麥弗遜懸架橫向穩定桿動力學建模分析均質充量壓縮著火(HCCI)燃燒，作為一種能有效實現高效低污染的燃燒方式，能夠使發動機同時保持較高的燃油經濟性和動力性能，而且能有效降低發動機的NO和碳煙排放。此外HCCI燃燒的一個顯著特點是燃料的著火時刻和燃燒x過程主要受化學動力學控制，基于這個特點，發動機結構參數和工況的改變將顯著地影響著HCCI發動機的著火和燃燒過程。本文以新型發動機代用燃料二甲醚(DME)為例，對HCCI發動機燃用DME的著火和燃燒過程進行了研究。研究采用由美國LawrenceLivermore國家實驗室提出的DME詳細化學動力學反應機理及其開發的HCT化學動力學程序，且DME的詳細氧化機理包括399個基元反應，涉及79個組分。為考慮壁面傳熱的影響，在HCT程序中增加了壁面傳熱子模型。采用該方法研究了壓縮比、燃空當量比、進氣充量加熱、發動機轉速、EGR和燃料添加劑等因素對HCCI著火和燃燒的影響。結果表明，DME的HCCI燃燒過程有明顯的低溫反應放熱和高溫反應放熱兩階段;增大壓縮比、燃空當量麥弗遜懸架橫向穩定桿動力學建模分析比、提高進氣充量溫度、添加HO、H、CO使著火提前;提高發動機轉速、采用冷卻EGR、添加CH、CHOH使著火滯后。關鍵詞:均質充量壓縮著火，數值模擬，二甲醚，EGR，燃料添加劑NUMERICALSIMULATIONOFHOMOGENEOUSCHARGECOMPRESSIONIGNITIONCOMBUSTIONFUELEDWITHDIMETHYLETHERABSTRACTHCCI(HomogenousChargeCompressionIgnition)combustionhasadvantagesintermsofefficiencyandreducedemission.HCCIcombustioncannotonlyensureboththehigheconomicanddynamicqualityoftheengine,butalsoefficientlyreducetheNOandsmokeemission.Moreover,oneoftheremarkablecharacteristicsofHCCIxcombustionisthattheignitionandcombustionprocessarecontrolledbythechemicalkinetics,sotheHCCIignitiontimecanvarysignificantlywiththechangesofengineconfigurationparametersandoperatingconditions.InthisworknumericalschemefortheignitionandcombustionprocessofDMEhomogeneouschargecompressionignitionisstudied.ThedetailedreactionmechanismofDMEproposedbyAmericanLawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)andtheHCTchemicalkineticscodedevelopedbyLLNLareusedtoinvestigatetheignitionandcombustionprocessesofanHCCIenginefueledwithDME.ThenewkineticmechanismforDMEconsistsof79speciesand399reactions.Toconsidertheeffectofwallheattransfer,awallheattransfermodelisaddedintotheHCTcode.Bythismethod,theeffectsofthecompressionratio,thefuel-airequivalenceratio,theintakechargeheating,theenginespeed,EGRandfueladditiveontheHCCIignitionandcombustionarestudied.TheresultsshowthattheHCCIcombustionfueledwithDMEconsistsofalowtemperaturereactionheatreleaseperiodandahightemperaturereactionheatreleaseperiod.Itisalsofoundedthatincreasingthecompressionraition,theequivalenceratio,theintakechargetemperatureandthecontentofHO,HorCOcauseadvanced222ignitiontiming.Increasingtheenginespeed,adoptionofcoldEGRandthecontentofCHorCHOHwilldelaytheignitiontiming.43Keywords:HCCI,numericalsimulation,DME,EGR,fueladditive目錄1緒論1.1引言1.2HCCI的數值模擬研究現狀1.2.1HCCI數值模擬模型2DME均質充量壓燃著火的數值模擬方法2.1二級標題2.1.1三級標題5結論參考文獻致謝譯文及原文1緒論1.1引言汽車工業已經成為國民經濟的支柱產業，其發展水平體現了一個國家工業技[1]術的綜合水平。提高汽車工業的競爭力，可以有力的增強國家的綜合國力乃至帶動相關產業的飛速發展。而具有獨立自主的產品設計開發能力是檢驗一個國家汽車工業發展水平的唯一標準。自主研發、自主知識產權以及自主品牌是體現一個國家汽車產業核心競爭力[2]的三大要素。21世紀以來，中國汽車市場己經成為全球最大的汽車市場，然而卻不能稱為汽車強國，大而不強是目前中國汽車產業的真實寫照。如何抓住汽車市場規模日益壯大的契機實現產業升級，成為急需解決的產業發展問題。中國汽車產業要想做大做強，就必須加強自主研發，擁有自主知識產權和自主品牌的汽車，真正意義上的提高核心競爭力。長期以來，國內的相關汽車企業缺乏同國外汽車廠家競爭的思想，不熱衷于提高汽車產品的品質，通常出于短期集團利益方面的考慮，不愿意在這方面進行大規模的人力和資金的投入，以至于成為中國汽車行業發展的最大障礙。當今，國內汽車企業生產的客車、卡車、轎車以及微型車幾乎都是引進國外汽車廠家的生產技術，實際上這種“引進技術”的本質為引進國外現成產品的設計結果，而不是引進和吸收產品設計開發技術本身，最終成就了國外汽車巨頭在中國汽車市場的迅速壯大。回顧中國汽車工業發展路徑，主要依靠兩條技術路線并行，即市場換技術和自主研發。經過30多年的發展，中國汽車企業技術積累卻十分有限，和國外先進制造技術相比，自主研發尚存在不小差距。電動轉向、制動系統、懸架系統、發動機控制等核心零部件技術仍由國外控制，在汽車整車開發方面，中國汽車企業同國外汽車企業的差距還非常大。誠然，引進技術是學習和迅速追趕國外先進技術最有效最迅速的方法，然而國內企業應該是在引進技術的同時，消化吸收設計理念和原理，掌握和精通設計方法，開發出屬于自己的汽車產品，只有具備了自主研發的意識，才能謀劃長遠，才能在未來激烈的競爭中立于不敗之地，要想真正成為汽車強國，中國汽車企業必須實現核心技術自主化，強化自主創新能力。以前，中國汽車企業大多側重于汽車整車的研發，而忽略了汽車主要零部件和相關配套產業的提高。然而從某種意義上講，整車對于汽車產業不是最重要的，最重要的還是汽車關鍵零部件的創新和發展。關鍵零部件的科技含量綜合體現汽車整車的創新能力和品牌建設能力，同時關鍵零部件的自主創新決定了汽車品牌的歸屬。伴隨著人命生活消費水平的逐步提高，汽車已經成為工農業生產及日常生活中不可缺少的重要工具。用戶對汽車的各種性能要求越來越高，用戶不僅要求汽車具有良好的經濟性和安全性，同時還要求汽車擁有良好的操縱穩定性和行駛舒適性。開發的新產品是否被消費者所接受關鍵取決于汽車的底盤性能，而懸架系統很大程度上決定著汽車底盤的性能。