基于ADAMS二次開發的車輛越壕仿真模塊研究

瞿文明　陳興華　高憲峰　居剛　魏道高

摘 要：針對某型4×2越野車輛，建立了其越壕數學模型為仿真提供理論參考，利用ADAMS宏命令、定制界面完成了車輛越壕仿真模塊的二次開發設計，仿真模塊具有良好的人機交互性，能快速的完成仿真模型的建立與結果的提取。仿真結果表明，該模塊能較準確的仿真車輛越壕工況并獲取車輛相關部件受力情況，能為車輛強度等相關設計提供計算依據。

關鍵詞：越壕；ADAMS；二次開發；仿真；

中圖分類號：U469.3 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）03-0061-06

Study of Vehicles Trench Crossing Simulation Module Based on ADAMS Secondary Development

QU Wen-ming1， CHEG Xing-hua2， GAO Xian-feng2， JU Gang2， WEI Dao-gao1

（1.School of Automotive and Traffic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 23009， China；2.Jianghuai Automobile Technology Center， Hefei 230091， China）

Abstract：A mathematical model of trench crossing is established for a 4×2 off-road vehicle， which provides a theoretical reference for simulation. Using the ADAMS macro command， the custom interface completes the secondary development design of the vehicles trench crossing simulation module. The simulation module has a good human-computer interaction， and can quickly complete the simulation model establishment and results extraction. The simulation results show that the module can simulate the condition of the vehicle trench crossing accurately and obtain the force of the relevant parts of the vehicle， and provide the calculation basis for the vehicle strength and other related design.

越野車輛在越野行駛過程中，經常要克服一些比較惡劣的道路狀況，這些道路上可能存在著影響車輛通過的各種障礙，如陡坡、側坡、壕溝、灌木叢、水障等[1]。所以，對要具有良好的通過性的越野車來說，越壕能力是其性能重要評價指標之一。且車輛在通過壕溝這種特殊路況時，車輛各部件的受力情況較行駛在平整路面上時要復雜的多，長期以往可能會產生疲勞損傷，影響使用壽命。研究車輛越壕性能，能預測車輛通過未知路面的能力，對車輛相關設計具有重要指導意義。

目前，對車輛越壕能力的研究大多采用的是理論研究，即在車輛參數已知的情況下，通過靜力平衡方程來求解車輛的越壕寬度[2-4]。這種方法的不足在于不能動態分析車輛越壕情況，更無法計算車輛輪胎、懸架等部件受力的動態變化。隨著計算機技術的發展，應用多體動力學分析軟件分析車輛越壕已成為可能。美國MDI公司開發的ADAMS軟件功能強大，能快速準確的對機械系統進行運動學與動力學仿真計算，現已廣泛應用于車輛、航天等領域[5]。

本文針對某型4×2越野車輛，以ADAMS軟件為基礎，完成了車輛越壕仿真模塊的二次開發設計，并進行了仿真分析。

1 車輛越壕數學模型的建立

車輛在越壕時由于速度都很低，可用靜力學去分析車輛越壕能力。文獻[1]指出車輛越壕寬度Ld與車輛越障高度h只有一個換算系數差別，他們之間的關系為：

對于本文中的4×2后軸驅動的車輛，其前后輪越障高度分別為：

式中：D為輪胎直徑；a為質心距前軸的距離；L為軸距；φ為路面附著系數。

將車輛參數D =636.8mm，a =1225mm，L=2600mm代入上述公式，利用MATLAB編制相關程序進行求解，其結果如圖1所示。由圖1可以看出，前后輪的越壕寬度都隨著路面附著系數的增大而增大，后輪的越壕寬度小于前輪，后輪的越壕能力是制約整車越壕能力的關鍵。

2 車輛越壕仿真模塊的二次開發

以ADAMS/VIEW為基礎，開發了一個用于車輛越壕仿真分析的模塊Trench_Crossing，該模塊能自動建立仿真模型、完成仿真分析、獲取分析結果。

2.1 二次開發文件的組織及ADAMS環境的初始化

本次基于ADAMS/VIEW的二次開發文件全部存放在F盤的yuehao文件夾中，其中包含用于存放菜單文件的menus文件夾、存放對話框文件的dialog_boxes文件夾、存放圖標文件的icons文件夾、存放屬性文件的properties文件夾。除了以上四種主體文件，yuehao文件夾中還包括一個啟動文件start.bat和一個ADAMS環境初始化文件main.cmd。

