基于模板技術的汽車多體動力學建模研究

王波興，王一波，黃運保

（華中科技大學 國家CAD支撐軟件工程技術研究中心，湖北 武漢430074）

0 引 言

多體系統建模技術是多體系統仿真分析平臺的關鍵技術之一，建模方法直接影響仿真分析結果［1］。隨著數學、力學和計算技術的發展，汽車動力學研究由原來的集中參數模型拓展到多體參數模型［2］。集中參數模型，如配有機械式變速器的傳動系動力學模型［3］，美國密西根大學建立的十七自由度整車模型等。多體參數模型，是把汽車的零部件看成剛體或柔體，用運動學約束來描述零部件間的連接，然后由相應軟件工具（如 MSC.ADAMS）自動建立動力學方程進行求解［4］，國內不少學者對此進行了深入的研究［5－6］。總的說來，目前的動力學仿真軟件大都具有較強的仿真分析功能，但是在模型的前處理方面存在一些不足，建模效率和模型可重用性低、模型不易維護、可讀性差、模板開放性低［7］，如 MSC.Adams/car雖已非常成熟，但其模板文件格式是專有的，未對用戶開放，模型結構不容易理解，對模板進行擴展較難。為提高車輛動力學建模的質量和效率，本文通過對已有模型的重復利用，采用對用戶開放的模板技術，對汽車動力學模型進行描述、組織和管理，提供了一個邏輯上一致的車輛模型，使不同水平的工程人員可基于模板獲得一個車輛動力學模型的雛形，然后進行各種設計開發活動，能減少工作量、保證建模質量。本文采用XML語言進行模板描述，XML的靈活性、可讀性、可擴展性與專有文件格式的模板相比，具有很大的優勢，對用戶開放的模板技術使得定制、擴展模板更為方便。

1 汽車動力學建模技術

1.1 汽車仿真的動力學建模

車動力學仿真主要可分為建模，求解，后處理3個步驟。建模屬于前處理階段，通常是先建立三維幾何實體模型，然后添加力學要素和約束，消除冗余約束后進行裝配，得到力學模型，根據各種力學原理，分析得到不同工況下車輛受力和其它動力學特性間的關系，建立數學模型，再由求解器進行求解，最終得到模型的運動學和動力學特性分析結果，這些結果以曲線和動畫的形式表現，可作為車輛設計分析的重要參考。若采用一般的交互式建模，則要求建模人員有較高的數學、力學、計算機專業等背景知識，且需要嚴格的測試來保證模型的正確性，降低了效率。

1.2 汽車動力學的模板化建模技術

模板概念出現已久，不僅在建筑、鑄造等行業得到了廣泛的應用，而且滲透到了辦公自動化、軟件工程、圖像處理、CAD等領域［8］。模板是從一類相似事物中抽象出的共同特征，同時包含了基于這些特征的處理方法，這一類事物在模板的約束下根據模板產生，實際事物是模板在具體領域的實例。

針對當前汽車動力學仿真軟件建模復雜、模型結構可讀性差、模板開放程度低等缺點，本文研究了對用戶開放的模板化建模技術，采用“基本模板－結構模板－模板實例化”的架構，將其應用于汽車動力學建模仿真。不同類型的汽車動力學模型雖然存在不同程度上的差異，但是在系統的基本組成上有許多共同點，模板技術把汽車動力學模型中不同汽車的共性部分抽象為模板框架，采用一種通用的表示方法來描述。采用基本模板來描述車輛模型各個基本構件的屬性、特征和功能，同時用結構模板來描述系統整體的拓撲結構及各個基本模板之間的約束關系。基模板在結構模板的組織下形成一個整車模板，然后進行實例化得到整車模型實例。整個模板框架集成了前人已有的設計經驗，減少了重復勞動。在實際建模過程中，設計者可以從模板庫中選擇某種符合自己要求的結構模板，對于個別基本模板進行替換或者修改，然后實例化，即可快速得到所需模型。

