電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)聯(lián)合仿真與分析【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)】

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中文摘要 I 摘要 近年來，由于交通的擁擠、油價(jià)的持續(xù)上漲，以及老年人口比例的逐年增加，使得電動(dòng)車的發(fā)展非常迅速。為了開發(fā)出新型的電動(dòng)代步車，虛擬樣機(jī)的仿真技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究課題。 為了優(yōu)化電動(dòng)代步車的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)尺寸、調(diào)整其控制參數(shù)，本文采用了計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，同時(shí)依靠軟件間的協(xié)同合作平臺(tái)，建立了電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)模型，并對(duì)電動(dòng)代步車的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。 本文的研究主要內(nèi)容包括： 1 基于多體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，在 件中分別建立了電動(dòng)代步車的輪胎、人體、座 椅、柔性體支架、路面譜等子模型，并在 算環(huán)境下，通過添加約束的方式，把這些子模型組成一個(gè)整體，從而建立了電動(dòng)代步車人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型。 2 在 臺(tái)上建立電動(dòng)代步車永磁無刷直流電機(jī)模型，并對(duì)電機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)行測試。通過軟件間的接口，搭建了 臺(tái)。將生成的電動(dòng)代步車人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型與電機(jī)模型在此平臺(tái)上進(jìn)行聯(lián)合仿真，從而建立了電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)模型。 3 利用 件對(duì)電動(dòng)代步車人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析。電動(dòng)代步車操縱穩(wěn)定性仿真分析內(nèi)容包括： ① 、爬坡性能仿真分析、 ② 、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真分析； ③ 、轉(zhuǎn)向回正性仿真分析； ④ 、蛇形仿真分析；電動(dòng)代步車平順性仿真分析內(nèi)容包括： ① 、隨機(jī)路面的仿真分析； ② 、脈沖路面的仿真分析；③ 、凹坑路面的 仿真分析； ④ 、臺(tái)階路面的仿真分析。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。 4 建立電動(dòng)代步車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案，并對(duì)電動(dòng)代步車加速和差速轉(zhuǎn)向進(jìn)行聯(lián)合仿真，調(diào)解 數(shù)，觀察 制效果，驗(yàn)證控制方案的可行性。 5 針對(duì)仿真過程中遇到的問題進(jìn)行了歸納與總結(jié)，并提出了改進(jìn)意見與展望。 本文的仿真分析與研究，對(duì)電動(dòng)代步車產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的推進(jìn)作用，其分析計(jì)算結(jié)果對(duì)電動(dòng)代步車樣機(jī)的調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義，所提出的人 機(jī)電綜合系統(tǒng)的仿真方法對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與參數(shù)的優(yōu)化具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)代步車；人機(jī)電綜合系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性； 合仿真 of is of In to a of an In to of in on of of of of 1 on of an 2 of of by of to of 3 of of of ① ② ③ ④ of ① ② ④ of 4 of of of ID 英文摘要 of 5 in of of of in a in of a to of of in a to of of V 目 錄 中文摘 要 ......................................................................................................................................... I 英文摘 要 ........................................................................................................................................ 緒論 .............................................................................................................................................. 1 文研究背景與意義 ............................................................................................................... 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與未來發(fā)展趨勢 ................................................................................... 1 動(dòng)代步車國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀 ........................................................................................... 1 動(dòng)代步車未來發(fā)展趨勢 ............................................................................................... 