基于ADAMS二次开发的车辆越壕仿真模块研究

瞿文明　陈兴华　高宪峰　居刚　魏道高

摘 要：针对某型4×2越野车辆，建立了其越壕数学模型为仿真提供理论参考，利用ADAMS宏命令、定制界面完成了车辆越壕仿真模块的二次开发设计，仿真模块具有良好的人机交互性，能快速的完成仿真模型的建立与结果的提取。仿真结果表明，该模块能较准确的仿真车辆越壕工况并获取车辆相关部件受力情况，能为车辆强度等相关设计提供计算依据。

关键词：越壕；ADAMS；二次开发；仿真；

中图分类号：U469.3 文献标识码：A 文章编号：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.

越野车辆在越野行驶过程中，经常要克服一些比较恶劣的道路状况，这些道路上可能存在着影响车辆通过的各种障碍，如陡坡、侧坡、壕沟、灌木丛、水障等[1]。所以，对要具有良好的通过性的越野车来说，越壕能力是其性能重要评价指标之一。且车辆在通过壕沟这种特殊路况时，车辆各部件的受力情况较行驶在平整路面上时要复杂的多，长期以往可能会产生疲劳损伤，影响使用寿命。研究车辆越壕性能，能预测车辆通过未知路面的能力，对车辆相关设计具有重要指导意义。

目前，对车辆越壕能力的研究大多采用的是理论研究，即在车辆参数已知的情况下，通过静力平衡方程来求解车辆的越壕宽度[2-4]。这种方法的不足在于不能动态分析车辆越壕情况，更无法计算车辆轮胎、悬架等部件受力的动态变化。随着计算机技术的发展，应用多体动力学分析软件分析车辆越壕已成为可能。美国MDI公司开发的ADAMS软件功能强大，能快速准确的对机械系统进行运动学与动力学仿真计算，现已广泛应用于车辆、航天等领域[5]。

本文针对某型4×2越野车辆，以ADAMS软件为基础，完成了车辆越壕仿真模块的二次开发设计，并进行了仿真分析。

1 车辆越壕数学模型的建立

车辆在越壕时由于速度都很低，可用静力学去分析车辆越壕能力。文献[1]指出车辆越壕宽度Ld与车辆越障高度h只有一个换算系数差别，他们之间的关系为：

对于本文中的4×2后轴驱动的车辆，其前后轮越障高度分别为：

式中：D为轮胎直径；a为质心距前轴的距离；L为轴距；φ为路面附着系数。

将车辆参数D =636.8mm，a =1225mm，L=2600mm代入上述公式，利用MATLAB编制相关程序进行求解，其结果如图1所示。由图1可以看出，前后轮的越壕宽度都随着路面附着系数的增大而增大，后轮的越壕宽度小于前轮，后轮的越壕能力是制约整车越壕能力的关键。

2 车辆越壕仿真模块的二次开发

以ADAMS/VIEW为基础，开发了一个用于车辆越壕仿真分析的模块Trench_Crossing，该模块能自动建立仿真模型、完成仿真分析、获取分析结果。

2.1 二次开发文件的组织及ADAMS环境的初始化

本次基于ADAMS/VIEW的二次开发文件全部存放在F盘的yuehao文件夹中，其中包含用于存放菜单文件的menus文件夹、存放对话框文件的dialog_boxes文件夾、存放图标文件的icons文件夹、存放属性文件的properties文件夹。除了以上四种主体文件，yuehao文件夹中还包括一个启动文件start.bat和一个ADAMS环境初始化文件main.cmd。

启动文件start.bat的作用是设定二次开发系统运行路径，启动ADAMS/VIEW，调用main.cmd进行ADAMS环境的初始化设置[6]。启动文件代码如下所示。

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主要代码如下所示。

！定义路径变量

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

var create var=.MDI.yuehao_dirstring

=（eval（"F："//"＼＼"//"yuezhao"））

end

！设置ADAMS的单位以及坐标系统

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

defaults units coordinate_system_type=

Cartesian orientation_type=body313

！读入对话框文件

file command read file ="./dialog_boxes/

dbox_chassis"

…………………

！读入主菜单文件

Interface menubar read menubar

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

…………………

2.2 仿真模塊的定制菜单

车辆越壕仿真模块的菜单是在ADAMS/VIEW的主菜单上插入一个Trench_Crossing用户定制菜单，其共有5个子菜单，如图2所示。子菜单的作用分别为建立仿真模型、调整仿真模型参数、设置仿真求解器、建立仿真脚本、获取仿真结果。

用户自定义菜单是二次开发模块在初始化时通过读取menus文件夹中的yuehaomenu文件实现的，yuehaomenu文件是在原ADAMS/VIEW菜单文件中加入用户编制的命令，其增加的命令部分代码如下：

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 仿真模块的定制对话框

用户可以根据实际需求定制自己的对话框，本次二次开发中定制的对话框是通过对话框编辑器来实现的。定制的对话框包括：底盘建模对话框、前悬建模对话框、转向系建模对话框、后悬建模对话框、路面轮胎建模对话框、添加驱动对话框、模型调整对话框、结果曲线对话框。

定制的对话框具有良好的人机交互性，由于篇幅有限，只选取后悬建模对话框来介绍。后悬建模对话框如图3所示，由于在对话框的execution_commands已经加入了建模宏命令，使用者只需输入后悬的相关参数，再点击“确定”按钮即可以完成后悬的建模。使用者无需再去关注复杂的建模过程，能大大减少动力学分析所需的时间。

