多体动力学技术在400沙滩车开发中的应用

崔宇航刘建军史春涛郑宗志（天津大学内燃机研究所天津300072）



多体动力学技术在400沙滩车开发中的应用

崔宇航刘建军史春涛郑宗志
（天津大学内燃机研究所天津300072）

沙滩车近年来在我国不断发展。以虚拟样机技术为辅助讨论多体动力学在沙滩车开发中的应用，包括了沙滩车的三维建模，多体动力学模型的建立，并对沙滩车的斜坡跳跃运动进行了详细的模拟仿真力学分析。虚拟的沙滩车模型对于减少产品开发成本具有重要的意义，同时该结果也能为沙滩车的开发设计提供更好的参考价值。

沙滩车多体动力学虚拟样机模拟仿真

引言

沙滩车最早兴起于欧美等国家，自1970年日本厂商HONDA推出第一款全地形车至今，沙滩车已经不断发展形成了含实用型、越野竞技型（运动型）、休闲型等多种类型，并且涵盖了农业、畜牧业、林业、狩猎、牧场及军事等多种应用领域的新型交通工具［1］。目前国内的沙滩车行业虽说在不断发展，但基本停滞于仿制阶段，多数企业还在打价格仗，因此依靠性能及质量来赢得市场是国内沙滩车行业发展的必然趋势。

整车性能的优劣取决于车辆研发与设计过程的好坏，以往研发与设计过程存在很多弊端，极大地增加了产品开发成本及资源投入。本文将通过计算机模拟仿真的方法，将多体动力学应用于某型400沙滩车的开发与分析，并向生产商提供分析结果与建议。

1　沙滩车三维模型的建立

沙滩车的多体动力学模型是利用ADAMS软件对沙滩车三维模型进行约束设定以及运动副设置等一系列操作而构建。但由于ADAMS软件本身的建模功能并不强大，难以构建复杂的三维模型，因此利用建模软件UG建立沙滩车整车三维模型，之后将建立好的三维模型简化后导入到ADAMS软件之中，以此来实现进一步的仿真［2-3］。

1.1模型简化

沙滩车的整车模型的结构十分复杂，其复杂程度相对于两轮摩托车来说，更接近小型轿车。由于本文重点研究沙滩车斜坡跳跃之后的车架上关键部位的受力问题，因此在保留关键的影响因素后对整车模型进行了简化，省去了传动系统和发动机系统，但保留其质量属性，进而在使得模型简化，仿真复杂度降低的同时，尽可能地保留了仿真结果的准确性。

1.2车架及前后悬架的建模

在影响沙滩车斜坡跳跃仿真结果的众多因素当中，车架的结构以及车辆悬架的模型对仿真结果的影响最为显著，因此着重介绍着车架与悬架的建模，为仿真做进一步的准备。

1）车架建模

车架作为沙滩车骨架，承受的静载荷包括整车及外加载荷的重量，其模型的建立是整个建模环节中最为重要的一个部分，对仿真结果的准确性影响也最大。沙滩车通常为把式转向、四车轮的结构，其车架的结构既不同于四轮汽车的车架更不同于普通的两轮摩托车的车架，车架和悬架对沙滩车的各个重要部件起到了固定和限位作用。其中需要注意的是在装配连接件时要保证前后悬架与车架的连接孔分别在同一轴线上，并且保持水平，其会最终影响到仿真成功与否。完整的沙滩车车架结构图如图1所示。

图1　沙滩车车架三维模型

2）悬架建模

为提高沙滩车的操作舒适性，沙滩车前后悬架均采用独立悬架结构，与汽车的悬架结构有一定的相似性，不过与普通摩托车的悬架结构完全不同，有着本质的区别。悬架在运动过程中会因为路面凹凸不平而上下摆动，从而缓冲路面带给驾驶人员的颠簸感。该沙滩车的前、后悬架均由上、下臂组成，并且悬架与车架之间采用铰链连接，同样需要注意的就是同一摆臂的两个铰链点一定要保证在同一轴线上，并且同样保持水平，否则将会影响之后装配的准确性及动力学模型的建立，最终导致仿真错误。为保证悬架结构的刚度与强度，关键位置局部加强。完整的沙滩车前后悬架模型如图2所示。

图2　　沙滩车前后悬架模型

图3　沙滩车部分零件模型

3）其它零部件建模

除了上述的悬架与车架模型之外，沙滩车的其它一些零部件模型如图3所示。

2　沙滩车多体动力学建模

利用UG软件建模得到的沙滩车模型导入到ADAMS软件之中，根据实际情况添加各种约束以及运动副，并对一些特定零件进行参数设置，建立动力学模型，为之后对其进行斜坡跳跃的仿真与分析奠定基础。

2.1车架与悬架多体动力学模型

车架作为一个整体是其它各个部件的装配基体，上下摆臂与车架之间采用“旋转副”连接，与转向节之间采用“球面副”连接。另外，转向拉杆与转向节和转向摇臂之间分别采用“球面副”连接。车架与悬架和转向机构的约束如图4所示，左右两侧完全对称。上下摆臂中，任何一个摆臂与车架之间的两个旋转副必须在同一轴线上，否则仿真时容易出现干涉。