2 動力學模型的模板描述

模板具有多種應用形式，可依據使用模板的方式及目的將模板分為兩大類型：比對式模板和生成式模板［9］。本文采用生成式模板，它是通過分析提煉大量的實例經驗而得到的，用語義描述以及符號表示等知識表示技術進行保存。在生成新的設計對象時，只需根據需求把相關的數據應用于該模板，然后進行相應操作即可。

2.1 模板的結構

描述車輛動力學基本零部件的模板稱為基本模板。對于車輛動力學系統，可將其看作一個裝配體，由各個子系統裝配而成，這些子系統包括車身、懸架、輪胎、轉向系統、制動系統、動力總成，這些子系統可抽象成一級基本模板，對這些一級子系統可進一步劃分出二級子系統，如動力總成可以劃分為，發動機、扭矩轉換器、變速器、分速箱、差速器等基本部件，這些基本部件可抽象為二級基本模板。對二級基本模板下的一些不可再細化的部件可抽象出三級基本模板。

如圖1所示，基本模板（Template）的結構包括模板標識（ID）、對象成員（Objects）、屬性（Attributes）以及規則（Rules），用擴展的巴克斯范式（extended backusnaur form，EBNF）表示為：Template：：＝＜ID，Objects，Attributes，Rules＞

圖1 模板的結構

其中，ID是模板名，定義模板所描述事物的類別；Objects是一個對象集合，這些對象共同組成模板所描述的事物，是一個遞歸的定義，對于最基本的零部件，它退化為自身；Attributes是模板所描述事物本身所具有的特征屬性，它包括屬性名稱（attribute name）、屬性值（attribute value）、賦值方式（obtain attribute），賦值方式主要有以下3種形式：用戶輸入、默認值、繼承上層模板；Rules是組成該模板的對象之間、不同模板之間進行操作時應遵循的規則，它包括規則的類別、名稱、規則值的獲取方式和規則值。

描述汽車各個子系統拓撲關系的模板成為結構模板。它是從一類整體結構相似但局部參數不同的車輛抽象出來的，由N（N＞0）個結構模板或基本模板以一定的方式組合而成。它并不細化到車輛設計的具體參數，僅描述某類車輛的拓撲結構。

2.2 模板的描述語言

動力學模型的模板采用XML語言來描述。XML即可擴展標記語言（extensible markup language），是一種標記語言，是當前處理結構化文檔信息的有力工具，是W3C的推薦標準。它的設計宗旨是傳輸數據、存儲數據，使用一系列自定義的標簽來描述數據。

與Adams/car的模板文件格式相比，XML描述的模板具有以下優點：作為一種可擴展性標記語言，其自描述性使其非常適合不同應用間的數據交換，而且這種交換是不以預先規定一組數據結構定義為前提，具有很強的開放性；可讀性好，通過標簽對設計數據進行描述，樹形層次結構使信息便于理解；可擴展性好，可以添加新的XML標簽來描述新擴充的模板部件信息或模板新加區段信息；可以實現模板文件結構與相對應的參數分離，分離后的參數文件仍具有一定的結構形式；可驗證和可維護性好，可利用XML Schema對模板文件結構進行正確性有效性的驗證，易于用戶維護。

2.3 基于實例推理的模型生成

2.3.1 模板與模板實例的關系

模板本身只是一個規范和標準，只有通過實例化才能生成模板實例。模板實例在結構上同模板具有本質上的差異。模板實例描述的是車輛建模的最終設計結果，是通過對抽象模板指定參數來產生的。抽象模板描述的只是某種類型車輛的設計架構，并沒有生成具體的車輛實例，因此需要對抽象模板進行具體的參數賦值，實現模板實例化，得到模板個體，最終完成車輛建模。模板和實例在層次上是一一對應的，模板分解和實例分解以及他們的對應關系如圖2所示。

將各個小的子實例儲存在不同的模板中，構建成大的樹形層級模板實例庫，在基于實例推理時能提高檢索效率和提取實例時的正確性。

模板個體是一個三元組，用EBNF表示為，Template Instance：：＝＜ID，Objects，Attributes＞，其中，ID是所屬模板名；Objects是構成模板所描述模型的對象集合，此時每個對象的所有特征是確定的，這是與模板中的Objects的區別。Attributes是模板實例的特征屬性集合，與模板中Attributes的區別是此時的每個屬性已被賦值。