只有給汽車底盤匹配合適、性能優越的懸[3]架系統，才能保證汽車具有良好的整車性能。整車總體設計、車身設計、發動機設計與底盤設計是汽車設計開發的四大核心模塊。汽車車身、底盤和發動機是汽車的三大總成，懸架系統是底盤的重要總成。我國在底盤的集成設計開發領域開發設計起步較晚，設計和制造水平遠遠落后于國外發達國家。國內大多數整車及零部件制造企業都沒有掌握懸架系統的自主設計和開發技術，大多數為引進外國技術進行復制開發和生產，幾乎可以說國內企業的底盤技術基本上都是照搬國外的，沒有任何自己的技術，國內汽車企業甚至不能獨立調校整車懸架系統。大多數汽車生產企業對于不同車身結構形式、整車重量、輪距、軸荷、軸距，以及在不同使用要求的條件下，懸架系統應當怎樣選型，怎樣確定懸架系統的定位參數等諸多關鍵問題均不甚了解。所以，中國汽車行業面臨著巨大的壓力，汽車行業發展和競爭已經白熱化，必須投入各種人力及相關資源加強對我國汽車自主設計開發相關核心技術。穩定桿是汽車獨立懸架系統的重要安全件,在汽車轉彎或遇到阻力時可提高操作的穩定性,保證舒適性和行駛安全性。因此,只有建立合適的穩定桿模型及準確的理論計算才能確保設計的穩定桿的可靠性,使汽車質量問題得到一定改善,才能贏得消費者的歡迎。因此，橫向穩定桿的結構設計與性能優化，自然成了目前國內眾多研發人員所關[4]注的焦點。1.2現代車輛懸架簡介1.2.1車輛懸架分類汽車懸架是車架和車橋或車輪之間的一切連接裝置的總稱。其作用是傳遞車架與車輪之間的所有的力和力矩，同時緩沖由于路面不平所產生的沖擊力，并且衰減因此而引起的振動，從而可以保證汽車能夠平順地行駛。通常典型的懸架系統由彈性元件、減振器、導向機構等零部件組成，個別懸架結構還具有橫向穩定桿和緩沖塊等輔助零部，其各自的作用分別為緩沖、減振以及力的導向。外表看似簡單的懸架系統僅由一些桿、筒、彈簧等部件組成，其實不然，懸架系統綜合多種作用力，決定汽車的操縱穩定性、行駛舒適性和安全性，是當代汽車底盤的設計重點。當代汽車懸架系統發展非常迅猛，各種新型結構型式不斷出現，有效的促進了汽車的整體發展。汽車懸架系統按照控制方式不同，分為被動式懸架和主動式懸架。1934年，德國的Olley首次提出被動懸架的基本原理，中間經過不斷的發展和研究，被動懸架系統最終被廣泛應用于各種車輛，并取得了很好的效果，至今仍然是車輛懸架結構中的主流結構。現如今汽車懸架設計理論己經發展到了主動懸架和半主動懸架階段。在20世紀60年代，美國通用公司提出根據汽車行駛工況的變化，對懸架剛度和阻尼進行動態地調整，使懸架系統始終處于最佳減振狀態，這種懸架系統叫做主動懸架系統。雖然主動懸架性能優越，可以很好的解決被動懸架的各種問題，但是主動懸架卻有著目前無法解決的困難—制造成本十分昂貴，所以不能廣泛應用。為此，人們退而求其次開始努力開發成本低廉、性能穩定的半主動懸架以試圖取代主動懸架。1974年，美國加州大學戴維斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主動懸架的概念，從而用較低的費用基本實現了主動懸架的性能。半主動懸架在性能上可達到與主動懸架相當的水平，同時具有結構簡單、工作時基本不消耗車輛動力等優點，因而有著非常良好的應用前[5-6]景。汽車懸架按照導向機構不同，可以分為獨立懸架和非獨立懸架。非獨立懸架的結構特點如下圖1-1(a)所示，左右車輪由一根車軸相連接，然后經過懸架系統和車身連接。當一側車輪由于路面不平發生上下跳動時，另一側車輪同時跟隨做上下跳動過程而獨立懸架的結構特點如下圖1-1(b)所示，車橋是斷開的，左右車輪通過各自單獨的懸架和車架連接。兩側車輪的運動是相對獨立的，互不影響，所以叫做獨立懸架。(a)非獨立懸架(b)獨立懸架圖1-1汽車獨立懸架和非獨立懸架的結構簡圖非獨立懸架主要包括縱置板簧式非獨立懸架、螺旋彈簧非獨立懸架、空氣彈簧非獨立懸架、尤其彈簧非獨立懸架。非獨立懸架優點在于結構簡單、制造成本低、維修方便、工作性能可靠，被廣泛的應用于載貨汽車、大客車和重型車的后懸架上，在某些轎車后橋還有一些應用非獨立懸架。