摘 要

随着汽车工业的快速发展，汽车行业越来越激烈的市场竞争要求汽车制造商在尽可能短的时间内，以较低的开发成本设计生产符合市场要求的产品。同时近年来虚拟样机技术的快速发展质的提高，对于汽车操纵稳定性，平顺性、安全性的要求也越来越高。传统的设计方式和试验方式已不再满足当下的市场的要求。经过二十多年的发展，虚拟样机技术已然是汽车制造商最好的汽车开发方式和仿真方法。本文论述了虚拟样机技术的优越性和多体动力学的发展。

本文首先分析了论文的研究背景和研究目的，把以往汽车设计的设计方式和当前的汽车设计的设计方式进行对比，论述了虚拟样机技术的优越性，并对当前国内外虚拟样机技术的研究现状进行了分析，确定了研究内容和研究方法。

其次，对于虚拟样机技术的技术背景和理论进行了研究，系统的论述了虚拟样机技术、虚拟现实技术和多体系统动力学理论的内容、特点和理论知识。并列举了他们在汽车工业中的重要作用和发展。

最后，基于虚拟样机技术，应用ADAMS/Car建立了某乘用车的各个子系统，并完成了该乘用车的虚拟样机的整车装配。基于虚拟样机的整车建模是汽车设计过程中进行虚拟仿真；汽车操作稳定性、平顺性仿真分析以及悬架等部件仿真分析的第一步。

关键词：虚拟样机；整车建模；ADAMS/Car

Abstract

With the rapid development of the automotive industry, the increasingly fierce market competition in the automotive industry requires automakers to design and produce products that meet market requirements at the lowest development cost in the shortest possible time. At the same time, with the improvement of people's quality of life, the requirements for the stability, safety and safety of the car are getting higher and higher. Traditional design methods and test methods no longer meet the requirements of the current market. Under the rapid development of computer technology, vehicle virtual development technology has developed rapidly, providing a new solution for automotive virtual design and virtual simulation. Based on the theoretical method of multi-body system dynamics, this paper takes a passenger car as the research object and uses the mechanical system dynamics simulation software ADAMS/Car to establish the virtual prototype model of the passenger car.

This paper first analyzes the research background and research purpose of the paper, compares the design method of the previous automobile design with the current design method of automobile design, discusses the superiority of the virtual prototype technology, and analyzes the current research status at home and abroad. , the research content and research methods are determined.

Secondly, the technical background and theory of virtual prototyping technology are studied. The content, characteristics and theoretical knowledge of virtual prototyping technology, virtual reality technology and multi-body system dynamics theory are systematically discussed. They also listed their important role and development in the automotive industry.

Finally, based on the virtual prototyping technology, the ADAMS/Car is used to establish the subsystems of a passenger car, and the vehicle assembly of the virtual prototype of the passenger car is completed.

The virtual prototype-based vehicle modeling is the first step in the virtual simulation of the vehicle design process; the simulation of vehicle operation, the smoothness simulation analysis and the simulation analysis of components such as suspension.

