多體動力學技術在400沙灘車開發中的應用

崔宇航劉建軍史春濤鄭宗志（天津大學內燃機研究所天津300072）

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多體動力學技術在400沙灘車開發中的應用

崔宇航劉建軍史春濤鄭宗志
（天津大學內燃機研究所天津300072）

沙灘車近年來在我國不斷發展。以虛擬樣機技術為輔助討論多體動力學在沙灘車開發中的應用，包括了沙灘車的三維建模，多體動力學模型的建立，并對沙灘車的斜坡跳躍運動進行了詳細的模擬仿真力學分析。虛擬的沙灘車模型對于減少產品開發成本具有重要的意義，同時該結果也能為沙灘車的開發設計提供更好的參考價值。

沙灘車多體動力學虛擬樣機模擬仿真

引言

沙灘車最早興起于歐美等國家，自1970年日本廠商HONDA推出第一款全地形車至今，沙灘車已經不斷發展形成了含實用型、越野競技型（運動型）、休閑型等多種類型，并且涵蓋了農業、畜牧業、林業、狩獵、牧場及軍事等多種應用領域的新型交通工具［1］。目前國內的沙灘車行業雖說在不斷發展，但基本停滯于仿制階段，多數企業還在打價格仗，因此依靠性能及質量來贏得市場是國內沙灘車行業發展的必然趨勢。

整車性能的優劣取決于車輛研發與設計過程的好壞，以往研發與設計過程存在很多弊端，極大地增加了產品開發成本及資源投入。本文將通過計算機模擬仿真的方法，將多體動力學應用于某型400沙灘車的開發與分析，并向生產商提供分析結果與建議。

1　沙灘車三維模型的建立

沙灘車的多體動力學模型是利用ADAMS軟件對沙灘車三維模型進行約束設定以及運動副設置等一系列操作而構建。但由于ADAMS軟件本身的建模功能并不強大，難以構建復雜的三維模型，因此利用建模軟件UG建立沙灘車整車三維模型，之后將建立好的三維模型簡化后導入到ADAMS軟件之中，以此來實現進一步的仿真［2-3］。

1.1模型簡化

沙灘車的整車模型的結構十分復雜，其復雜程度相對于兩輪摩托車來說，更接近小型轎車。由于本文重點研究沙灘車斜坡跳躍之后的車架上關鍵部位的受力問題，因此在保留關鍵的影響因素后對整車模型進行了簡化，省去了傳動系統和發動機系統，但保留其質量屬性，進而在使得模型簡化，仿真復雜度降低的同時，盡可能地保留了仿真結果的準確性。

1.2車架及前后懸架的建模

在影響沙灘車斜坡跳躍仿真結果的眾多因素當中，車架的結構以及車輛懸架的模型對仿真結果的影響最為顯著，因此著重介紹著車架與懸架的建模，為仿真做進一步的準備。

1）車架建模

車架作為沙灘車骨架，承受的靜載荷包括整車及外加載荷的重量，其模型的建立是整個建模環節中最為重要的一個部分，對仿真結果的準確性影響也最大。沙灘車通常為把式轉向、四車輪的結構，其車架的結構既不同于四輪汽車的車架更不同于普通的兩輪摩托車的車架，車架和懸架對沙灘車的各個重要部件起到了固定和限位作用。其中需要注意的是在裝配連接件時要保證前后懸架與車架的連接孔分別在同一軸線上，并且保持水平，其會最終影響到仿真成功與否。完整的沙灘車車架結構圖如圖1所示。

圖1　沙灘車車架三維模型

2）懸架建模

為提高沙灘車的操作舒適性，沙灘車前后懸架均采用獨立懸架結構，與汽車的懸架結構有一定的相似性，不過與普通摩托車的懸架結構完全不同，有著本質的區別。懸架在運動過程中會因為路面凹凸不平而上下擺動，從而緩沖路面帶給駕駛人員的顛簸感。該沙灘車的前、后懸架均由上、下臂組成，并且懸架與車架之間采用鉸鏈連接，同樣需要注意的就是同一擺臂的兩個鉸鏈點一定要保證在同一軸線上，并且同樣保持水平，否則將會影響之后裝配的準確性及動力學模型的建立，最終導致仿真錯誤。為保證懸架結構的剛度與強度，關鍵位置局部加強。完整的沙灘車前后懸架模型如圖2所示。

圖2　　沙灘車前后懸架模型

圖3　沙灘車部分零件模型

3）其它零部件建模

除了上述的懸架與車架模型之外，沙灘車的其它一些零部件模型如圖3所示。

2　沙灘車多體動力學建模

利用UG軟件建模得到的沙灘車模型導入到ADAMS軟件之中，根據實際情況添加各種約束以及運動副，并對一些特定零件進行參數設置，建立動力學模型，為之后對其進行斜坡跳躍的仿真與分析奠定基礎。

2.1車架與懸架多體動力學模型

車架作為一個整體是其它各個部件的裝配基體，上下擺臂與車架之間采用“旋轉副”連接，與轉向節之間采用“球面副”連接。另外，轉向拉桿與轉向節和轉向搖臂之間分別采用“球面副”連接。車架與懸架和轉向機構的約束如圖4所示，左右兩側完全對稱。上下擺臂中，任何一個擺臂與車架之間的兩個旋轉副必須在同一軸線上，否則仿真時容易出現干涉。

