汽车动力学特性仿真分析与ＡＤＡＭＳ软件
封飚
内容提要：文章讨论了多体动力学的概念、方法在汽车设计领域中的应用，阐明了ＡＤＡＭＳ软件的理论基础和计算、求解方法及其应用于整车系统动力学特性仿真模型建立、分析优化的关键步骤和原则。
关键词：汽车设计，多体动力学，仿真分析，ＡＤＡＭＳ软件
２０世纪８０年代以来，汽车作为极其重要的工业产品，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性的要求越来越高。然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更加复杂、多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。基于以往的解决方法，需经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验和整车性能试验，不仅花费大量的人力、物力，延长设计周期，而且有些试验因其危险性而难以进行。广大设计人员迫切希望找到一
种能在图纸设计阶段全面、准确地预测车辆动力学性能，并可对其性能进行优化分析的办法。ＡＤＡＭＳ软件采用科所研究的问题囊括了宏观世界机械运动的主要问题。刚体系统与柔体系统的主要不同在于柔性部件的变形不可忽略，其逆运动是不确定的。柔体系统是一个时变、高度耦合、高度非线性的复杂系统。目前，比较系
统的研究方法有：牛顿—欧拉法、拉格朗日方程法、图论方法、凯恩方法、变分方法等。１．２ 汽车多体动力学应用
多体动力学应用于汽车设计，并借以计算机仿真实现，是一项前沿技术。随着其理论研究的逐步深入，计算方法的日渐成熟以及计算机技术的迅猛发展，这门科学开始走向实用。我国目前有很多汽车制造厂家、科研
单位已经引进使用和开发了多体系统计算机仿真软件，
使我们在处理车辆复杂动态特性分析方面产生了质的飞
跃。
过去的许多情况下，不得不把计算模型简化（如单
自由度、双自由度模型），以便使用古典力学方法人工求解，对于汽车振动系统中大多数非线性原件（如轮胎、变刚度悬架、橡胶衬套等）也只能采用简易算法进行局部线性模拟，从而导致车辆的许多重要特性无法得到较精确的定量分析。现在，理论方法与计算手段的突破，使我们可以坐在办公室里研究开发“虚拟汽车”，建立“虚拟试验场”，在计算机上预测汽车的动力学性能。力学模型由线性模型发展到非线性模型，模型的自由度由
两自由度发展到数十个甚至数百个自由度。模拟计算由
稳态响应特性模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动模拟
研究。
由车辆环境构成的开环控制系统也被具有驾驶员
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虚拟样机模拟技术，提供了上述问题的解决方案，可以
用于指导和修正设计，按照并行工程的概念组织产品设
计到生产，从而在真正意义上实现优化的整车系统设计。１ 多体动力学在汽车设计中的应用
１．１ 多体动力学概述
多体动力学，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（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。其中，多柔体动力学是多刚体动力学、分析力学、连续介质力学、结构动力学多学科交叉的结晶，也是航天工业、汽车工业，机器人制造业向高性能、高精度发展的必然。
这门边缘性学
神经网络模型的闭环控制系统取代。研究分析的范围包括：运动分析、静态（准静态）分析、动态分析、灵敏度分析等。国内、外大量文献列举出用多体动力学方法评价车辆操纵稳定性，研究汽车对路面随机振动输入的响应，模拟汽车转向侧倾、横摆运动，分析悬架系统中采用的弹性约束对车辆性能的影响，研究汽车碰撞过程中座椅安全带变形对人体运动的影响等等诸多方面的成功范例。总之，对于复杂的汽车系统来说，多体动力学方法是一种高效率、高精度的分析方法。
２ ＡＤＡＭＳ的分析、计算方法
２．１ ＡＤＡＭＳ简介
ＡＤＡＭＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）即为机械系统动力学分析软件，美国ＭＤＩ公司产品。它将多体动力学建模方法与大位移、
非线性分析求解功能相结合，并且提供与其它ＣＡＥ软
件，如有限元分析软件ＡＮＳＹＳ等的集成接口，是目前
市场占有率最高的动力学分析软件（其中汽车行业使用
率为４３％），具备专门用于车辆分析的模块ＡＤＡＭＳ／
Ｖｅｈｉｃｌｅ，使用非常方便。２．２ ＡＤＡＭＳ计算、求解方法
ＡＤＡＭＳ以刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，即
