基于ADAMS與MATLAB聯合的載貨汽車平順性仿真方法研究★

陳志寧，劉夫云，鄧聚才

基于ADAMS與MATLAB聯合的載貨汽車平順性仿真方法研究★

陳志寧1，劉夫云2，鄧聚才1

（1.東風柳州汽車有限公司，商用車技術中心，柳州 545005；2.桂林電子科技大學，機電工程學院，桂林 541004）

對載貨汽車虛擬仿真模型建模方法進行了分析，基于ADAMS 建立了某型號載貨汽車剛柔耦合的平順性仿真虛擬樣機模型；基于MATLAB Simulink 工具箱建立了載貨汽車平順性仿真的路面激勵和阻尼力模型；基于ADAMS Control 模塊與MATLAB Simulink 接口建立了ADAMS/MATLAB 聯合仿真模型，開發了仿真優化程序。以某型號載貨汽車為例，對提出的方法進行了應用驗證。結果表明，提出的方法比以往剛體動力學模型具有更高的仿真精度，仿真效率和操作便利性符合企業需求。

載貨汽車；平順性仿真；剛柔耦合

1　引言

平順性是指保持汽車在行駛過程中由于路面不平度和發動機、傳動系統以及車輪等旋轉部件引起的振動和沖擊環境對乘員舒適性的影響；在一定的界限之內，對于載貨汽車還包括保持運載貨物完好的性能。車輛的平順性已成為現代運載車輛的重要評價指標。近年來，載貨汽車向高品質方向發展已成為一種趨勢，客戶對車輛舒適性的高要求使得車輛的平順性成為各大廠商關注的主要性能指標之一。目前國產汽車技術性能與先進國家相比還存在著一定差距，尤其是載貨汽車的平順性與舒適性與國際先進水平相比差距更大，導致駕駛員在行車過程中易產生作業疲勞，這不僅影響駕駛員的身體健康，還易引起疲勞駕駛，造成事故隱患。因此，提高駕駛室平順性，從而提升載貨汽車舒適性和整車性能，對增強其市場競爭力具有重要意義［1-3］。

近年來，隨著虛擬樣機技術的興起，人們基于ADAMS軟件，通過建立實體模型、定義各種約束并選擇適宜的求解器，對載貨汽車進行平順性仿真，取得了一些積極成果［4-6］。一些學者對ADAMS/MATLAB聯合仿真方法進行了初步探討［7-9］。從目前的文獻看，提出的ADAMS/MATLAB聯合仿真方法尚未充分發揮ADAMS在剛柔耦合建模、MATLAB及其Simulink工具箱在控制、數值計算方面的強大功能。本文對ADAMS/MATLAB聯合仿真方法進行了較深入研究，建立基于聯合仿真技術的、具有多個外部可調參數的載貨汽車平順性聯合仿真參數化模型，在此基礎上開發了可以方便地對剛度、阻尼、激勵等參數進行平順性聯合仿真與優化的仿真優化程序，為載貨汽車平順性仿真與優化提供了操作便利的參數化仿真優化方法與平臺。

2　剛柔耦合載貨汽車虛擬樣機模型建立

載貨汽車是一個相對比較復雜的機械系統，本文主要對底盤懸架以及駕駛室懸置剛度、阻尼以及路面和輪胎激勵等參數對車輛平順性的影響進行研究。從簡化模型、提高仿真效率的角度出發，將一些對車輛平順性影響較小的零部件進行簡化處理，將它們的質量、慣量等結構參數等效到與其相關聯的部件上。本文所建立的ADAMS虛擬樣機仿真模型主要由駕駛室、駕駛室懸置、車架、底盤懸架系統、前后橋（含輪胎）和路面激勵等所組成。利用ADAMS/View模塊，建立的某長頭車二類底盤簡化的虛擬樣機仿真模型如圖1所示。

需要說明的是，建立的模型駕駛室采用半浮懸置，前懸為橡膠襯套，剛度比后懸明顯大，為更準確地仿真駕駛室半浮懸置以及車架柔性對平順性的影響，對車架及駕駛室前懸置進行柔性化處理。建立了剛柔耦合的載貨汽車虛擬樣機模型。