啟動文件start.bat的作用是設定二次開發系統運行路徑，啟動ADAMS/VIEW，調用main.cmd進行ADAMS環境的初始化設置[6]。啟動文件代碼如下所示。

set MDI_yuehao=F：＼yuehao

set MDI_CMD=mdi

cd %MDI_yuehao%

Call D：＼MSC.Software＼ADAMS_x64＼2013＼

common＼mdi.bat aview ru-st i

copy main.cmd aview.cmd

文件main.cmd主要代碼如下所示。

！定義路徑變量

If cond=（！db_exists（".MDI.yuehao_dir"））

var create var=.MDI.yuehao_dirstring

=（eval（"F："http://"＼＼"http://"yuezhao"））

end

！設置ADAMS的單位以及坐標系統

defaults units length=mm time=sec angle=deg mass=kg force=newton

defaults units coordinate_system_type=

Cartesian orientation_type=body313

！讀入對話框文件

file command read file ="./dialog_boxes/

dbox_chassis"

…………………

！讀入主菜單文件

Interface menubar read menubar

=.gui.main.mbar="./menus/yuehaomenu"

…………………

2.2 仿真模塊的定制菜單

車輛越壕仿真模塊的菜單是在ADAMS/VIEW的主菜單上插入一個Trench_Crossing用戶定制菜單，其共有5個子菜單，如圖2所示。子菜單的作用分別為建立仿真模型、調整仿真模型參數、設置仿真求解器、建立仿真腳本、獲取仿真結果。

用戶自定義菜單是二次開發模塊在初始化時通過讀取menus文件夾中的yuehaomenu文件實現的，yuehaomenu文件是在原ADAMS/VIEW菜單文件中加入用戶編制的命令，其增加的命令部分代碼如下：

MENU1 Trench_Crossing

NAME=Trench_Crossing_menu

MENU2 Model_Create

NAME=model_create

BUTTON3 Chassis

NAME=chassis

CMD=interface dialog display dialog

=.gui.dbox_chassis

SEPARATOR3

BUTTON3 Front_suspension

NAME=front_suspension

CMD=interface dialog display dialog

=.gui.dbox_front_suspension

………………

2.3 仿真模塊的定制對話框

用戶可以根據實際需求定制自己的對話框，本次二次開發中定制的對話框是通過對話框編輯器來實現的。定制的對話框包括：底盤建模對話框、前懸建模對話框、轉向系建模對話框、后懸建模對話框、路面輪胎建模對話框、添加驅動對話框、模型調整對話框、結果曲線對話框。

定制的對話框具有良好的人機交互性，由于篇幅有限，只選取后懸建模對話框來介紹。后懸建模對話框如圖3所示，由于在對話框的execution_commands已經加入了建模宏命令，使用者只需輸入后懸的相關參數，再點擊“確定”按鈕即可以完成后懸的建模。使用者無需再去關注復雜的建模過程，能大大減少動力學分析所需的時間。

3 車輛越壕仿真分析

3.1 車輛越壕仿真模型的建立

建立車輛越壕仿真模型，只需點擊子菜單Model_Create中的按鈕，在彈出的各個對話框中輸入參數后點擊“確定”按鈕，最終建立的仿真模型如圖4所示。整車模型中忽略了傳動系結構，將驅動力矩直接加在驅動輪旋轉副上。模型中共有26個部件，1個圓柱副，13個旋轉副，7個球副，2個等速副，5個固定副，3個虎克副，1個耦合副，模型自由度為13。

仿真模型中的道路模型選用的是3D道路3d_road_obstacle_pothole，輪胎模型選用的是FTire模型。盡管輪胎模型有很多種，如UA、Fiala、Swift、FTire等，但并不是都適合仿真越壕這種特殊工況。FTire模型是高級、復雜的輪胎力元素，仿真車輛越障時可以獲得非常高的精度[7]。

3.2 車輛越壕仿真

仿真之前需點擊菜單中的Solver進行求解器設置，積分器選用的是GSTIFF，積分格式選用的是SI2。GSTIFF積分器采用的是多步變階變步長算法，計算精度高；SI2穩定度指標中考慮了速度約束方程，可以給出速度、加速度的較為精確解[8]。同時為了提高仿真精度，仿真模型需要從靜平衡狀態開始仿真[9]。