3 文研究的主要方法和內(nèi)容 ................................................................................................... 4 2 電動(dòng)代步車機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 .............................................................. 7 剛體動(dòng)力學(xué)理論概述 ........................................................................................................... 8 胎模型的建立與參數(shù)的選取 ............................................................................................... 9 面譜的建立 ......................................................................................................................... 11 3 電動(dòng)代步車人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型建立與分 析 ....................................... 15 ........................................................................................... 15 體動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置 ............................................................................. 15 椅系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建與分析 ................................................................................. 17 動(dòng)代步車人機(jī)系統(tǒng)模型的建立與支架的模態(tài)分析 ......................................................... 20 架柔性體中性文件的建立 ......................................................................................... 20 動(dòng)代步車動(dòng)力學(xué)模型簡化與建立 ............................................................................. 22 機(jī)系統(tǒng)模型的建立與參數(shù)選取 ................................................................................. 22 動(dòng)代步車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的建立 ................................................................................. 24 電耦合仿真模型的原理 ............................................................................................. 24 磁無刷直流電機(jī)仿真模型的建立 ............................................................................. 25 樞電壓控制的 真模型的建立 ....................................................... 27 合仿真模型 ......................................................................................... 30 合仿真模型的創(chuàng)建過程 ................................................................. 31 合仿真模型的調(diào)試方法及注意事項(xiàng) ......................................................................... 34 合仿真模型的封裝 ..................................................................................................... 34 目 錄 V 4 電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真與分 析 ....................................... 37 動(dòng)代步車操縱穩(wěn)定性仿真分析 ......................................................................................... 37 坡性能仿真分析 ......................................................................................................... 37 態(tài)轉(zhuǎn)向仿真分析 ......................................................................................................... 39 向回正性能仿真分析 ................................................................................................. 43 形仿真分析 ................................................................................................................. 45 動(dòng)代步車平順性仿真分析 ................................................................................................. 47 機(jī)路面的仿真分析 ..................................................................................................... 