2.3.2 模板專家系統

模板專家系統包括用戶界面、模板庫、工程數據庫、圖形庫、知識庫、模板檢查模塊、參數分離模塊以及求解器接口模塊等幾個部分，其結構和基本機理如圖3所示。

用戶通過系統提供的人機交互界面，直觀方便地定義自己的車輛模型，或者擴充修改已有的車輛模型。系統將用戶的定義依照特定的規則翻譯成相應格式的XML文件送到模板庫中存儲。使用模板時，系統借助于相應的函數，將用戶選擇的模板信息從模板庫中提取出來，對用戶修改過的模板進行合法性檢查，并提示用戶進行修改，驗證通過后，對模板進行實例化，把建造好的模型實例進行參數分離，通過求解器接口將其傳送給相應的求解器進行仿真分析計算。

2.3.3 模板實例化

利用模板生成模型實例的過程稱為模板實例化，該過程需要知識庫的支持。同一模板生成的不同模型實例具有相同的內部結構，不同的內部狀態。車輛建模過程中需要大量的經驗知識、設計規范，比如車輛結構設計知識、模板選擇知識、設計參數選擇知識等，知識庫用來存儲和管理這些知識。

模板的實例化包括兩個過程，即基本模板的實例化和結構模板的實例化。基本模板的實例化是一個指定參數的過程，模板只是個框架，實例化即在知識庫的支持下對相應變量指定參數。當各個零部件子系統設計完成之后，即在基本模板被實例化后，便可對結構模板進行實例化，即將這些子實例依照該模板定義的規則進行組合，提取參數賦給相應對象的屬性，并將對象送給求解器接口。

針對不同模型，將建模過程分為兩種情況。第一種，新建模型是現有模板庫中已有模板的重新組合，或者實例庫中有相似模型的實例；第二種，新建模型中存在部分模塊無法與模板庫中的已有模板匹配，需重新設計。對于第一種情況，新建一個實例時，設計人員可根據設計意圖，在樹狀層級實例庫中自上而下逐級搜索選擇，提取相應子模板下的相似實例，然后在知識庫的支持下，修改參數，從而組合產生一個新的實例。圖4為一個車輛懸架實例的索引樹。

圖4 車輛懸架實例索引樹

對于第二種情況，在實例庫中沒有搜索到與當前條件相符的實例，即該問題的原形對于此系統而言代表了一類全新的實例。系統將自動為其生成一個新模板，并根據該模板的級別將其存入相應級別的模板庫以實現對該類問題的歸類，對模板指定參數進行實例化后，將該實例存入模板實例庫。

3 基于模板技術的車輛動力學建模

3.1 車輛動力學子系統模板

在工程設計過程中，對于復雜機械系統通常可以按照功能、結構分解成若干個子部件獨立進行設計，以降低系統的整體設計難度［10］。本文將車輛動力學系統分為車身、懸架、輪胎、轉向系統、制動系統、動力總成等一級子系統；對動力總成，分為變速箱、分動箱、發動機、扭矩轉換器、差速器等二級子系統；對懸架，分為減震器、彈性元件等三級子系統。圖5為某重型汽車起重機底盤動力學系統的部分分解結構。