同時非獨立懸架缺點也非常明顯，由于采用非獨立結構型式，左右車輪運動相互影響，容易產生左右車輪反向運動，嚴重時產生軸轉向特性，而且由于非獨立懸架結構型式較大，需要較大的安裝空間。獨立懸架主要包括麥弗遜式獨立懸架、雙橫臂式獨立懸架、燭式懸架、多連桿懸架。麥弗遜懸架系統，如圖1-2所示，是目前最為廣泛應用的懸架系統，也是本文介紹的重點。雙橫臂式獨立懸架，顧名思義，其懸架有兩個擺臂，其長度可以相等也可以不相等。嚴格意義上講，麥弗遜懸架時簡化后雙橫臂懸架，當雙橫臂懸架上擺臂長度無限短時就成為麥弗遜懸架，雙橫臂懸架結構比較簡單，可以很好的保證汽車具有良好的行駛舒適性和操縱穩定性，但是其設計和布置較為復雜。多連桿懸架系統是目前高級轎車上使用較多的獨立懸架，性能非常優越，可以很好的提高汽車的整車性能，但是由于其結構非常復雜，調校復雜，制造和工業成本也很高，所以限制了其大范圍使用。1-螺旋彈簧、2-減震器、3-驅動半軸、4-轉向節、5-橫擺臂、6-橫向穩定桿圖1-2麥弗遜懸架設計汽車懸架系統時，首先要明確懸架的操縱穩定性和行駛舒適性等相關性能要求，然后根據車型基本參數和性能要求，選擇合適的懸架系統型式、結構參數和特性參數等，最后進行零部件結構設計和性能分析。其中懸架系統設計的難點也是重點部分是選擇懸架型式、結構參數和特性參數，保證設計的懸架系統和整車性能是相互匹配的，其過程實質上進行懸架和整車性能的匹配過程。在目前的汽車懸架設計當中，其懸架系統的開發都是建立在對已有懸架型式的改進之上，一來可以減少大量的研發費用，二來可以有效地保證懸架系統的性能要求[7-9]。1.2.2國外懸架發展情況從上世紀90年代起，隨著信息技術、電子計算機技術、CAD/CAE/CAM技術等廣泛應用到汽車行業，汽車產品設計開發和設計水平上都有了明顯的進步，新車型的開發周期大大降低。具體到汽車懸架系統設計層面，各種造型設計技術、仿真分析技術、反求工程、AI技術等已經獲得大面積推廣應用，同時也取得了非常[10]好的效果。德國汽車專家Prof.J.Reimell(耶爾森?賴姆帕爾教授)主編的《汽車底盤技術叢書》對汽車各種懸架系統做了詳細的敘述，從懸架系統運動學角度詳盡對懸架定位參數進行了定義，分析了它們的作用及其對整車操縱穩定性的影響，同時對各種懸架的結構選型、參數選擇、計算方法都做了大量的論述[11]。德國專家阿達姆?措莫托著的《汽車行駛性能》和日本專家安培正人著的《汽車的運動與操縱》系統的介紹了汽車懸架系統對汽車操縱穩定性和行駛舒適性的可能影響，在研究懸架運動學對汽車操縱穩定性和行駛性能方面做出了開創性的[12-13]貢獻。英國汽車專家JohnC.Dixon編寫的《SuspensionGeometryandComputation》系統的介紹了汽車懸架的發展歷史和現狀，從路面對懸架的影響、輪胎變形對懸架的影響出發對懸架系統各種運動特性理論做出了非常深入的探討和研究。在懸架的運動分析中，針對汽車不同的使用工況以及不同懸架結構形式下車輛的操縱[14]穩定性的影響。1.2.3國內懸架發展情況我國從上世紀80年代就已經開展了對懸架的各種研究工作，研究成果大多數產生于年代。在國內，吉林大學、清華大學、同濟大學等都在懸架方面做了大量的探索，為我國懸架系統技術的發展做出了較大的貢獻。其中，吉林大學的郭孔輝院士編寫的《汽車操縱動力學》一書對懸架系統運動學做了詳盡的分析，并且在國內首次提出從側向力、縱向力轉向的角度研究懸架運動學，描述了車輪定位[15]參數對汽車操縱穩定性、平順舒適性的影響。吉林大學的王望予《汽車設計》一書系統的講述了汽車懸架的設計機理，采用嚴謹的計算公式，自上而下的介紹懸架主要參數的設計原理以及不同結構的懸[6]架所要注意的設計方法。上海交通大學的喻凡編著的《汽車系統動力學》重點介紹了懸架系統的驅動動力學和制動動力學內容，運動系統方法及現代控制理論，結合實際事例敘述了[16]車輛懸架系統控制、車輛穩定性控制等方面的研究。西南交通大學的丁渭平編寫的《汽車技術》詳細的給懸架自主設計做了歸類，重點講解了技術是怎么應用于汽車懸架設計開發的，同時對懸架開發的整個流程[17]及評價標準做了敘述。