47 沖路面的仿真分析 ..................................................................................................... 51 坑路面的仿真分析 ..................................................................................................... 53 階路面的仿真分析 ..................................................................................................... 56 章小結(jié) ................................................................................................................................. 57 5 電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)聯(lián)合仿真分 析 ....................................... 59 制及參數(shù)調(diào)整方法 ...................................................................................................... 59 制方法 ................................................................................................................... 59 數(shù)調(diào)整方法 ........................................................................................................... 60 動(dòng)代步車 制的速度仿真分析 ................................................................................ 60 動(dòng)代步車 制的差速轉(zhuǎn)向仿真分析 ........................................................................ 67 章小結(jié) ................................................................................................................................. 71 6 總結(jié)與展望 ............................................................................................................................ 73 文總結(jié) ................................................................................................................................. 73 一步的工作展望 ................................................................................................................. 73 致 謝 ............................................................................................................................................ 75 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 77 1 緒論 1 1 緒論 文研究背景與意義 近年來小汽車不斷進(jìn)入千家萬戶，我國同世界其它發(fā)達(dá)國家一樣，汽車社會(huì)時(shí)代到來的同時(shí)，也產(chǎn)生了一系列重大的社會(huì)問題：各大城市交通擁堵、停車?yán)щy，交通事故頻發(fā)；廢氣排放和噪聲污染嚴(yán)重；原油價(jià)格不斷升高等，面向未來，安全、節(jié)能、環(huán)保將仍然是汽車研究的三大主題。因此交通運(yùn)輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確指出：建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)是我國一項(xiàng)長期的戰(zhàn)略任務(wù)。 汽車輕量化是綜合實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。研究表明，約 75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量就可以降低油耗以及排放，汽車質(zhì)量每下降 10%，油耗下降 8%，排放下降 4%。汽車質(zhì)量的減少，會(huì)減小動(dòng)力及其傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，因此可降低油耗，油耗下降又意味著二氧化碳（ 氮氧化物（ 有害氣體排放的下降。由此可見，汽車輕量化 [1]意義明顯，受到業(yè)界和政府高度重視，是汽車研究發(fā)展的重要方向。 汽車微型化又顯然是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑。另外，微型化可減少迎風(fēng) 面積，降低汽車行駛時(shí)的空氣阻力，能節(jié)省大量材料以及行車和駐車的交通空間。所以，根據(jù)用途不同，對(duì)乘坐和載運(yùn)空間需求較小的交通場合應(yīng)該盡量減小汽車尺寸，以減少浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。隨著政府對(duì)節(jié)能減排的政策調(diào)控力度不斷增強(qiáng)、城市化交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)和完善、人們環(huán)保意識(shí)提高和消費(fèi)觀念進(jìn)步，可以預(yù)見：未來私人交通領(lǐng)域中，當(dāng)需要家人集體出行時(shí)，將采用多人座轎車，而在中青年人上下班出勤和老年人、家庭主婦的生活通行時(shí)，則采用雙人甚至單人座的超微型小汽車。 因此，未來輕量化、微型化汽車發(fā)展具有很大的市場空間，國家政府也大 力支持和倡導(dǎo)微型汽車的研究發(fā)展 [2]。