯誤。

為了提高建模效率，MATLAB 利用SimMechanics Link utility 提供Solidworks CAD 平臺接口，使Solidworks建立的三維幾何實體模型自動轉化生成SimMechanics 模型，模型中各構件的質量和慣量以及坐標參數(shù)可以自動轉化為SimMechanics 模型所需要的動力學和幾何參數(shù)，降低了在SimMechanics 中進行這些物理參數(shù)初始值人工設置的難度和仿真建模過程出現(xiàn)錯誤的機率[2]。因此，結合兩款軟件的優(yōu)點進行聯(lián)合仿真，可以提高工作效率，減少產品研發(fā)所需的時間成本。

目前，國內外學者應用該聯(lián)合仿真方法在剛體系統(tǒng)動力學分析方面進行了大量的研究工作[3-8]。從現(xiàn)有資料分析，這些研究工作主要側重于剛體系統(tǒng)的動態(tài)仿真結果分析，對該方法的使用過程、步驟以及可能出現(xiàn)的問題介紹并不詳細。本文以汽車懸架系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析為實例，詳細介紹兩種軟件聯(lián)合仿真的具體應用過程、注意事項以及可能出現(xiàn)問題的解決辦法。

1 整車懸架系統(tǒng)Solidworks 三維實體建模

Solidworks 提供了比較齊全的數(shù)據格式，這使得軟件間聯(lián)合仿真工作成為了可能，也極大地拓展了Solidworks 的應用領域。

仿真模型采用目前主流轎車的承載式車身，前懸架為麥弗遜獨立懸架，后懸架是多連桿獨立懸架。主要分為試驗臺、車輪、懸架、車身幾個部分[9]。首先建立所有零部件三維實體模型，然后根據各零部件實際的裝配和聯(lián)接關系，在Solidworks 裝配環(huán)境中裝配成整車模型，如圖1 所示。

在建模過程中，為了避免出現(xiàn)錯誤，應注意以下幾點要求：

圖1 整車裝配圖

（1）首先，裝配前要確定實際懸架的空間布置及各零部件的連接方式，確保各零部件的裝配關系正確，這是決定最終仿真結果是否正確的關鍵因素之一。

（2）建模時要簡化裝配體結構，根據功能把裝配體拆分成具有獨立功能的子裝配體，然后再把各個子裝配體與車身進行裝配。這樣既可以節(jié)省時間減少出錯率，又便于后期運動干涉情況檢查。如圖1 中所示的整車模型（除試驗臺）是將其分為車身模型、兩側麥弗遜懸架模型子裝配體及兩側多連桿懸架子裝配體，共五大具有獨立關系子裝配體。各個子裝配體保存數(shù)據文件時，要選擇保留所有零部件以及幾何參考，否則會在仿真時因為沒有閉合面而顯示不出模型動畫。

（3）模型在Solidworks 中裝配完成后，要檢查一遍配合關系，刪去多余的輔助配合關系，否則轉化到SimMechanics 后，不但影響仿真速度而且容易出現(xiàn)仿真錯誤。如圖1 中麥弗遜懸架的下叉臂與車身的裝配，如果按照實際連接關系有同軸和共面4 處裝配關系，而實際運動過程中下叉臂為一個整體，因此只需要定義其中一個分支連接的2 處裝配關系，相對于實際簡化了2 處裝配關系。整車模型的類似情況較多，將多余輔助配合關系刪除，可簡化裝配與轉化后的仿真模型，縮短仿真時間，提高仿真效率。

（4）在進行閉環(huán)裝配時，建議采用單向裝配方法，盡量不要雙向同時裝配，因為雙向同時裝配容差能力較弱，零部件微小初始幾何誤差最終都會導致裝配失敗，出現(xiàn)運動干涉的情況。如圖1 中的多連桿懸架在汽車行駛過程中，會進行復雜的空間運動，同時由于上方有兩處球鉸連接使其運動范圍有限。由于以上兩點原因，多連桿懸架對所組裝零部件的幾何尺寸和裝配完成后初始位置要求較高，一旦有微小尺寸誤差或初始位置超過實際運動范圍，均會導致懸架無法運動。針對以上問題，采用自上而下或自下而上的單向連接方法，可以避免上述問題的發(fā)生。

（5）轉化后很可能出現(xiàn)“模型初始位置不對”的錯誤，這主要是兩種情況，一種是Solidworks 中裝配體傾斜導致，解決方法在Solidworks 中把裝配體浮動擺正，或者直接在Simulink 環(huán)境模塊和結構模塊之間加一個transform 模塊糾正。另一種情況是某些剛體初始位置不對，這也可采用剛體模塊前加transform 模塊來糾正。

2 Solidworks 與SimMechanics 的軟件關聯(lián)

圖2 將CAD模型導入Simscape Mulitbody的方法

模型轉化是指將Solidworks 建立的實體模型轉化成SimMechanics 動力學仿真模型，轉化的幾種方式如2 圖所示。

本文選取的轉化路線是先在CAD 軟件（SolidWorks）中建模，然后轉成 XML 文件和 STEP 文件，再導入到SimMechanics 中進行仿真。需要說明的是：MATLAB 軟件版本的不同，可能出現(xiàn)SimMechanics 軟件包有1 代和2 代不同版本的選擇。2 代軟件包在MATLAB R2012a 中推出的，R2017b 版本之前二者并存，R2017b 版本之后完全取代1 代軟件包。2 代軟件包功能更加完善、合理，仿真速度和效率更高，因此文中以MATLAB R2019a 版本為例介紹軟件間的關聯(lián)過程，MATLAB 其它早期版本關聯(lián)過程與其大同小異。