至今為止，研究領域也從開始的剛體系統的運動學研究擴展到包含柔體的多體系統動力學研究，許多學者的研究成果為我國的汽車制造企業在開發具有自主知識產權的汽車中起到了指導性作用，并在每兩年舉行一次的車輛界最高學術會議——車輛動力學會議上發表了許多有價值的論文。1.3麥弗遜懸架概況1.3.1麥弗遜懸架介紹麥弗遜懸架是目前最為常見的懸架類型，在全球汽車市場都有非常廣泛的應用。在國內，麥弗遜懸架是眾多汽車的首選懸架系統，一般用于轎車前懸架系統。麥弗遜懸架由美國人麥弗遜(McPherson)在20世紀30年代發明的，其本人突破傳統思維，開創性的將減振器和螺旋彈簧組合在一起，裝在汽車前軸上，創造出這種結構簡單性能優越的懸架系統，實踐證明這種懸架系統構造簡單、制造成本低、占用空間少，而且操縱穩定性非常好，被業界譽為經典的設計，是目前應用最廣泛的懸架系統。隨著汽車行業的突飛猛進，科技的不斷發展，汽車工程師們正在不斷的研究和改進麥弗遜懸架，使其能夠充分的發揮其性能。如圖1-2所示，麥弗遜懸架主要是由螺旋彈簧、減振器、橫擺臂以及橫向穩定桿組成。麥弗遜式獨立懸架結構特點主要采用支柱式減振器作為主軸，同時減振器兼做主銷，減振器承受來自車身抖動和地面沖擊的上下預應力，減振器還可以避免螺旋彈簧受力時向前、后、左、右發生偏移，確保螺旋彈簧只作上下方向的[18]振動運動，懸架的軟硬程度和別的性能由減振器的行程長短及松緊來確定。麥弗遜懸架中非常關鍵的部件—橫擺臂，它的作用是為車輪提供橫向支撐力，并能承受來自前后方向的預應力，在車輛運動過程中，車輪承受的所有方向的沖擊力主要靠支柱減振器和橫擺臂這兩個部件承擔。麥弗遜懸架系統相比于其它形式懸架系統有著結構簡單、布局緊湊、懸架質量輕、占用空間小，便于發動機和其它一些零部件的安裝，同時具有制造成本低等優點。麥弗遜懸架具有比較合理的運動特性，使系統受力合理，有效的延長減振器的壽命。同時由于麥弗遜懸架結構簡單布局緊湊，既能夠保證整車性能又能夠有效地擴大車輛內部乘坐空間,有效地提高了乘坐舒適性。從操縱穩定性角度講，車輪上下跳動過程中，麥弗遜懸架螺旋彈簧行程大，但是輪距、主銷內傾角、主銷后傾角、車輪外傾角、車輪前束角等改變不大，有效的減少輪胎的磨損。麥弗遜懸架同樣也有著非常明顯的缺點從運動特性角度而言，麥弗遜懸架運動特性明顯不如雙橫臂懸架和多連桿懸架從懸架結構而言，支柱減振器對左右方向的沖擊缺乏有效地阻擋力，其直筒式結構比較容易發生彎曲，剎車點頭作用和加速抬頭作用明顯，懸架剛度與穩定性較差，快速通過彎道時車身側傾比較明顯[18-20]。1.3.2麥弗遜懸架橫向穩定桿橫向穩定桿是汽車獨立懸架系統的重要安全件，如下圖1-3所示，在汽車轉彎或遇到阻力下產生側傾時給車輛快速施加反側傾力矩，其主要任務是增加低速敏捷性，提高高速穩定性，減小轉向不足，減小側傾角，增加舒適性。穩定桿的主要作用是防止車身在轉彎時，受慣性作用產生過大的橫向側傾。橫向穩定桿一般是由彈簧鋼材料制成，呈U字形橫懸在汽車前后懸架。桿身中部通過兩個套筒支承鉸鏈在車架上，桿身可以在套筒內自由轉動，同時為了防止橫向穩定桿在服役過程中的橫向運動干涉，穩定桿在套筒部位可設置定位結構，通過鉸鏈將穩定桿的兩側縱向部分的末端與懸架上的彈簧支座相連。當車身受到對稱的垂直載荷作用時，兩側懸架垂直位移相等時，橫向穩定桿在套筒內發生轉動，而套筒沿縱向移動，穩定桿不起穩定作用。這時橫向穩定桿各部分均不受力。當兩側懸架變形不等，而車身側傾時，穩定桿兩側縱向部分的末端發生相反的垂直位移，是穩定桿[21]產生扭轉受到扭力作用。橫向穩定桿在汽車懸架系統中安裝位置如圖1-2中的標號5所示圖1-3麥弗遜懸架橫向穩定桿三維模型圖在實際工作狀況下，穩定桿常會受到大小不同的扭力作用，隨著受力次數的增加，穩定桿的某些部位會出現疲勞破壞。因此，穩定桿的疲勞壽命是設計穩定桿必須要考慮的一個重要因素，對穩定桿進行的疲勞壽命估算也就尤為重要了。正確確定橫向穩定桿的疲勞控制部位是進行穩定桿疲勞失效分析的最重要的第一步，疲勞控制部位就是可能出現疲勞裂紋的部位，一般需要綜合考慮影響疲勞壽命的各種因素，如缺口應力、應力集中系數，應力大小，疲勞缺口系數等，疲勞控制部位是機械結構中最容易受到疲勞損傷的危險部位，在該部位會首先產生疲勞裂紋，并極有可能是整個結構疲勞斷裂的部位，它的疲勞壽命也代表著整體結構的疲勞壽命。