圖5 某重型汽車起重機底盤動力學系統分解圖（部分）

以下示例性的給出了車輛車身基本模板的結構。

車身模板描述如下：

＜車身模板＞：：＝＜車身－ID＞＜車身－對象＞＜車身－屬性＞＜車身－規則＞

＜車身－對象＞：：＝＜NULL＞

＜車身－屬性＞：：＝＜文件信息＞＜工程參數＞

＜文件信息＞：：＝＜文件類別＞＜更新時間＞

＜文件類別＞：：＝＜庫＞＜類＞

＜工程參數＞：：＝＜空氣動力學＞＜質量＞＜慣量＞＜質心坐標＞＜輪心高＞＜輪距＞

＜空氣動力學＞：：＝＜參考點坐標＞＜參考長度＞＜迎風面積＞＜空氣動力學系數＞

＜空氣動力學系數＞：：＝＜力＞＜力矩＞

＜力＞：：＝＜橫向＞＜縱向＞＜垂向＞

＜力矩＞：：＝＜橫向＞＜縱向＞＜垂向＞

＜車身－規則＞：：＝＜NULL＞

采用XML描述的車輛車身基本模板的實例片段如下所示，鑒于文章篇幅所限，僅列出部分文件內容。

車身模板實例的XML描述如下：

車身模板實例的XML中描述的車身模板實例包括了實例文件自身的信息和車身以及空氣動力學的一些參數。同樣的，一個子系統結構模板包含該系統的結構、必要的一些組件以及這些組件之間的相互關系、一些基本的設計參數和對一些特性文件的引用。示例中的設計參數包括車身的質量、轉動慣量、車身質心的位置、車輛的迎風面積等數據。特性文件描述組件的屬性，如發動機的轉速扭矩圖，這些文件以文本文件保存在工程數據庫中，模板描述中只提供該文件的名字，實例化時系統自動根據名字找到相應文件并讀取相關數據。類似的組件還有變速箱、差速器、扭矩轉換器、彈簧、阻尼器等，這些參數均保存在工程數據庫中，供模板庫調用。

3.2 構建汽車模板庫

利用模板化的建模技術，針對不同類型的汽車，建立不同的基本車輛模板。對于同一子系統，如懸架，針對不同的懸架類型建立不同的懸架模板。各種基本模板和結構模板形成了汽車模板庫。汽車模板庫采用三層結構，交互界面層，庫管理層，數據層。

交互界面層用來和用戶進行交互，提供模板查詢、參數編輯操作。庫管理層用來維護模板庫，提供模板庫選擇、模板管理、實例管理、工程屬性信息設定、圖形信息設定等，其中模板管理功能包括模板升級和刪除以及新建自定義模板和實例，這樣就可以不斷擴展模板庫以滿足工程需要，同時使這些經驗能夠得到有效重用。數據層包括圖形庫和工程數據庫，圖形庫主要是車輛各個部件的三維幾何圖形信息，以及車輛外形信息，為仿真分析的后續動畫仿真提供數據，工程數據庫則由車輛的各種特性文件和特征參數組成，為模板的實例化提供數據源支持。

3.3 汽車整車建模軟件

本文采用基于模板技術的建模方法構建了汽車動力學仿真建模模塊，并利用其進行動力學建模，取得了較好的效果。下面以某重型汽車為例來展現基于模板的建模過程。

首先，根據在車型選擇界面選擇相應的車輛類型，系統根據用戶的選擇從模板庫中提取相應的車輛模板，并初始化所有參數值，用戶可根據需求利用交互界面提供的參數化設計功能，修改相應參數或者替換相應子系統模板，如圖6所示，最終得到所需模型。

圖6 汽車懸架的參數設置界面

為驗證所建車輛動力學模型的合理性及精度，將仿真結果和實驗結果進行對比。本文對車輛進行閉環控制的雙移線工況進行仿真，車輛以40Km/h行駛，總仿真時間為11S。這里選取3個參數結果進行比較。圖7為車身側傾角圖，圖8為車身側向加速度圖，圖9為車身橫擺角速度圖。圖中，虛線為仿真數據，實線為實驗數據。通過曲線對比圖可知，由于建模時做了一些簡化和假設，仿真結果和實驗結果有一定的誤差，但是仿真曲線和實驗曲線從趨勢上是吻合的，說明了所建立的車輛動力學模型的合理性。

4 結束語

本文采用模板技術和基于實例推理相結合的方法，來實現汽車多體動力學建模。將工程技術人員已建立的動力學模型抽象為模板，使設計經驗可得到有效復用；采用XML語言進行模板描述解決了目前一些專有模板開放性不夠、可擴展性不強的缺點，使得建立專有并且對用戶開放的模板庫變得容易；在模型實例的生成上，采用了基于實例推理的技術，實現了汽車動力學模型的快速建模，提高了設計效率；最后用實例驗證了所建模型的合理性。另外，該技術已應用于某重型汽車起重機數字化樣機的開發中，證明了本文提出的方法是可行的。

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