軟件關聯(lián)是模型轉化的前提，主要是通過在MATLAB 中安裝相應的插件（smlink.r2019a. win64 和install_addon.m）來關聯(lián)兩款軟件。具體過程：主要是分為Smlink 插件安裝和文件導出及導入操作兩部分內容。Smlink 插件安裝方法如下：

（1）在MathWorks 網站下載與當前使用的MATLAB 版本對應的插件，登錄后就可以下載，無需解壓壓縮文件。

（2） 以管理員身份打開MATLAB，將所下載的文件所在路徑設置為MATLAB 路徑。

（3） 在命令欄輸入：install_addon ( 'smlink.r2019a. win64.zip' )。

（4）提示成功后，繼續(xù)輸入：regmatlabserver。

（5） 最后關聯(lián)Solidworks，輸入：smlink_link sw。

（6）全部提示成功后，打開Solidworks 菜單工具—插件，勾選Simscape Multibody Link（Simscape Multibody?的前身為SimMechanics?）。根據Solidworks 不同版本，Simscape Multibody Link 會顯示在不同位置：Solidworks插件欄、菜單欄或者工具欄中。

3 Solidworks 模型向SimMechanics 模型的轉化

在Solidworks 裝配環(huán)境（SimMechanics Link 插件只能在裝配體模式下才會出現(xiàn)）中，通過軟件數(shù)據轉換技術，將裝配體轉變成XML 文件（此文件存儲著裝配體的詳細模型描述數(shù)據）和STEP/STL 文件（此文件包含了裝配體零件的幾何性質）。在MATLAB 的命令運行窗口運行“smimport(‘XX.xml’)”,（XX 為模型文件名），可將Solidworks 導出的XML 文件和STEP/STL 文件轉化形成SimMechanics 下的SLX 格式模型文件和一個數(shù)據文件，轉化結果如圖3 所示。由建模以及轉化過程來看，僅僅要求給出Solidworks 建模所需要的零部件幾何尺寸、材料屬性、裝配關系等參數(shù)，無需人工設定SimMechanics 建模所需的剛體重心位置、各剛體之間的坐標連接關系、轉動慣量等參數(shù)。

圖3 轉化后的SimMechanics 動力學仿真模型

4 SimMechanics 仿真模型的完善

上述轉化后的仿真模型，要進行仿真還是存在一些問題，通過查閱MATLAB 官網了解到SimMechanics Link 在進行模型轉化時，由于自身功能的限制，并不是所有信息都可以轉化，如表1 所示，部分信息需要轉化后手動進行添加。

要實現(xiàn)整車振動仿真分析，還需要完善以下幾個方面：

（1）試驗臺和輪胎的連接關系需要進一步確定，否則會出現(xiàn)報錯信息，仿真無法繼續(xù)。仿真中設定車輪與試驗臺點接觸，并且振動過程中二者不脫離，因此將車輪的質心與試驗臺用線性彈簧阻尼減震器相連，這樣既可以模擬輪胎的彈性剛度和阻尼，同時又可以保證車輪與試驗臺不脫離的要求。

表1 SimMechanics Link轉化功能介紹

（2）彈簧阻尼減震器是以剛體形式轉化的，需要在轉化后的模型中設定剛度和阻尼，在SimMechanics中能直接設定相應的剛度和阻尼。

而對于非線性阻尼減震器可以通過給定非線性阻尼力數(shù)學模型，在Simulink中搭建非線性阻尼力子功能模塊，然后引入到SimMechanics主模塊的相應位置[10]。例如，該仿真算例采用的非線性阻尼器是利用Sigmoid函數(shù)建立的磁流變阻尼器力學模型[11]。這種磁流變阻尼器數(shù)學模型如下所示：

式中，mF 為磁流變阻尼器最大屈服力，β 為磁流變阻尼器的非線性系數(shù)。

基于上述的磁流變阻尼器阻尼力數(shù)學模型，使用Simulink 建立其仿真模型，如圖4 所示。

圖4 磁流變阻尼器仿真模型

利用Simulink 的信號發(fā)生器模塊，給試驗臺輸入諧波信號模擬路面激勵，同時采用信號輸出顯示模塊檢測車身位移和速度。注意，Simulink 信號是無量綱數(shù)值信號，而SimMechanics 信號是有量綱的物理信號，二者必須經過Simulink-PS Converter 模塊轉換后才能相互連接。如圖5 所示為完善部分子功能后，打包處理得到的SimMechanics 仿真模型。

圖5 完善后的SimMechanics 動力學仿真模型

5 整車懸架系統(tǒng)振動仿真功能實例

下面以正向動力學分析為例，列舉仿真分析功能。在上述非線性磁流變阻尼器仿真模型基礎上，給定外激勵頻率 f= 0.2Hz 、幅值 A= 0.05 m 、最大屈服力 Fm= 200N，磁流變阻尼器非線性系數(shù)β 分別為不同值情況下的仿真結果。圖6(a)是由Scope 模塊給出的車身位移時間歷程曲線，圖6(b)是由Graph XY 模塊給出的車身狀態(tài)相圖（以位移和速度表示）曲線，圖6(c)是由powergui 模塊給出的車身位移頻譜曲線。

由于SimMechanics 模塊高度集成于MATLAB 中，可以利用MATLAB 強大的數(shù)據可視化處理能力，拓展SimMechanics 仿真數(shù)據的后處理能力。圖7 給出了 β = 50，不同 Fm情況下，經過MATLAB 數(shù)據處理后的車身位移幅頻曲線。

以上仿真結果可以看出，SimMechanics 對復雜機械系統(tǒng)的仿真分析具有效率高、功能強的特點。

圖6 不同β 值車身位移時間歷程曲線、相平面圖和頻譜圖

圖7 不同 mF 值下的幅頻特性曲線