因此，在麥弗遜懸架模型的基礎上，考慮橫向穩定桿彈性變形會對動力學計算結果產生影響，分別建立剛體動力學模型和剛柔耦合多體動力學模型，對橫向穩定桿的扭轉剛度開展理論計算并進行有限元分析有著重要的意義。2麥弗遜懸架動力學模型簡介2.1多體動力學概述多體系統動力學是在經典力學基礎上發展而來的研究多體系統運動規律的一門學科。多體系統動力學包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學。ADAMS軟件是由美國MDI公司在多剛體系統動力學基礎上開發出來的機械系統動力學軟件，該軟件不僅是世界上市場占有率最高的機械系統動力學軟件，而且還是世界上最熱門的研究方向—虛擬樣機的代表。2.1.1多體系統動力學研究的發展計算機技術自其誕生以來，滲透到了科學計算和工程應用的幾乎每一個領域。數值分析技術與傳統力學的結合曾在結構力學領域取得了輝煌的成就，出現了以ANSYS、NASTRAN等為代表的應用極為廣泛的結構有限元分析軟件。計算機技術在機構的靜力學分析、運動學分析動力學分析以及控制系統分析上的應用，在二十世紀八十年代形成了計算多體系統動力學，并產生了以ADAMS和DADS為代表的動力學分析軟件。結構有限元分析軟件和動力學分析軟件共同構成計算機輔助工程(CAE)技術的重要內容。多體系統是指由多個物體通過運動副連接的復雜機械系統。多體系統動力學的根本目的是應用計算機技術進行復雜機械系統的動力學分析與仿真。它是在經典力學基礎上產生的新學科分支，在經典剛體系統動力學上的基礎上，經歷了多剛體系統動力學和計算多體系統動力學兩個發展階段，目前己趨于成熟。對于由多個剛體組成的復雜系統，理論上可以采用經典力學的方法，即以牛頓-歐拉方法為代表的矢量力學方法和以拉格朗日方程為代表的分析力學方法。這種方法對于單剛體或者少數幾個剛體組成的系統是可行的，但隨著剛體數目的增加，方程復雜度成倍增長，尋求其解析解往往是不可能的。后來由于計算機數值計算方法的出現，使得面向具體問題的程序數值方法成為求解復雜問題的一條可行道路，即針對具體的多剛體問題列出其數學方程，再編制數值計算程序進行求解。對于每一個具體的問題都要編制相應的程序進行求解，雖然可以得到合理的結果，但是這個過程長期的重復是讓人不可忍受的，于是尋求一種適合計算機操作的程序化的建模和求解方法變得迫切需要了。20世紀60年代初期，在航天領域和機械領域，分別展開了對于多剛體系統動力學的研究，并且形成了不同派別的研究方法。最具代表性的幾種方法是羅伯森-維滕堡方法、凱恩方法、旋量方法和變分方法[13]。20世紀80年代，多體系統動力學的研究重點由多剛體系統走向側重多柔體系統，柔性多體系統動力學成為計算多體系統動力學的重要內容[14]。柔性多體系統動力學在20世紀70年代逐漸引起人們的注意，一些系統如高速車輛、機器人、航天器、高速機構、精密機械等其中柔性體的變形對系統的動力學行為產生很大影響。二十多年來柔性多體系統動力學一直是研究熱點，這期間產生了許多新的概念和方法，有浮動標架法、運動一彈性動力學方法、有限元方法以及最新提出的絕對節點坐標法等，其中浮動標架法最早是在航天領域研究中提出來的。計算多體系統動力學的產生極大地改變了傳統機構動力學分析的面貌，使工程師從傳統的手工計算中解放了出來，只需根據實際情況建立合適的模型，就可由計算機自動求解，并可提供豐富的結果分析和利用手段;對于原來不可能求解或求解極為困難的大型復雜問題，現可利用計算機的強大計算功能順利求解;而且現在的動力學分析軟件提供了與其它工程輔助設計或分析軟件的強大接口功能，它與其它工程輔助設計和分析軟件一起提供了完整的計算機輔助工程(CAE)技術。2.1.2多體系統動力學研究的方法以歐拉為代表的經典剛體動力學發展至今己有二百多年了。兩個世紀以來，經典剛體動力學在天體運動研究、陀螺理論及簡單機構的定點運動研究等方面，取得了眾多的成果。