基于ADMAS的車輛工程專業(yè)教學(xué)中汽車動力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)方法研究

肖平 周陸俊 梁利東 賈文友

摘?要：為了提高車輛工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力，對ADMAS仿真軟件在車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。首先，在分析該軟件功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立汽車子系統(tǒng)模型;進(jìn)而基于子系統(tǒng)模型搭建整車仿真平臺;最后，以B級路面為輸入進(jìn)行汽車系統(tǒng)動力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)并對結(jié)果進(jìn)行分析。本文為采用仿真軟件替代實(shí)車實(shí)驗(yàn)進(jìn)行車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)奠定了一定的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車輛工程專業(yè);實(shí)踐教學(xué);ADMAS仿真

1?緒論

目前，我國已名副其實(shí)地進(jìn)入汽車社會[1]。隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車保有量的不斷提升，我國對汽車類人才的需求也在逐年上升[2]。為了順應(yīng)人才市場對汽車類人才的需求，很多高校都開設(shè)了車輛工程專業(yè)。而車輛工程專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)類型。目前，很多高校車輛工程專業(yè)都在積極地進(jìn)行國際工程認(rèn)證以及實(shí)施卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，這要求該專業(yè)培養(yǎng)方案中必須加大對學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的學(xué)分比重，必須增加本科實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入，然而在短期內(nèi)很多新辦車輛工程專業(yè)難以實(shí)現(xiàn)[3]。為了彌補(bǔ)這一不足，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以很好地為車輛工程專業(yè)各類實(shí)驗(yàn)提供平臺，利用汽車仿真技術(shù)部分地替代實(shí)車實(shí)驗(yàn)，可以快速、安全和高效地讓學(xué)生掌握相關(guān)技術(shù)原理，從而達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的。

2?ADAMS仿真軟件介紹

目前機(jī)械汽車類仿真軟件很多，例如美國的MATLAB軟件，其SIMULINK模塊中含有很多的汽車系統(tǒng)模型，但是他們大多是根據(jù)動力學(xué)方程結(jié)合建模模塊得到，不具備機(jī)械直觀的效果;ADVISOR軟件是美國開發(fā)的另一款電動汽車仿真軟件，汽車子系統(tǒng)模型采用物理特性與外特性相結(jié)合的方式建立，仿真方便快速，二次開發(fā)容易實(shí)現(xiàn)，但該模型也不具備機(jī)械直觀的效果。ADAMS軟件也是美國開發(fā)的一款機(jī)械/汽車系統(tǒng)仿真軟件，該軟件采用剛體動力學(xué)界面，模塊庫中包含了很多汽車系統(tǒng)模型，包括發(fā)動機(jī)、變速器、懸架、轉(zhuǎn)向以及制動系統(tǒng)等[4];在仿真時實(shí)驗(yàn)者可以方便地根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇、修改等。同時，該仿真軟件中還包含各種機(jī)械系統(tǒng)模型，如桿件、軸承、質(zhì)點(diǎn)、曲柄、連桿等，實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)自己需要自行搭建汽車系統(tǒng)模型。該仿真軟件具有機(jī)械直觀的效果，實(shí)驗(yàn)者可以將機(jī)械原理、汽車構(gòu)造、內(nèi)燃機(jī)原理以及汽車?yán)碚摰壤碚撆c實(shí)踐知識直接運(yùn)用到模型的搭建之中，非常方便。因此，這款軟件非常適合車輛工程專業(yè)學(xué)生在培養(yǎng)過程中進(jìn)行動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)，從而可以實(shí)現(xiàn)在沒有實(shí)物的情況下，可以使學(xué)生了解汽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理、參數(shù)配置與性能特點(diǎn)等等，可以快速地達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的且可以取得良好的教學(xué)效果。

3?基于ADAMS軟件的汽車系統(tǒng)建模與仿真

為了進(jìn)行汽車系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，首先必須搭建各子系統(tǒng)仿真模塊。首先，實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求在模塊庫中選擇相應(yīng)子系統(tǒng)模型;在此基礎(chǔ)上對該模型參數(shù)進(jìn)行修改使之符合自己仿真的車型要求。圖1（a），（b），（c），（d），（e），（f）為所建立的前懸架、后懸架、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、后輪系統(tǒng)以及車身系統(tǒng)模型。

（a）前懸架系統(tǒng)（b）后懸架系統(tǒng)

（c）發(fā)動機(jī)系統(tǒng)?（d）制動系統(tǒng)

（e）后輪系統(tǒng)?（f）車身

圖1?整車子系統(tǒng)模型

待所有模型建立完畢，開始進(jìn)行整車系統(tǒng)的裝配。進(jìn)入ADAMS/Car的Standard?Interface?模塊，單擊File→New→Full-Vehicle?Assembly，彈出整車裝配對話框與整車模型如圖2與圖3所示。

圖2?整車裝配對話框

圖3?整車模型

4?仿真與分析

整車仿真實(shí)驗(yàn)較實(shí)車教學(xué)實(shí)驗(yàn)有很多優(yōu)勢，例如在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中不方便進(jìn)行有一定為危險(xiǎn)性的實(shí)車測試、不方便進(jìn)行某些特定工況下的實(shí)車測試，如在零下30℃測試發(fā)動機(jī)的起動性能，這些在高校實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)，而在仿真軟件中很容易實(shí)現(xiàn)。ADAMS軟件提供了很多仿真工況供實(shí)驗(yàn)者選擇，例如，為了進(jìn)行汽車振動系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，必須選擇一個路況。在ADAMS軟件中提供了豐富的路況模型如白噪聲路面輸入、脈沖路面輸入、正弦波路面輸入等;同時，還可以根據(jù)路面具體情況對不同波形的路面輸入進(jìn)行修改使之符合路面的實(shí)際情況，例如對白噪聲路面模型進(jìn)行修改可以正確地表達(dá)A、B、C級等公路特性，非常方便。

本次仿真采用B級路面為輸入，仿真時間為6秒，仿真可以觀測很多指標(biāo)，如汽車質(zhì)心振動加速度、懸架動撓度、輪胎動載荷、汽車俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度等;如圖4所示為觀測到的汽車平順性重要指標(biāo)——汽車質(zhì)心振動加速度振動曲線，由圖4可以看出，汽車平順性良好，其最大振動加速度不超過1m·s-2，說明汽車的乘坐舒適性好，垂向動力學(xué)特性優(yōu)良。

圖4?仿真結(jié)果

5?結(jié)論

由以上建模與仿真過程可以看出，學(xué)生如果要建立汽車動力學(xué)仿真模型，必須對汽車懸架、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)與工作原理知識有很好地掌握。同時，還必須對實(shí)驗(yàn)工況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等有充分的理解，這樣才能很好地完成建模與實(shí)驗(yàn)工作。同時，計(jì)算機(jī)還可以對某些實(shí)車無法完成的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，從而解決某些實(shí)驗(yàn)由于危險(xiǎn)以及條件限制而不能開設(shè)的問題，可以達(dá)到很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：肖平（1973-），男，安徽銅陵人，博士，教授，研究方向：汽車動力學(xué)與仿真技術(shù)。