設置仿真時車輛越壕速度0.5s內穩定到10km/h，前輪中心距壕溝初始距離為1265mm，路面和壕溝的附著系數為0.9，仿真步長為0.001。通過更改路面屬性文件不斷的調整壕溝寬度進行仿真，仿真結果表明，車輛能順利的越過寬450mm的壕溝，其越壕過程如圖5所示。

3.3 仿真結果分析

在路面附著系數為0.9時，根據文獻[1]中方法計算出的本車輛越壕寬度為426mm，與本模塊仿真結果基本一致，說明本次開發的仿真模塊能很好的仿真越壕情況。

點擊Results菜單中的“Plots”彈出車輛越壕結果曲線對話框，如圖6所示，點擊其中相應的按鈕，可以獲得對應的曲線。圖7為底盤質心加速度曲線，圖8輪胎垂向力曲線，圖9輪胎下沉量曲線，圖10懸架彈簧力曲線。

（1）由圖7可知：當車輛前后輪越壕時，底盤質心在縱向和垂向的加速度波動較大，說明前后輪在駛入、駛出壕溝時受到沖擊較大，此時車內的舒適性最差。當車輛完成越壕駛入平整路面，底盤質心加速度穩定在0附近，與車輛實際行駛情況相符。

（2）由圖8可知：前后輪所受的垂向力最小是在車輪剛好完全駛入壕溝時，此時輪胎的垂向力近似為0；前后輪所受的垂向力最大是在車輪剛好完全駛出壕溝時，最大值分別為10800N、11654N；當車輛駛離壕溝時，前后輪所受垂向力分別為5310N、5482N，與車輛靜態軸荷分配基本一致。

（3）由圖9可知：車輛在越壕過程中前后輪下沉量都出現了突變，都先是由正值突變成負值，再由負值突變成正值，其實這兩個時刻分別對應著車輪剛好完全駛入壕溝時與車輪剛好完全駛出壕溝時。前后輪下沉量最大值均出現在車輪剛好完全駛出壕溝時，同樣說明了此時輪胎受力最大。

（4）由圖10可知：車輛前后懸彈簧所受到的力變化趨勢與輪胎垂向力變化趨勢一致，說明仿真的正確性。后懸彈簧力波動的程度比前懸的要大，所以后懸彈簧應有足夠的強度。

4 結論

（1）建立了車輛越壕數學模型，計算了車輛理論越壕寬度，為后續仿真提供了理論參考；

（2）以ADAMS/VIEW為基礎，通過定制菜單、定制對話框、建模宏命令完成了車輛越壕仿真模塊的二次開發，仿真模塊具有良好的人機交互性，能快速完成建模與結果的提取，能為研究者節省大量時間；

（3）基于二次開發的仿真模塊對車輛越壕進行了仿真，仿真結果表明，車輛仿真越壕寬度與理論計算值相接近，說明了本仿真模塊的可靠性和具有的重要現實意義；

（4） 仿真模塊所獲取的車輛輪胎、懸架等部件受力情況可為車輛物理樣機研制提供技術參考。

參考文獻：

[1]余志生. 汽車理論.第5版[M]. 機械工業出版社， 2009.

[2]馮煒，胡于進， 李左龍. 8×8越野車通過溝臺能力的研究[J]. 汽車工程，2002，24（6）：527-530.

[3]高軍. 某重型越野汽車越障越壕能力分析[J]. 汽車實用技術，2012（6）：1-3.

[4]曹恒，徐亞棟，王曉鋒. 車載炮越障能力分析[J]. 南京理工大學學報（自然科學版），2011，35（1）：72-75.

[5]李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 國防工業出版社，2014.

[6]陳立平，張云清，任衛群，等. 機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M]. 清華大學出版社， 2005.

[7]張海濤. SWIFT與FTire輪胎模型的應用對比研究[D]. 吉林大學，2016.

[8]陳軍. MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M]. 中國水利水電出版社，2008.

[9]劉波，顧力強，鄒振浩，等. 基于多體動力學的整車臺階路況通過性動態仿真研究[J]. 傳動技術， 2016，30（3）：8-13.