2.2 模板化建模

建立仿真模型就是要將復雜的汽車系統進行一定程度的簡化，以數學模型的形式來體現。在ADAMS中建立仿真模型的功能非常強大，可以方便地定義復雜機械系統中構件之間的約束關系，施加各種激勵（如位移、速度、加速度、力、力矩等）。模型參數的確定，是影響模型分析精度的主要因素。對于模型參數的準備工作，是必須引起仿真分析人員高度重視的工作。本書建立的車輛仿真模型所需的參數，可以總結歸納為四類：運動學（幾何定位）參數、質量參數（質量、質心與轉動慣量等）、力學特性參數（剛度、阻尼等特性）與外界參數（道路譜、風力等）。獲得模型參數有數種方法：圖紙查閱法、實驗法、計算法、CAD建模法等。

1. 運動學（幾何定位）參數

運動學參數，即車輛的相關運動部件的幾何定位參數。應用多體系統動力學理論建立車輛仿真模型時，需要依據車輛的具體結構形式，在模型中輸入各運動部件之間的安裝連接位置與相對角度等參數。這些參數決定了車輛各運動部件的空間運動關系。運動學參數一般可以在汽車的設計圖樣中查得。應該注意的是，各運動部件的相對連接位置，應在統一的整車參考坐標系中測量。在無法獲得如車輛總布置圖這樣的圖樣時，可以在掌握一些基本參數的基礎上（如運動部件的幾何外形參數與車輪定位角等），通過作圖法獲得運動學參數。如果上述方法均無法實現，則可利用三坐標測量儀測取車輛的幾何定位參數。

2. 質量參數

在機械振動系統中，系統本身的質量、質心、轉動慣量等決定了系統的特性。質量特性參數由各個運動部件的質量、質心、轉動慣量等參數組成。其中，質心、轉動慣量等與測量時選取的參考坐標有關，必要時應注明參考坐標。零部件的質量，一般應在設計圖樣上查取。但應注意零件與多體意義上的運動部件的差別。在多體系統動力學中，只要在運動過程中時刻具有相同的運動軌跡，并具有特定的聯系（如通過各種方法固定在一起的零部件），就是一個運動部件。如制動盤（鼓）與車輪是一個運動部件。一個運動部件應只有一個共同的質心與轉動慣量。整車與簧上質量的轉動慣量計算，采用參考文獻的方法計算得到。

運動部件的質心與轉動慣量的參數查取，可以通過稱重、計算、實驗等方法獲得。CAD技術的發展，提供了測量運動部件質心與轉動慣量的新方法。在目前市場領先的三維實體建模CAD軟件中，IBM公司與法國Dassult公司聯合推出的CATIA、SDRC公司的I-DEAS、EDS公司的Unigraphic、PTC公司的Pro/Engineer四種軟件都具有在指定參考坐標系中分析零部件及零部件總成的質心與轉動慣量的功能。

3. 力學特性參數

力學特性參數一般指系統的剛度、阻尼等特性。這些零部件的特性對汽車的各項性能，特別是操縱性和平順性等具有決定性影響。車輛有關零部件的剛度、阻尼等特性，一般也可在設計圖樣中查得。而如輪胎、橡膠元件動態特性等參數，一般必須通過實驗測得。

4. 外界參數

車輛的使用環境是進行車輛動力學仿真的外界條件。這些外界條件眾多，如汽車行駛道路的道路譜、高速行駛時的側向風力等，都是影響汽車動力學性能的外界因素。外界參數的內容，主要有道路譜、風力等，在某些分析中，可以忽略。道路譜主要通過測量獲得。而風力因數可以在分析計算的基礎上結合實驗獲得。

ADAMS仿真系統中文件分為以下四種類型：

1）特性文件（Property Files）：ASCII格式文件，內容是各類特性數據，可節約每次重復輸入數據的時間，常用螺旋彈簧特性文件的內容就是其力學特性試驗數據。建模過程中很多元件都要調用特性文件，各類特性文件（如彈簧特性文件、減振器特性文件等）存儲在各自的文件夾中。

2）模板（Template）：對整個機構中相對獨立的部件而言，比如懸架、動力總成、轉向系等都需要建立各自的模板，模板中應包含全部必要的零件。模板是一種參數化模型，在專家環境中建立，在標準環境下參數允許調整。參數變化后能夠調整總成中零件的位置尺寸，但零件間的連接關系不改變。

3）子系統（Subsystem）：用來定義模板，指定所用模板的文件名，定義模板的角色（如定義為前懸架還是后懸架），給出模板中所有參數的取值，指定模板中涉及的特性文件。

4）裝配（Assembly）：在裝配文件中定義組成裝配的所有子系統文件名和仿真所需的試驗臺（Test Rig），提交裝配文件后，軟件會根據各子系統文件讀取指定的模板并將它們裝配在一起。

根據重型汽車具體的結構形式，在模板庫中選取相應總成或系統的模板，并調整對應子系統文件中的相關參數變量，使各部分的位置、尺寸與目標一致，然后建立裝配文件，建立整車模型。利用ADAMS建立車輛系統的各子系統模型，并定義其相互間的約束關系，最后將各子系統按實際的空間位置及連接關系組裝起來形成整車系統的虛擬模型。

應用模板化建模方法，分別建立前懸架、后懸架、轉向系統和輪胎的模板，幾何數據直接由Pro/E三維文件轉換得到，可以保證精度，縮短建模時間，同時引入路面等外部條件的約束，結合各主要元件的動力學參數測量數據，從而形成各子系統文件，最后裝配形成整車虛擬樣機模型。在建立多體模型時，坐標系的選擇對所建模型的復雜程度及方程求解的難易程度起到很大的作用。本章建模采用ISO坐標制，坐標原點為前輪輪心，X軸指向汽車行駛的正前方，Y軸指向汽車的左側，Z軸垂直指向上方。在ADAMS中建立整車動力學仿真模型，大致可分為以下幾個步驟：

① 整車系統的分解（子系統）和物理抽象。

② 建立各子系統的模板文件。

③ 獲取各子系統的幾何定位參數、物理參數和動力學參數等重要特性。

④ 建立各子模型的子系統文件，代入子系統的參數特征。

⑤ 組裝各子系統模型組成整車系統模型，建立裝配文件。

⑥ 針對整車研究的不同方面，進行仿真計算。

⑦ 對仿真計算結果進行后處理。