Ｑ１＝［ｘ，ｙ，ｘ，Ψ，θ，Φ］Ｔｉ
（１）Ｑ＝［ｑｉ，…，ｑｎ］Ｔ（２）
其动力学方程采用拉格朗日乘子法建立如下：
（３）
完整约束方程Φ（ｑ，ｔ）＝０
（４）非完整约束方程
θ（ｑ，ｑ，ｔ）＝０（５）
其中：Ｔ—系统功能；
ｑ—系统广义列阵；
Ｑ—广义力列阵；
ρ—对应于完整约束的拉氏乘子列阵；μ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。
分析计算时采用两种算法，分析计算流程图见图１。（１）三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：ＧＳ－ＴＩＦＦ积分器，ＤＳＴＩＦＦ积分器和ＢＤＦ积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适用于模拟刚性系统（特征值变化范围大的系统）。（２）ＡＢＡＭ积分求解程序，采用坐标分离算法，来求解独立坐标的微分方程，这种方法适用于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。
３ 整车多体系统仿真模型建立与分析
３．１ 原始输入参数确定
整车多体系统的几何参数、惯性参数可采用三维实体ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ计算得到。根据已有的二维零件和总成图纸，在Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ中建立车辆三维模型，输入材料特性参数后，即可计算出整车及零部件质量、质心位置、转动惯量等原始模型数据，对于一些外购总成零部件或某些用计算方法难以得到准确数值的零部件可采用试验方法获得其质量、转动惯量等参数。
减振器阻尼特性曲线可由制造商提供或者通过试验测定，根据实验数据采用三次样条插值函数建立减振器模型。
轮胎模型在操纵稳定性分析中至关重要。ＡＤＡＭＳ软件提供了四种用于动力学仿真的轮胎模型，即Ｆｉａｌａ模
型，ＵＡ模型，Ｓｍｉｔｈｅｒｓ模型，用户自定义模型。轮胎
侧偏特性、垂直特性、外倾特性等参数可通过平板式轮
胎静力学试验台测定。
３．２ 建立动态分析模型
ＡＤＡＭＳ提供与ＣＡＤ软件的数据交换接口，通过此
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接口将车辆三维实体模型输入到ＡＤＡＭＳ／Ｖｅｈｉｃｌｅ模块中，在此基础上加入适当的铰链连接（刚性铰链或橡胶衬套弹性铰链）、作用力、运动约束及质量特性（也可先建立前、后悬架模型，再用ＦｕｌｌＶｅｈｉｃｈｅ模块组合成整车模型），整车分析模型即建立完成。３．３ 模型的分析、优化
利用ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ模块，给定已知自由度的输入函数，即可对已建立的车辆动态模型进行稳态转向特性，瞬态转向特性，加速性能，侧倾横摆运动，动力传输，直线制动，转弯制动等仿真分析。在整车开环模型基础上加入驾驶员神经网络模型（或ＰＩＤ模型）建立整车闭环多体模型，即可进行单移线、双移线等典型行驶工况性能仿真，应用参数化分析方法分析影响上述动力学性能的主要参数。参照国家标准制定的性能评价指标，选择合理的优化目标函数，以相应参数可实现的最大、最小值作为约束函数，采用可行方向法对整车多体系统进行分析优化。
对于关键零部件，使用ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ对其在动态载荷作用下的强度特性进行求解，确定输入有限元分析软件的载荷边界条件，为进一步分析优化零部件性能奠定基础。
４ 结束语
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2001-3（１） ＡＤＡＭＳ软件是分析机械动态性能的优秀软件，尤其适合汽车这类复杂的多体系统。（２） 利用ＡＤＡＭＳ软件在图纸设计阶段对整车动力学性能作出较为全面的预测，对于改善整车动力学性能和关键零部件设计起到重要的指导作用。（３） ＣＡＤ软件（如Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ）、动力学分析软件（如ＡＤＡＭＳ）、有限元分析软件（如ＡＮＳＹＳ）的
图１ 分析计算流程图
综合运用，是降低成本、缩短设计周期、研发高性能车辆的有效手段，也是实现并行工程设计思想的关键。（４） 建立“虚拟汽车”和“虚拟试验场”，部分或全部替代道路试验是汽车ＣＡＥ工程的任务和必然趋势。封飚：常州长江客车集团有限公司，常州市常新路１３８号，２１３００２
收稿日期：２００１－０２－２５编 辑：
李 京