3　聯合仿真模型建立

3.1模型參數分析

對建立的ADAMS虛擬樣機模型進行參數分析， 其參數主要分為兩類，狀態變量參數和非狀態變量參數。狀態變量參數可以通過ADAMS與MATLAB 通訊接口進行輸入和輸出，也是實現ADAMS和MATLAB 聯合仿真的關鍵。

本文主要研究路面激勵、輪胎激勵以及阻尼對載貨汽車平順性的影響，經過分析，共設置了27個狀態變量，其中14個輸入狀態變量，13個輸出狀態變量。輸入狀態變量主要有：輪胎處的位移激勵（包含路面激勵和輪胎偏心激勵）參數4個，前橋懸架、后橋懸架以及駕駛室懸置處的阻尼力參數10個。輸出狀態變量主要有：各個懸置的相對運動速度參數10個，駕駛室質心位置3個方向的加速度參數3個。

3.2聯合仿真模型建立

利用ADAMS Control 模塊提供的ADAMS與MATLAB之間的接口，建立了ADAMS與MATLAB兩個軟件之間的相互通訊，通過ADAMS Control 將載貨汽車整車動力學模型輸入到MATLAB。在此基礎上，根據仿真需要，對模型進行修改，主要是添加輸入輸出變量。完整的載貨汽車聯合仿真模型如圖2所示：

圖2中黃色部分是由ADAMS生成的動力學模型adams_sub模塊，大大簡化了Simulink中的建模工作，在Simulink中，主要是對一些輸入、輸出變量進行建模。

3.3模型參數輸入界面開發

聯合仿真模型，包括兩類不同的參數，狀態變量參數和非狀態變量參數，作為ADAMS模型中的輸入狀態變量參數，可以通過ADAMS和MATLAB接口，通過MATLAB進行輸入和控制。非狀態變量參數，目前尚不能通過MATLAB進行輸入和控制，需要在ADAMS 中對其進行參數化并通過ADAMS進行輸入與修改。針對兩種不同的參數，開發了不同的輸入輸出界面。

對質量、慣量、質心位置等非狀態變量，利用ADAMS 軟件自帶的菜單編輯器創建參數輸入菜單。利用 ADAMS提供的二次開發函數，開發參數輸入界面。創建的參數輸入菜單及參數輸入界面如圖3所示：

對力、位移、速度、加速度等狀態變量參數，利用MATLAB開發了程序，實現路面激勵、阻尼力等狀態變量參數，以及仿真時間等仿真參數的輸入和修改，同時實現整車平順性的仿真和優化。開發的狀態變量輸入參數以及仿真優化程序運行界面如圖4所示：

4　應用舉例

某駕駛室半浮車型，利用MATLAB建立的剛體動力學仿真模型，仿真結果與實測結果存在一定差距，難以指導企業實際生產，需要更為準確的仿真模型。利用本文建立的參數化聯合仿真模型以及仿真優化程序，以上述駕駛室半浮車型為例，對該車型進行仿真分析與優化，得到了阻尼參數優化結果。根據阻尼參數優化結果，試制新的前橋減振器，并裝車進行路面電測試驗，得到的整改前、后平順性實測結果對比情況如圖5所示。

由圖5可以看出，整改后的車型，平順性特別是低速段的平順性得到明顯改善，低速段平順性值從1.6降低到1.0，此外，車輛的平順性穩定性也得到改善，車輛的舒適性得到明顯提高。