Keywords: virtual prototype；vehicle modeling；ADAMS/Car

目 录

目 录 1

第1章 引言 3

1.1 研究背景与意义 3

1.1.1 研究背景 3

1.1.2 研究意义 4

1.2 国内外研究现状 5

1.3 研究内容与研究方法 8

1.3.1 研究内容 8

1.3.2 研究方法 9

1.4本章小结 9

第2章 虚拟样机技术背景及其理论 10

2.1 虚拟样机技术 10

2.2 虚拟现实技术 12

2.3 多体系统动力学理论 13

2.4 ADAMS/CAR 15

2.5 本章小结 16

第3章 整车模型的建立 17

3.1 ADAMS/CAR的建模方法 17

3.2 前悬架模型的建立 18

3.3 转向系统模型的建立 20

3.4 后悬架系统模型的建立 21

3.5 轮胎模型的建立 23

3.6 发动机模型的建立 24

3.7 传动系模型的建立 25

3.8 车身模型的建立 26

3.9 整车的装配 27

3.10本章小结 28

第4章 结论 29

4.1 研究总结 29

4.2 研究展望 30

参考文献 32

致谢 33

第1章 引言

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

过去的一百多年里，汽车工业快速发展，汽车技术不断地革新，越来越多样化、多元化的汽车已经成为日常生活中不可或缺的一部分。同时现在科技正在飞速发展，新鲜的设计和思路陈出不穷。经过二十几年的发展，虚拟样机技术也越来越成熟，被广泛的运用在各个行业，在当前经济全球化和全球知识经济时代的背景下，各汽车制造上都面临着巨大的竞争。为了保持品牌的吸引力，各汽车生产厂商就要用更短的设计周期和更低的成本设计出、更高品质，为消费者提供更好的服务的产品。传统的设计方式已不再满足当下的汽车研发需求，顺应时代地采用虚拟样机技术进行研发是现在汽车制造业的一种共识。

图1.1 传统汽车设计过程

实体样机试验时传统汽车设计主要采用的动力学和运动学解决方法，传统的汽车设计整个过程如图1.1所示。在产品研发成功，投入市场前，需要花费大量的时间和金钱去制造实体样机，对实体样机进行反复的道路、台架、风洞等试验，结合实验结果和得到的实验数据对虚拟样机进行分析，找出试验结果达不到设计要求的原因并设计出试验样机的优化方案，对试验样机做进一步优化改进后，再进行试验，重复上面流程直到试验样机能够达到设计要求，才能将设计方案投入生产，进入市场。整个汽车研发周期冗长，耗费了较多的人力、物力和资金。传统的汽车设计过程已不再能够满足现在的汽车研发需求，过长的研发周期不仅仅消耗了较多的人力、物力、资金，而且会导致汽车制造商失去抢占市场的机会，对公司的发展很不利不利于公司的发展。

过去几十年的科技的高速发展让很多不可能变为可能，汽车工业也在这一段时间取得了很大的突破。现代信息技术和计算机技术上的高速发展，为汽车工业带了产业的革新，为我们提供了很多新技术，虚拟样机技术就是其中一项。技术的升级也带了汽车的研发改变。建立基于虚拟样机技术的汽车多体系统动力学模型已然成为汽车的性能的动态分析的主流方法。虚拟样机在可视性和交互性上有着传统样机不可比拟的优势，虚拟样机技术的应用使得汽车的动态性能分析变得直观，让数据分析变得更加准确，同时提高了研发的效率。运用虚拟样机技术进行汽车研发是现在主流的开发方式。基于虚拟样机技术的研发工程如下图1.2所示，汽车设计开发初期，工程师首先根据设计理念对汽车进行概念设计，之后运用CAD等设计软件进行绘图建模，之后在虚拟样机技术软件上进行整车的多体动力学模型的建立和仿真。与传统的汽车设计开发不同，工程师在将图纸变为实体车之前，首先要在虚拟样机技术软件上建立汽车整车的多体动力学模型，并在虚拟的环境中以不同的工况和在不同的行驶环境下进行仿真分析。通过虚拟样机的仿真试验，工程师可以得到汽车仿真过程中地实时参数，工程师可以根据这些参数对汽车行驶过程中的各部件以及汽车整体的表现进行参数化评估分析，并对过程中出现的问题以及可能会出现的问题设计优化方案，对设计做进一步的优化。基于虚拟样机的仿真分析让工程师不用制造实体样机并重复多次进行各种繁琐的道路、台架和风洞等试验就可以对汽车进行动力学分析优化。等设计方案成熟时再进行道路、台架、风洞等试验，大大的减少了实体试验的次数，更加高效。此外，基于虚拟样机的仿真试验有着传统实体样机试验达不到的精度，可以为汽车的设计中的缺憾提供一个更加精确完美的解决方案。运用计算机技术对车辆进行仿真，并在设计开发阶段不断改善其性能是目前应用很广的设计开发方式。