3 车辆越壕仿真分析

3.1 车辆越壕仿真模型的建立

建立车辆越壕仿真模型，只需点击子菜单Model_Create中的按钮，在弹出的各个对话框中输入参数后点击“确定”按钮，最终建立的仿真模型如图4所示。整车模型中忽略了传动系结构，将驱动力矩直接加在驱动轮旋转副上。模型中共有26个部件，1个圆柱副，13个旋转副，7个球副，2个等速副，5个固定副，3个虎克副，1个耦合副，模型自由度为13。

仿真模型中的道路模型选用的是3D道路3d_road_obstacle_pothole，轮胎模型选用的是FTire模型。尽管轮胎模型有很多种，如UA、Fiala、Swift、FTire等，但并不是都适合仿真越壕这种特殊工况。FTire模型是高级、复杂的轮胎力元素，仿真车辆越障时可以获得非常高的精度[7]。

3.2 车辆越壕仿真

仿真之前需点击菜单中的Solver进行求解器设置，积分器选用的是GSTIFF，积分格式选用的是SI2。GSTIFF积分器采用的是多步变阶变步长算法，计算精度高；SI2稳定度指标中考虑了速度约束方程，可以给出速度、加速度的较为精确解[8]。同时为了提高仿真精度，仿真模型需要从静平衡状态开始仿真[9]。

设置仿真时车辆越壕速度0.5s内稳定到10km/h，前轮中心距壕沟初始距离为1265mm，路面和壕沟的附着系数为0.9，仿真步长为0.001。通过更改路面属性文件不断的调整壕沟宽度进行仿真，仿真结果表明，车辆能顺利的越过宽450mm的壕沟，其越壕过程如图5所示。

3.3 仿真结果分析

在路面附着系数为0.9时，根据文献[1]中方法计算出的本车辆越壕宽度为426mm，与本模块仿真结果基本一致，说明本次开发的仿真模块能很好的仿真越壕情况。

点击Results菜单中的“Plots”弹出车辆越壕结果曲线对话框，如图6所示，点击其中相应的按钮，可以获得对应的曲线。图7为底盘质心加速度曲线，图8轮胎垂向力曲线，图9轮胎下沉量曲线，图10悬架弹簧力曲线。

（1）由图7可知：当车辆前后轮越壕时，底盘质心在纵向和垂向的加速度波动较大，说明前后轮在驶入、驶出壕沟时受到冲击较大，此时车内的舒适性最差。当车辆完成越壕驶入平整路面，底盘质心加速度稳定在0附近，与车辆实际行驶情况相符。

（2）由图8可知：前后轮所受的垂向力最小是在车轮刚好完全驶入壕沟时，此时轮胎的垂向力近似为0；前后轮所受的垂向力最大是在车轮刚好完全驶出壕沟时，最大值分别为10800N、11654N；当车辆驶离壕沟时，前后轮所受垂向力分别为5310N、5482N，与车辆静态轴荷分配基本一致。

（3）由图9可知：车辆在越壕过程中前后轮下沉量都出現了突变，都先是由正值突变成负值，再由负值突变成正值，其实这两个时刻分别对应着车轮刚好完全驶入壕沟时与车轮刚好完全驶出壕沟时。前后轮下沉量最大值均出现在车轮刚好完全驶出壕沟时，同样说明了此时轮胎受力最大。

（4）由图10可知：车辆前后悬弹簧所受到的力变化趋势与轮胎垂向力变化趋势一致，说明仿真的正确性。后悬弹簧力波动的程度比前悬的要大，所以后悬弹簧应有足够的强度。

4 结论

（1）建立了车辆越壕数学模型，计算了车辆理论越壕宽度，为后续仿真提供了理论参考；

（2）以ADAMS/VIEW为基础，通过定制菜单、定制对话框、建模宏命令完成了车辆越壕仿真模块的二次开发，仿真模块具有良好的人机交互性，能快速完成建模与结果的提取，能为研究者节省大量时间；

（3）基于二次开发的仿真模块对车辆越壕进行了仿真，仿真结果表明，车辆仿真越壕宽度与理论计算值相接近，说明了本仿真模块的可靠性和具有的重要现实意义；

（4） 仿真模块所获取的车辆轮胎、悬架等部件受力情况可为车辆物理样机研制提供技术参考。

参考文献：

[1]余志生. 汽车理论.第5版[M]. 机械工业出版社， 2009.

[2]冯炜，胡于进， 李左龙. 8×8越野车通过沟台能力的研究[J]. 汽车工程，2002，24（6）：527-530.

[3]高军. 某重型越野汽车越障越壕能力分析[J]. 汽车实用技术，2012（6）：1-3.

[4]曹恒，徐亚栋，王晓锋. 车载炮越障能力分析[J]. 南京理工大学学报（自然科学版），2011，35（1）：72-75.

[5]李增刚. ADAMS入门详解与实例[M]. 国防工业出版社，2014.

[6]陈立平，张云清，任卫群，等. 机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M]. 清华大学出版社， 2005.

[7]张海涛. SWIFT与FTire轮胎模型的应用对比研究[D]. 吉林大学，2016.

[8]陈军. MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M]. 中国水利水电出版社，2008.

[9]刘波，顾力强，邹振浩，等. 基于多体动力学的整车台阶路况通过性动态仿真研究[J]. 传动技术， 2016，30（3）：8-13.