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與未來發(fā)展趨勢 動(dòng)代步車國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀 電動(dòng)代步車在國外已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，在電動(dòng)代步車主要零部件的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵零部件動(dòng)力學(xué)分析、不同結(jié)構(gòu)類型的分析以及整車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究等方面，計(jì)算機(jī)的虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)相當(dāng)深入和廣泛，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)資料，并成功地應(yīng)用到了電動(dòng)代步車產(chǎn)品的開發(fā)中，使得所生產(chǎn)的電動(dòng)代步車在結(jié)構(gòu)的可靠性和對(duì)乘員的保護(hù)方面都處于領(lǐng)先水平。最早研究電動(dòng)代步車 的 法國人把 電動(dòng)代步車 分為 A、 B、 C 三類 [3]，室內(nèi)使用 為 A 類 ， 2 室內(nèi)外兩用 為 B 類，室外使用為 C 類。 將 操縱 加 速度、速度、制動(dòng) 、 動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性 和 碰撞損傷 進(jìn)行 綜合考慮 。 現(xiàn)在 ， 采用最新的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 的 法國 動(dòng)代步車 ，操縱 起來 更加 輕巧、 靈活，并且 實(shí)現(xiàn)大的輕量化設(shè)計(jì) 。在整車設(shè)計(jì)上，安裝了可調(diào)裝置， 電動(dòng)車 可以在高度、長度、寬度上都可以 分別 進(jìn)行 調(diào)節(jié)，并且可以折疊，使代步車的存放、攜帶變得簡單 、方便 。 當(dāng)我國發(fā)明家剛剛邁入為老年人生產(chǎn)舒適、方便的代步工具的初步階段 [4]時(shí)，國外的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，例如： 2004 年 出的新產(chǎn)品88車擁有全球首創(chuàng)四輪避震系統(tǒng)，并榮獲世界專利；充滿創(chuàng)意的人性化設(shè)計(jì)包括：車輛可自轉(zhuǎn) 360 度、左右邊操控組可相互對(duì)調(diào)等；在開發(fā)制造車身的過程中完全秉承了人機(jī)工程學(xué)的原理；由于采用內(nèi)建式充電器，因此，為用戶提供了非常順暢、平穩(wěn)的行車速度 [5]。 在研究方法上，在汽車行業(yè)廣泛運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)和 法，成為了電動(dòng)代步車產(chǎn) 品開發(fā)最有力的工具之一。 1994 年亞利桑那大學(xué)的 T. Y. A. 表了便于求解大變形體動(dòng)力學(xué)問題的新方法 [6]。西班牙的 A. 設(shè)計(jì)了為電動(dòng)輪椅車提供在翻越樓梯和其他障礙時(shí)所需動(dòng)力的前輪機(jī)電系統(tǒng)，試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和實(shí)用性 [6]。 賓夕法尼亞大學(xué)的 . 統(tǒng)地分析了各種電動(dòng)代步車技術(shù)的 發(fā)展前景 ，創(chuàng) 建了為了實(shí)現(xiàn)某種性能而消耗系統(tǒng)質(zhì)量的模型。對(duì)個(gè)人電動(dòng)代步車的開發(fā)與改進(jìn)具有極高的指導(dǎo)意義 [7]。 在我國，臺(tái)灣地區(qū)的電動(dòng)代步車已有幾十年的發(fā)展歷史，不但擁有相當(dāng)多的技術(shù)人才，而且加工制造技術(shù)嫻熟，對(duì)于電動(dòng)車的發(fā)展來說，已經(jīng)具有良好的前提條件。此外，臺(tái)灣生產(chǎn)的小型馬達(dá)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，再加上電子和電機(jī)等配套產(chǎn)業(yè)的崛起，在發(fā)展小型電動(dòng)車方面潛力十足。 了開發(fā)各種電動(dòng)代步車，建立了人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)庫，表現(xiàn)出了較高的技術(shù)水平和人文精神[8]。 大陸地區(qū)的電動(dòng)代步車開發(fā)起步較晚，主要對(duì)引進(jìn)的產(chǎn)品進(jìn)行測繪、模仿等改進(jìn)手段。相對(duì)來說，深入研究電動(dòng)代步車工作和文獻(xiàn)較少。要想早日趕上國外同行的步伐，最行之有效就是采用 法。李勇，來自昆明理工大學(xué)。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)老年人用電動(dòng)代步車的外形設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并提出了各種方案并對(duì)比了它們的優(yōu)劣 [9]。 柯尊鳳 ，來自北京科技大學(xué)。她帶領(lǐng)的隊(duì)伍采用虛擬樣機(jī)方法將某電動(dòng)代步車的動(dòng)力學(xué)特性 [10]進(jìn)行分析改進(jìn)。舒紅宇，重慶大學(xué)教授，他和他的團(tuán)隊(duì)在電動(dòng)代步車領(lǐng)域研究多年，先后申請(qǐng)了十幾項(xiàng)發(fā)明專利 [11] [12]，并用虛擬樣機(jī)仿真的方法 [13] [14]，對(duì)電動(dòng)代步車的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，并將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，然而，目前電動(dòng)代步車的計(jì)算機(jī)仿真在國內(nèi)的研究 還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。雖1 緒論 3 然在電動(dòng)代步車的外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件的動(dòng)力學(xué)研究和計(jì)算機(jī)仿真模擬方面初步開展了一些工作，也取得了一些成績，但是對(duì)電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性聯(lián)合仿真分析方面做的比較少，。也不夠全面，這方面與國外的差距依然很大。 動(dòng)代步車未來發(fā)展趨勢 人口老齡化是當(dāng)今社會(huì)所面臨的最嚴(yán)峻的問題之一，隨著中國人口的不斷增長，老年人在總?cè)丝谥兴嫉谋壤苍诓粩嘣黾印?