图1.2 基于虚拟样机的汽车设计过程

1.1.2 研究意义

随着汽车工业和汽车技术的飞速发展，在汽车的动力性能得到显著的提升的同时，人们也越来越关注汽车的燃油经济性、制动性、操纵稳定性等性能。汽车行驶过程中，存在着各种影响汽车动力性以及汽车的操纵稳定性和安全性的因素。为了符合相关规定、满足消费者需求，在这些因素的影响下，汽车仍要具有良好的使用性能，因此整车设计过程中对行驶中的各种性能进行分析是很重要的一环。为了满足汽车可以在不同的环境下以不同的工况行驶的要求，工程师要在设计阶段验证汽车在各种测试环境以不同工况运行的表现。传统的实体样机的方法，要耗费很多的时间、人力和资金去建造实体模型和进行道路、台架、风洞等试验。同时伴随着汽车技术和道路条件的快速发展，汽车的最高设计车速不断提高，很多已超过200km/h，高架桥以及快速道路的建设也使得汽车在城市中越来越多的以更高的车速行驶。汽车的许多动态反应指标会在加速或长时间高速行驶时发生变化。因此对汽车的高速行驶性能的测试变得必要起来。使用传统方法评价汽车行驶性能需要大面积的试验场地，试验要求的场地面积也会随着车速提高而提高，需要大量人力、物力和资金的投入，同时高速试验是一项危险性很高的试验。得益于计算机技术的快速发展，这些难题有了新的解决方法——基于虚拟样机技术仿真试验。虚拟样机技术作为一项新的产业技术，已经运用到各个领域，相关领域的软硬件技术有了很大突破。基于虚拟样机的仿真试验被广泛地运用于汽车的开发和性能测试。仿真软件可以进行模拟仿真汽车在加速，高速等特定的行驶条件下的行驶，与传统实车试验方法相比，基于虚拟样机的虚拟仿真试验更加高效、极大的缩短了研发周期，节约了可观的研发成本。运用虚拟试验仿真，工程师可以得到汽车在各种行驶条件下的表现，对新车型的研发以及旧车型的换代升级进行快速预估。运用基于虚拟样机技术的虚拟仿真时，工程师可以方便在软件商更改汽车的各项参数，进而研究不同参数对汽车各项性能的影响，达到提高汽车性能的目的。运用基于虚拟样机技术的虚拟仿真时，试验不再受环境的约束，我们可以创造不同的行驶环境进行模拟实验，可以在试验室环境下大量进行各种环境下的试验，获得大量准确、清晰的试验数据。

本文运用ADAMS软件对乘用车进行了基于虚拟样机技术的整车建模。虚拟样机技术在制造领域的运用，为国内外汽车制造商提供了一个更好的实验方法，基于虚拟样机的虚拟试验在缩短研发周期，节省开发资金之外，还拥有更高的精度。越来越多的制造商选择在车辆的设计开发阶段进行基于虚拟样机的仿真分析和性能分析。运用计算机技术对车辆进行仿真，并在设计开发阶段不断改善其性能是目前应用最多的设计开发方式。因此，对基于虚拟样机技术的整车建模的研究有很大的理论和实际意义。

1.2 国内外研究现状

虚拟样机（Virtual Prototyping，VP）技术是20世纪80年代出现的多体系统力学和计算机技术结合的新技术。虚拟样机技术的核心是在构建物理原型之前使用计算机构建具有可见性的参数化虚拟原型模型。通过在虚拟模型上运行不同的仿真程序来模拟真实环境下的机械系统运作过程并记录此过程中多体系统的运动学和动力学特性，以动画的方式展现模型的仿真运动过程，以图形方式展现虚拟样机在仿真过程中各种运动学和动力特性数据，并根据所得数据进行优化系统。随着计算机技术的发展，虚拟样机的实验效果可以媲美物理样机，同时可以大大的节约时间成本，人力成本和资金。同时虚拟样机在重复实验和优化的便捷性上有着物理样机不可比拟的优势虚拟样机技术和道路试验相结合的开发方式已然成为了当前汽车设计开发主流方法，大量的学者也在运用虚拟样机软件来完成对汽车的各种性能的动态仿真和优化工作。