5　結束語

論文對ADAMS 和MATLAB 聯合仿真方法進行了研究，提出了基于ADAMS 和MATLAB聯合的載貨汽車動力學建模及仿真優化方法，開發了仿真優化程序。提出的方法充分發揮了ADAMS 和MATLAB各自的優勢，實現了載貨汽車剛柔耦合平順性仿真，與傳統的單純基于ADAMS 或單純基于MATLAB 的仿真方法相比，提出的聯合仿真方法具有建模難度低、仿真精度高、操作便利、仿真效率高等特點。最后，將提出的方法應用于某駕駛室半浮載貨汽車平順性仿真，較好地解決了剛體動力學仿真精度不高的問題，解決了該型號載貨汽車的振動控制問題，對提出的方法進行了應用驗證。本論文研究工作中，尚未對柔性體參數化方法進行深入研究。下一步將對柔性體參數化方法以及柔性體自動替換剛性體方法進行研究，提高模型的通用性和建模效率。

［1］龐輝，李紅艷，方宗德等。駕駛室懸置系統對重型車輛平順性影響的試驗研究［J］. 汽車技術，2010，41（11）:52-56.

［2］徐陳夏.汽車平順性仿真分析與懸架參數優化［D］.合肥:合肥工業大學，2009.

［3］鄧聚才，馮哲，劉夫云.某載貨汽車振動控制與平順性提升方法［J］.汽車技術，2014，45（3）:10-12，30.

［4］李惠彬，劉亞彬，上官云飛.基于ADAMS的重型載貨汽車平順性仿真研究［J］.重型汽車，2007， 28（5）:10-12.

［5］邵磊，傅幸民，姚雪梅等.工程車輛ADAMS建模與平順性仿真［J］.中國工程機械學報，2005，3（2）:144-148.

［6］趙亮亮，劉夫云，鄧聚才等.基于ADAMS的載貨汽車平順性仿真與優化［J］.裝備制造技術，2014，2:44-47.

［7］李斌茂，錢志博，程洪杰，劉朝暉.AUV發動機的ADAMS/MATLAB聯合仿真研究［J］.系統仿真學報，2010，22（7）:1668-1673.

［8］孟杰，張凱，焦洪宇.空氣懸架的MATLAB和ADAMS的聯合仿真研究［J］.機械科學與技術，2013，32（4）:40-43.

［9］徐寧，詹長書.基于ADAMS和MATLAB的空氣懸架系統仿真與試驗研究［J］.汽車技術，2013，44（1）:42-44.

專家推薦

劉浩：

論文作者應用ADAMS 與MATLAB Simulink軟件，建立某汽車的聯合仿真模型，解決了單一軟件不能解決的剛柔耦合計算問題，同時創建了計算參數的控制及軟件間的交流方法，對該汽車的平順性進行分析及優化。優化結果得到了實車驗證，車輛的平順性得到了改善，說明了模型的計算結果是可信的。文章是利用ADAMS 與MATLAB Simulink 軟件解決汽車低頻振動問題的很好案例，希望讀者能從中得到借鑒。

Research on Co-simulation of Ride Comfort of Vehicle based on ADAMS and MATLAB

CHEN Zhi-ning1，LIU Fu-yun2， DENG Ju-cai1
（1.Commercial Vehicle Technology Center， DongfengLiuzhou Motor CO.，LTD.，Liuzhou， 545005，China； 2. School of Mechanical & Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology，Guilin， 541004， China）

The method to build the virtual simulation model of vehicle is analyzed. Based on ADAMS， the rigid- flexible coupled virtual prototype model for ride comfort simulation of a type heavy truck is established. Based on MATLAB Simulink toolbox， the road excitation and damping force model of ride comfort simulation of vehicle is established. Based on ADAMS Control module and MATLAB Simulink interface， the co-simulation model was built. The simulation and optimization program was developed. As an example， the above methods and program are applied to a certain type of truck， the method and the program are validated. The results show that， the precision of the proposed method is higher than that of the simulation of rigid body dynamics model， the simulation efficiency and operation convenience of the proposed method can meet the requirements of enterprises.

heavy truck； ride comfort simulation； rigid-flexible coupling

U461.4； TH113

A

1005-2550（2015）02-0010-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.003

2014-09-18

★國家自然科學基金項目（51265006），廣西科技研究與技術開發項目（桂科攻1348005-11），廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室主任課題（桂科能11-031-12_008），柳州市科技開發項目（2013H020401）。