但由于現代工程技術中，大多數實際問題的對象是由多個物體組成的復雜系統，要對它們進行運動學和動力學分析，僅靠古典的理論和方法己很難解決，迫切地需要發展新的理論來完成這個任務。六十年代未至七十年代初，美國R.E.羅伯森、T.R.凱恩，聯邦德國的J.維登伯格，蘇聯的Ell.波波夫等人先后提出了各自的方法來解決這些復雜系統的動力學問題。他們的方法雖各不相同，但有一個共同的特點，所推導出的數學模型都適用于電子計算機進行建模和計算。于是將古典的剛體力學、分析力學與現代的電子計算機技術相結合的力學新分支—多剛體系統動力學便誕生了。多體系統動力學雖發展成許多方法體系，但它們的共同點是采用程序化的方法，利用計算機解決復雜力學系統的分析與綜合問題，由于建模、分析、綜合都是由計算機完成的，這給多體系統動力學理論帶來了很多優點[11]:(1)它適用對象廣泛。由于多體系統動力學是由計算機按程序化方法自動建模和分析，并且只要輸入少量信息，就可以對多種結構及多種聯接方式的系統進行計算，因此其通用性強，同一程序可對各類復雜系統進行分析。(2)可計算大位移運動。多體系統動力學的公式推導是建立在有限位移基礎上的，因此即可做力學系統微幅振動的分析，又可做系統大位移運動分析，這更符合系統的實際運動狀況，并且給研究非線性問題帶來很大方便，能夠使計算結果更精確。(3)模型精度高。多體系統動力學的數學模型，可由計算機自動生成，不必考慮推導公式的難易程度。所以不但適用于較簡單的平面模型，而且更適用于復雜的三維空間模型，例如對汽車懸架動力學分析而言，可將垂直方向、前后水平方向及橫向的運動分析統一在同一個模型中，把懸架對汽車平順性、制動性、操縱穩定性的影響綜合起來研究。這為整個汽車系統的優化設計提供了理論基礎。2.2麥弗遜懸架的結構分析2.2.1麥弗遜懸架的簡化和假設為了方便運動學仿真模型的建立，在不影響對麥弗遜式懸架進行運動分析的清況下，對麥弗遜式懸架、車輪和轉向系統可以進行如下簡化和假設[20]:(1)懸架中所有桿件都認為是剛體，在車輪跳動和懸架運動過程中不發生變形;(2)車輪簡化為剛體，不考慮其變形;(3)零部件之間的所有連接都簡化為鉸鏈，內部間隙不計;(4)各運動副內的摩擦力忽略不計。(5)車身相對于地面不動。2.2.2麥弗遜懸架的運動學分析模型根據2.2.1的假設和簡化，可以將麥弗遜懸架、輪胎和轉向系統部分部件簡化為如圖2-1所示的運動學分析模型[21]。1—車身;2—減振器上體;3—轉向節總成(包括減振器下體、輪轂軸);4—轉向橫拉桿;5—轉向齒條;6—橫擺臂;7—車輪;圖2-1麥弗遜懸架的運動學分析模型圖中A點為減振器與車身的上安裝點;B點為懸架轉向橫拉桿與轉向節臂的鉸接點;C點為轉向橫拉桿與轉向節的鉸接點;D點為輪心;E點為下擺臂與轉向節鉸接點;O點為下擺臂內鉸接點，通過柱鉸與車架相連，可看成旋轉運動副;N點為輪胎接地點;M點為轉向節軸線上的一個參考點。麥弗遜懸架系統(左右兩側)包括:車身1(一個)，減振器上體2(兩個)，轉向節總成3(兩個)，轉向橫拉桿4(兩個)，下擺臂6(兩個)，轉向齒條5(一個)，車輪7(兩個)共12個部件組成。各部件之間的連接關系如下:減振器上體2上端通過萬向節鉸鏈與車身1的相連，它相對車身1可進行前后、左右兩個方向的轉動;轉向節總成3通過圓柱副減振器上體2相連，它相對減振器上體2可以沿減振器軸線移動和轉動;下擺臂6內端通過轉動副O與車身相連，使其相對于車身上下擺動;下擺臂6外端通過球鉸與轉向節總成3連接;轉向橫拉桿4內端通過萬向節鉸鏈與轉向齒條5相連，約束了其繞自身軸線的轉動;轉向橫拉桿4外端通過球鉸與轉向節總成3連接;轉向齒條5通過移動副與車身相連，它可相對車身左右移動。2.3建模思路及相關軟件在ADAMS軟件中建立模型時，其部件的生成方式主要有兩種:一種是使用ADAMS軟件自身提供的模塊進行模型零件的創建，如其核心模塊ADAMS/View提供了較為豐富的幾何體建模工具，ADAMS/Car則提供了各類模板來搭建整車模型。另一種方式是先在其他三維造型軟件(如Pro/E、UG、CATIA及Solidworks等)中進行實體建模，而后再以一定的文件格式導入到ADAMS中。