欧美日韩等国家较早开始对虚拟样机的研究，且拥有更好的科研条件，因此，在虚拟样机软件市场占有较大的比重。目前虚拟样机仿真软件市场份额最高的是MSC公司的ADAMS。美国通用公式目前在用的是一款名为VPG（虚拟实验场）的仿真软件，该软件主要用于目前比较热门的NHV（噪音Noise、震荡Vibration、平稳Harshness）、汽车碰撞安全、乘员保护等问题的仿真。在欧美、日韩等工业发达国家，虚拟样机技术作为先进的设计和优化技术已被广泛用于各种机械行业。在航天航空领域，上世纪九十年代，美国Boeing（波音）公司开发的Boeing777飞机(图1.3)在设计上采用了CATIA软件进行绘图设计，并建立了Boeing777的虚拟模型也就是虚拟样机以防止设计上的错误导致实际制造时出现差错，虚拟样机的使用帮助波音公司力挽狂澜；同时代的美国航空局发射的“探路者号”也采用了虚拟样机的技术，在仿真模拟的过程中，工程师预测了火星风的作用，并对于火星风的问题进行了设计方案上的调整，确保了“探路者号”项目的顺利完成；福特汽车公司利用虚拟样机技术开发新车型，通过虚拟样机平台上的车辆建模和仿真测试，提高了产品设计的质量和效率，快速完成新产品设计并投入生产，给福特带来了良好的经济效益。

图1.3 Boeing（波音）777

由于我国上个世纪落后的技术和经济条件，国内虚拟样机技术的发展稍晚于国外，因此很长一段时间，都是通过借鉴和学习国外的先进技术来发展虚拟样机技术。2000年，在熊光楞^[1]教授和李伯虎^[2]院士的带领下，我国开始了虚拟样机技术的学习和研究。首先由熊光楞教授和李伯虎院士将虚拟样机技术的内涵、体系结构及其关键技术进行了系统的论述，同时也对当时国外虚拟样机技术的发展状况进行了叙述。在此之后，各个高校和科研机构纷纷进入到虚拟样机技术领域开展研究。当然，作为一个后来者，我们在技术上还有一定落后，但也取得了一定的成果，很多高校和研究院开发了自己的虚拟样机技术仿真软件。起初在虚拟样机技术的研究方面主要在于虚拟样机技术的应用，主要是利用已有的软件对工程上的一些问题进行仿真分析和优化。经过十几年的发展，目前已取得很不错的成果，特别是在大力发展智能制造之后，我们可以看到越来越多像虚拟样机技术一样的高新技术取得很大的进步，包括汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业在内的工业得到技术上的革新。比如，虚拟样机技术助力我国进入大型飞机领域。如图1.4所示，铁鸟试验台。13年12月30日投入使用的飞鸟试验台就运用了虚拟样机技术。铁鸟试验台可以模拟C919在高空中的飞行情形，再由专业民航飞行员在铁鸟中模拟操作，来检验C919是否能够完成各项试飞任务，以确保试飞的成功和飞行过程中飞行员的安全。

图1.4 铁鸟试验台和模拟飞行的情形

在汽车工业方面，从二十世纪八十年代开始，各大汽车制造商为了赢得市场和用户，都不惜投入大量资金来掌握以虚拟样机动态仿真和网络并行工程等创新技术为核心的数字化开发技术，数字化开发技术可以说是继福特的流水线生产和丰田的精益生产之后的又一重大技术进步。汽车制造商纷纷开始使用虚拟样机技术，通过基于虚拟样机技术的车辆建模和仿真分析来开发车辆，缩短了新产品的开发周期，节约了大量的研发资金，为制造商创造了可观的经济效益。

国内学者对虚拟样机技术进行了大量的研究和拓展：

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