2.2 模板化建模

建立仿真模型就是要将复杂的汽车系统进行一定程度的简化，以数学模型的形式来体现。在ADAMS中建立仿真模型的功能非常强大，可以方便地定义复杂机械系统中构件之间的约束关系，施加各种激励（如位移、速度、加速度、力、力矩等）。模型参数的确定，是影响模型分析精度的主要因素。对于模型参数的准备工作，是必须引起仿真分析人员高度重视的工作。本书建立的车辆仿真模型所需的参数，可以总结归纳为四类：运动学（几何定位）参数、质量参数（质量、质心与转动惯量等）、力学特性参数（刚度、阻尼等特性）与外界参数（道路谱、风力等）。获得模型参数有数种方法：图纸查阅法、实验法、计算法、CAD建模法等。

1. 运动学（几何定位）参数

运动学参数，即车辆的相关运动部件的几何定位参数。应用多体系统动力学理论建立车辆仿真模型时，需要依据车辆的具体结构形式，在模型中输入各运动部件之间的安装连接位置与相对角度等参数。这些参数决定了车辆各运动部件的空间运动关系。运动学参数一般可以在汽车的设计图样中查得。应该注意的是，各运动部件的相对连接位置，应在统一的整车参考坐标系中测量。在无法获得如车辆总布置图这样的图样时，可以在掌握一些基本参数的基础上（如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等），通过作图法获得运动学参数。如果上述方法均无法实现，则可利用三坐标测量仪测取车辆的几何定位参数。

2. 质量参数

在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特性。质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中，质心、转动惯量等与测量时选取的参考坐标有关，必要时应注明参考坐标。零部件的质量，一般应在设计图样上查取。但应注意零件与多体意义上的运动部件的差别。在多体系统动力学中，只要在运动过程中时刻具有相同的运动轨迹，并具有特定的联系（如通过各种方法固定在一起的零部件），就是一个运动部件。如制动盘（鼓）与车轮是一个运动部件。一个运动部件应只有一个共同的质心与转动惯量。整车与簧上质量的转动惯量计算，采用参考文献的方法计算得到。

运动部件的质心与转动惯量的参数查取，可以通过称重、计算、实验等方法获得。CAD技术的发展，提供了测量运动部件质心与转动惯量的新方法。在目前市场领先的三维实体建模CAD软件中，IBM公司与法国Dassult公司联合推出的CATIA、SDRC公司的I-DEAS、EDS公司的Unigraphic、PTC公司的Pro/Engineer四种软件都具有在指定参考坐标系中分析零部件及零部件总成的质心与转动惯量的功能。

3. 力学特性参数

力学特性参数一般指系统的刚度、阻尼等特性。这些零部件的特性对汽车的各项性能，特别是操纵性和平顺性等具有决定性影响。车辆有关零部件的刚度、阻尼等特性，一般也可在设计图样中查得。而如轮胎、橡胶元件动态特性等参数，一般必须通过实验测得。

4. 外界参数

车辆的使用环境是进行车辆动力学仿真的外界条件。这些外界条件众多，如汽车行驶道路的道路谱、高速行驶时的侧向风力等，都是影响汽车动力学性能的外界因素。外界参数的内容，主要有道路谱、风力等，在某些分析中，可以忽略。道路谱主要通过测量获得。而风力因数可以在分析计算的基础上结合实验获得。

ADAMS仿真系统中文件分为以下四种类型：

1）特性文件（Property Files）：ASCII格式文件，内容是各类特性数据，可节约每次重复输入数据的时间，常用螺旋弹簧特性文件的内容就是其力学特性试验数据。建模过程中很多元件都要调用特性文件，各类特性文件（如弹簧特性文件、减振器特性文件等）存储在各自的文件夹中。

2）模板（Template）：对整个机构中相对独立的部件而言，比如悬架、动力总成、转向系等都需要建立各自的模板，模板中应包含全部必要的零件。模板是一种参数化模型，在专家环境中建立，在标准环境下参数允许调整。参数变化后能够调整总成中零件的位置尺寸，但零件间的连接关系不改变。

3）子系统（Subsystem）：用来定义模板，指定所用模板的文件名，定义模板的角色（如定义为前悬架还是后悬架），给出模板中所有参数的取值，指定模板中涉及的特性文件。

4）装配（Assembly）：在装配文件中定义组成装配的所有子系统文件名和仿真所需的试验台（Test Rig），提交装配文件后，软件会根据各子系统文件读取指定的模板并将它们装配在一起。

根据重型汽车具体的结构形式，在模板库中选取相应总成或系统的模板，并调整对应子系统文件中的相关参数变量，使各部分的位置、尺寸与目标一致，然后建立装配文件，建立整车模型。利用ADAMS建立车辆系统的各子系统模型，并定义其相互间的约束关系，最后将各子系统按实际的空间位置及连接关系组装起来形成整车系统的虚拟模型。

应用模板化建模方法，分别建立前悬架、后悬架、转向系统和轮胎的模板，几何数据直接由Pro/E三维文件转换得到，可以保证精度，缩短建模时间，同时引入路面等外部条件的约束，结合各主要元件的动力学参数测量数据，从而形成各子系统文件，最后装配形成整车虚拟样机模型。在建立多体模型时，坐标系的选择对所建模型的复杂程度及方程求解的难易程度起到很大的作用。本章建模采用ISO坐标制，坐标原点为前轮轮心，X轴指向汽车行驶的正前方，Y轴指向汽车的左侧，Z轴垂直指向上方。在ADAMS中建立整车动力学仿真模型，大致可分为以下几个步骤：

① 整车系统的分解（子系统）和物理抽象。

② 建立各子系统的模板文件。

③ 获取各子系统的几何定位参数、物理参数和动力学参数等重要特性。

④ 建立各子模型的子系统文件，代入子系统的参数特征。

⑤ 组装各子系统模型组成整车系统模型，建立装配文件。

⑥ 针对整车研究的不同方面，进行仿真计算。

⑦ 对仿真计算结果进行后处理。