相比較于一些專業的CAD軟件而言，ADAMS對幾何體的建模能力并不是很強，所建模型零件的外部特征不夠精確，外形也不夠逼真，而且所需參與計算的質量、轉動慣量等數據常常需要手工定義。因此本文采用第二種方式進行建模，即先在專業的三維CAD軟件中進行零件的實體建模，而后通過第三方軟件將模型導入到ADAMS中，并在ADAMS中完善模型。CATIA(Computer-graphicsAidedThree-dimensionalInteractiveApplication)是法國Dassault公司于1975年起開始發展的一套完整的3DCAD/CAE/CAM一體化軟件，被廣泛應用于航空航天、汽車、機械等各行各業。SimDesigner是MSC公司專門為CATIA開發的SimDesignerforCATIAV5products產品系列，SimDesigner系列產品實現了ADAMS強大的分析功能與CATIAV5環境的無縫集成，在SimDesigner中搭建好的模型可以輸出成ADAMS所需的cmd格式，并在ADAMS環境下面導入，繼續在ADAMS中進行模型的完善、仿真與分析。采用此種方法建模的好處在于[21]:(1)在CATIA中的實體建模可以得到逼真的零件外形及符合實際的零件基本屬性信息(如質量，轉動慣量等)。(2)使用SimDesigner可以無損的把在CATIA中建立的模型完整的導入到ADAMS中。(3)在ADAMS/View中進行模型的仿真分析，可以充分利用該模塊所提供的三種類型的參數化分析方法包對模型進行優化分析工作，這三種工具為:設計研究(DesignStudy)、試驗設計(DOE:DesignOfExperiments)和優化分析(Optimization)。當然此種方法也有不足之處，即必須在ADAMS/View中重新定義模型的參數化點，然后才能夠進行對模型的優化工作。3橫向穩定桿動力學模型3.1前言多體系統動力學領域內的多體系統，根據系統中零部件的力學特性可以劃分為多剛體系統、多柔體系統和剛柔耦合多體動力學系統。多剛體系統不考慮系統中零部件承受載荷后發生的彈性變形，認為零部件為剛體構件。這種方法適用于工作狀態速度較低，零部件發生的彈性變形較小的系統，其變形對動力學計算結果不會造成明顯影響。由于橫向穩定桿在汽車行駛過程中會發生彈性變形，并對懸架動力學計算結果產生影響，為保證懸架系統動力學模型分析結果的精度，因此必須對橫向穩定桿進行簡化，來完成懸架剛體動力學建模。因此本文主要運用了理論方法和有限元方法計算橫向穩定桿扭轉剛度，為完成前懸架剛體動力學建模做準備工作。3.2橫向穩定桿模型簡化在懸架系統中，橫向穩定桿是一個在汽車行駛過程中會發生較大彈性變形的零件，其三維模型圖如圖1-3所示。橫向穩定桿通常安裝在汽車前端或后端，桿身兩端通過套筒支撐在車架上。但汽車遇到路面不平或轉彎發生側傾時，橫向穩定桿兩端向相反方向運動，穩定桿桿身發生扭轉，其彈性恢復力矩抑制扭轉變形，因而減少了車身的傾斜。通常為了考慮橫向穩定桿發生彈性變形對動力學計算結果的影響，一般在剛體動力學模型中對橫向穩定桿進行簡化，將其處理為有限個剛體元，中間以扭轉彈簧或鐵木辛科梁連接，通過定義相關屬性將橫向穩定桿彈性變形的影響在動力學計算的過程中加以考慮。橫向穩定桿的簡化模型如圖3-1所示。1-橡膠襯套2-左穩定桿3-扭轉彈簧4-右穩定桿5-耦合桿圖3-1簡化橫向穩定桿扭轉彈簧剛度是保證橫向穩定桿簡化模型準確性的關鍵。確定橫向穩定桿扭轉彈簧剛度主要有三種方法，分別是試驗測定、理論計算和有限元分析。本文分別采用理論計算和有限元分析兩種方法確定橫向穩定桿扭轉彈簧剛度，使橫向穩定桿剛體簡化模型更加確切的體現對車身側傾的抑制作用。3.3橫向穩定扭轉剛度理論計算根據材料力學相關理論，對橫向穩定桿扭轉剛度進行計算。橫向穩定桿為實心圓形截面，形狀較為復雜，為方便計算將其轉化為規則形狀，其結構示意圖如圖3-2所示。忽略橫向穩定桿彎曲處過渡圓角對彈性變形的影響，并認為支撐點位于圖中的B點和C點，E點為BC段中點。另外，由于車身側傾角一般較小，故假定A、D兩點相對于BC的位移屬于彈性小變形范圍內