圖4　前后懸架、車架、轉向機構的運動副約束

在懸架與車架的連接中，還需對減震器和彈簧進行設置。該設置可直接由ADAMS力庫調出，通過修改彈簧屬性完成彈簧和減震器的添加其參數設置如圖5所示。

圖5　彈簧參數設置

2.2輪胎模型

ADAMS軟件自帶的輪胎模型需要輸入很多輪胎自身特性參數，這些參數真實數值的獲得需要對輪胎進行專業測試，因此本文直接利用UG軟件建立輪胎模型，在保證了輪胎的尺寸與形狀前提下將其設置成剛性屬性，并將其裝配到車架上。最后分別在兩個后輪上加上旋轉驅動以及旋轉力矩，輪胎模型驅動及力矩的參數設置分別如圖6、圖7所示。

圖6　后輪驅動及其參數設置

圖7　后輪驅動力矩及參數設置

2.3斜坡模型

斜坡、坑洼路面等是沙灘車最經常行駛的環境，而截至目前類似這方面的研究較少，本文通過研究沙灘車在通過斜坡跳躍落地時車體關鍵部位的受力情況來模擬分析車輛在惡劣路面上的運行情況。其中斜坡模型直接在ADAMS軟件中簡化生成。最后在路面與四個輪胎之間分別設置一個接觸，沙灘車多體動力學模型如圖8所示。

圖8　沙灘車多體動力學模型

2.4模型運動檢驗及自由度分析

在機械系統中，自由度表示確定一個零部件在空間位置所需要的獨立坐標數目，用來衡量該零部件可以相對于其他零部件運動的可能性。因此，整個系統的自由度是表示系統特性的獨立運動的數目，與整個機械系統構件的數量、運動副的類型和數量、原動機的類型和數量以及其他約束條件有關。每個自由構件具有6個自由度。

ADMAS中自由度（DOF）的計算公式為：

式中：n為系統的零部件數目（包括地面）；ni為系統內各約束所限制的自由度數目。

本文所建立的沙灘車動力學模型經過ADAMS的驗證，有四個重復的約束，實際為必須，不必移除，沒有多余的運動方程，模型檢驗正確。ADAMS的自檢對話框如圖9所示。

圖9　模型驗證正確

圖10　仿真過程部分時刻沙灘車狀態

3　沙灘車運動仿真及分析

沙灘車的斜坡跳躍可分為前輪離開地面、后輪離開地面、前輪接觸地面、后輪接觸地面四個過程。其中前輪與后輪接觸地面的瞬間沙灘車受到的沖擊最大，對車以及人的影響最為顯著。利用ADAMS軟件對沙灘車從斜坡躍下之后，前輪與后輪接觸地面的瞬間車上關鍵部位的受力情況進行分析。仿真過程部分時刻的狀態如圖10所示。

3.1仿真結果分析

在仿真過程結束后，單擊仿真控制面板中的繪圖按鈕，進入仿真后處理模塊，對沙灘車的前輪、后輪、及前后懸架位置的受力情況進行繪圖，獲得的受力曲線如圖11至圖14所示。

圖11　前輪受力曲線

圖12　后輪受力曲線

圖13　前懸架受力曲線

圖14　后懸架受力曲線

由圖11、圖12可知，在沙灘車前輪與后輪著地時，各部位受力均達到一個峰值，其中前輪所受的最大力超過10 000 N，后輪受到的最大沖擊力也超過10 000 N，前懸架所受到的最大沖擊力約為4 000 N，后懸架所受到的沖擊力接近5 000 N。

各測量點的位置如圖15所示，其中各字母代表的位置分別為：前懸架（A-彈簧上支架；B-上臂前支架；C-上臂后支架；D-下臂前支架；E-下臂后支架），對應的有后懸架（a-彈簧上支架；b-上臂前支架；c-上臂后支架；d-下臂前支架；e-下臂后支架）各點的受力情況如表1、2所示。

圖15　前、后懸架測量點

表1　前懸架各點受力情況

表2　后懸架各點受力情況

顯然受力超過車體所能承受的極限，有可能造成駕駛員的生命安全，必須對設計進行改進及優化。

3.2模型優化

通過仿真結果可知，原本的沙灘車模型在斜坡跳躍時沖擊力較大，不僅對車輛的穩定性造成影響，更會降低駕駛人員的駕駛舒適性以及安全性。為此，需要對沙灘車的設計進行優化，對部分參數進行重新設計。根據仿真結果，調整了前后懸架的結構，重新設置了彈簧阻尼器的剛度以及阻尼系數，同時改變了前后貨架的設計，在車架的關鍵部位重新設計了支撐結構。其主要優化內容如圖16所示。

調整后的沙灘車受力情況如圖17、18、表3、表4所示。

圖16優化內容

圖17　優化的前輪受力曲線

圖18優化的后輪受力曲線

表3　優化的前懸架各點受力情況

通過對比可知，優化后的模型有效地降低了沙灘車斜坡跳躍后落地時的沖擊力，改善了駕乘的舒適性與安全性。

表4　優化的后懸架各點受力情況

4　結論

本文介紹了沙灘車三維模型及多體動力學模型的建立，并利用虛擬樣機技術對沙灘車進行了斜坡跳躍的動力學仿真研究及優化設計，為多體動力學分析應用于沙灘摩托車的研究開發建立了一個平臺。

1李發家，崔元勝，孫傳祝.沙灘摩托車發展現狀及傳動系仿真分析［J］.農業裝備與車輛工程，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李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實例教程［M］.北京：北京理工大學出版社，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，工程師，主要從事整車結構分析及設計工作。

（2015-07-21）