图4　前后悬架、车架、转向机构的运动副约束

在悬架与车架的连接中，还需对减震器和弹簧进行设置。该设置可直接由ADAMS力库调出，通过修改弹簧属性完成弹簧和减震器的添加其参数设置如图5所示。

图5　弹簧参数设置

2.2轮胎模型

ADAMS软件自带的轮胎模型需要输入很多轮胎自身特性参数，这些参数真实数值的获得需要对轮胎进行专业测试，因此本文直接利用UG软件建立轮胎模型，在保证了轮胎的尺寸与形状前提下将其设置成刚性属性，并将其装配到车架上。最后分别在两个后轮上加上旋转驱动以及旋转力矩，轮胎模型驱动及力矩的参数设置分别如图6、图7所示。

图6　后轮驱动及其参数设置

图7　后轮驱动力矩及参数设置

2.3斜坡模型

斜坡、坑洼路面等是沙滩车最经常行驶的环境，而截至目前类似这方面的研究较少，本文通过研究沙滩车在通过斜坡跳跃落地时车体关键部位的受力情况来模拟分析车辆在恶劣路面上的运行情况。其中斜坡模型直接在ADAMS软件中简化生成。最后在路面与四个轮胎之间分别设置一个接触，沙滩车多体动力学模型如图8所示。

图8　沙滩车多体动力学模型

2.4模型运动检验及自由度分析

在机械系统中，自由度表示确定一个零部件在空间位置所需要的独立坐标数目，用来衡量该零部件可以相对于其他零部件运动的可能性。因此，整个系统的自由度是表示系统特性的独立运动的数目，与整个机械系统构件的数量、运动副的类型和数量、原动机的类型和数量以及其他约束条件有关。每个自由构件具有6个自由度。

ADMAS中自由度（DOF）的计算公式为：

式中：n为系统的零部件数目（包括地面）；ni为系统内各约束所限制的自由度数目。

本文所建立的沙滩车动力学模型经过ADAMS的验证，有四个重复的约束，实际为必须，不必移除，没有多余的运动方程，模型检验正确。ADAMS的自检对话框如图9所示。

图9　模型验证正确

图10　仿真过程部分时刻沙滩车状态

3　沙滩车运动仿真及分析

沙滩车的斜坡跳跃可分为前轮离开地面、后轮离开地面、前轮接触地面、后轮接触地面四个过程。其中前轮与后轮接触地面的瞬间沙滩车受到的冲击最大，对车以及人的影响最为显著。利用ADAMS软件对沙滩车从斜坡跃下之后，前轮与后轮接触地面的瞬间车上关键部位的受力情况进行分析。仿真过程部分时刻的状态如图10所示。

3.1仿真结果分析

在仿真过程结束后，单击仿真控制面板中的绘图按钮，进入仿真后处理模块，对沙滩车的前轮、后轮、及前后悬架位置的受力情况进行绘图，获得的受力曲线如图11至图14所示。

图11　前轮受力曲线

图12　后轮受力曲线

图13　前悬架受力曲线

图14　后悬架受力曲线

由图11、图12可知，在沙滩车前轮与后轮着地时，各部位受力均达到一个峰值，其中前轮所受的最大力超过10 000 N，后轮受到的最大冲击力也超过10 000 N，前悬架所受到的最大冲击力约为4 000 N，后悬架所受到的冲击力接近5 000 N。

各测量点的位置如图15所示，其中各字母代表的位置分别为：前悬架（A-弹簧上支架；B-上臂前支架；C-上臂后支架；D-下臂前支架；E-下臂后支架），对应的有后悬架（a-弹簧上支架；b-上臂前支架；c-上臂后支架；d-下臂前支架；e-下臂后支架）各点的受力情况如表1、2所示。

图15　前、后悬架测量点

表1　前悬架各点受力情况

表2　后悬架各点受力情况

显然受力超过车体所能承受的极限，有可能造成驾驶员的生命安全，必须对设计进行改进及优化。

3.2模型优化

通过仿真结果可知，原本的沙滩车模型在斜坡跳跃时冲击力较大，不仅对车辆的稳定性造成影响，更会降低驾驶人员的驾驶舒适性以及安全性。为此，需要对沙滩车的设计进行优化，对部分参数进行重新设计。根据仿真结果，调整了前后悬架的结构，重新设置了弹簧阻尼器的刚度以及阻尼系数，同时改变了前后货架的设计，在车架的关键部位重新设计了支撑结构。其主要优化内容如图16所示。

调整后的沙滩车受力情况如图17、18、表3、表4所示。

图16优化内容

图17　优化的前轮受力曲线

图18优化的后轮受力曲线

表3　优化的前悬架各点受力情况

通过对比可知，优化后的模型有效地降低了沙滩车斜坡跳跃后落地时的冲击力，改善了驾乘的舒适性与安全性。

表4　优化的后悬架各点受力情况

4　结论

本文介绍了沙滩车三维模型及多体动力学模型的建立，并利用虚拟样机技术对沙滩车进行了斜坡跳跃的动力学仿真研究及优化设计，为多体动力学分析应用于沙滩摩托车的研究开发建立了一个平台。

1李发家，崔元胜，孙传祝.沙滩摩托车发展现状及传动系仿真分析［J］.农业装备与车辆工程，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李军，邢俊文，覃文洁，等.ADAMS实例教程［M］.北京：北京理工大学出版社，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，工程师，主要从事整车结构分析及设计工作。

（2015-07-21）