電動(dòng)代步車作為一種專為老年人及殘疾人設(shè)計(jì)的輕便休閑代步工具，已經(jīng)快速發(fā)展起來， 具有非常好的發(fā)展前景 [15] [16] [17]。 隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使得全球老齡化人口比重持續(xù)增長， 老 年 人 的 身體機(jī)能衰老 以 及 經(jīng)常被 慢性疾病 困擾 ， 從而愈加依賴于代步工具。這極大地帶動(dòng)了市場對(duì)電動(dòng)代步車的需求。例 如 ， 美國市場 是電動(dòng)代步車 銷售 量 最高的國家 ，就是 因 為他們 有較高的 保健支付體系。許多歐洲國家醫(yī)療保 健制度 比較完善 ， 人們的生活水平較高，代步車的銷量也比較好 。 由于電動(dòng)代步車不僅適用于老年人，還適用于有輕度殘疾 的人、行動(dòng)不便者等群體，如孕婦和小孩等，因此電動(dòng)代步車相對(duì)其它電動(dòng)車產(chǎn)品來說，能更快速的占據(jù)市場。在此背景下，電動(dòng)代步車產(chǎn)品的發(fā)展將越來越受到世界的注目和青睞。 另外， 隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展、安全保障設(shè)施不完善、道路擁擠，導(dǎo)致意外事故發(fā)生頻繁，殘疾人人數(shù)也隨之增多。同時(shí)， 21 世紀(jì)初，作為作為一個(gè)發(fā)展中國家卻較早的進(jìn)入老齡化社會(huì) 。 據(jù) 國家相關(guān)部門的研究與預(yù)測 ， 20 世紀(jì)末，我國 人口 老齡 化的人數(shù) 已突破 了 10%， 預(yù)計(jì)未來 40 年內(nèi) ，我國 人口 老齡化 的人數(shù)將 在 30%左右 ， 達(dá)到人口 老齡化 的頂峰。因此，針對(duì) 老年人和殘疾人這一非 常特殊、龐大的群體，更應(yīng)該得到社會(huì)更多的關(guān)愛，以便享受高質(zhì)量的生活。 因此，迫切需要為他們提供一種操作簡便、可靠性高的代步工具。 從經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度出發(fā)，歐美日等發(fā)達(dá)國家對(duì)電動(dòng)代步車的需求增加，使得我國電動(dòng)代步車出口量也逐年升高，近五年的復(fù)合平均增長率達(dá) 65%以上，成為我國電動(dòng)車輛出口主力。由于電動(dòng)代步車的使用者多為殘疾人或老年人，因此必須重視車子的穩(wěn)定性及安全性，從而提高國產(chǎn)電動(dòng)代步車的品質(zhì)和市場競爭力。 因此，汽車電動(dòng)化是世界汽車發(fā)展的主流，具有廣闊研究發(fā)展前景。汽車電動(dòng)化技術(shù)也更適宜于汽車的輕量化與微型化。 一方面，尤其是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)小汽車，由于沒有笨重的內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及其變速傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、空間設(shè)計(jì)靈活，更容易實(shí)現(xiàn)輕量化和微型化，另一方面，由于電池容量和一次充電能量以及高電壓、大電流等的限制，要實(shí)現(xiàn)大功率汽車運(yùn)行要求，目前的汽車電動(dòng)化技術(shù)還存在較大困難。正因如此，世界各國近年來在各種汽車展覽會(huì)上不斷推出各種 4 結(jié)構(gòu)簡捷新穎的超微型電動(dòng)概念車型，其中，特別是專為 老年人與殘疾人設(shè)計(jì)的電動(dòng)代步車備受矚目。 正因?yàn)殡妱?dòng)代步車輕量化與微型化的特點(diǎn)，將會(huì)是未來城市化道路交通工具、家庭小轎車族的重要成員之一。但是，也正因?yàn)?其輕量化、微型化，在汽車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和行車安全性方面將會(huì)面臨新的難題。 這是因?yàn)椋?一旦人體質(zhì)量和大小尺度均接近甚至大于汽車以后， 人體和汽車間的動(dòng)力學(xué)行為耦合作用就被顯現(xiàn)出來，人體的力學(xué)特性、乘坐姿態(tài)的變換行為將對(duì)汽車行駛的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的影響和作用。 文研究的主要方法和內(nèi)容 本文研究的主要目的是對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)代步車的操縱穩(wěn)定性、平順性等動(dòng)態(tài)特性方面進(jìn)行仿真分析，對(duì)其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和行車安全性等方面做出合理的評(píng)價(jià)；建立電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)，并對(duì)其加速、差速轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，調(diào)整 制參 數(shù)，得到最佳控制效果。 本文研究的主要內(nèi)容包括： ① 基于多體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，在 件中分別建立了電動(dòng)代步車的輪胎、人體、座椅、柔性體支架、路面譜等子模型，并在 算環(huán)境下，通過添加約束的方式，把這些子模型組成一個(gè)整體，從而建立了電動(dòng)代步車人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型。 ② 在 臺(tái)上建立電動(dòng)代步車永磁無刷直流電機(jī)模型，并對(duì)電機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)行測試。通過軟件間的接口，搭建了 臺(tái)。將生成的電動(dòng)代步車人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型與電機(jī)模型 在此平臺(tái)上進(jìn)行聯(lián)合仿真，從而建立了電動(dòng)代步車人機(jī)電綜合系統(tǒng)模型。 ③ 利用 件對(duì)電動(dòng)代步車人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。 ④ 建立電動(dòng)代步車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案，并對(duì)電動(dòng)代步車加速和差速轉(zhuǎn)向進(jìn)行聯(lián)合仿真，調(diào)解 數(shù)，觀察 制效果，驗(yàn)證控制方案的正確性、準(zhǔn)確性，為研發(fā)控制器提供有效數(shù)據(jù)。 論文所使用的研究方法如下： 靜力學(xué)分析是指系統(tǒng)在不受外載荷作用的情況下的力平衡分析，當(dāng)系統(tǒng)受到外界載荷作用時(shí)，就就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。機(jī)械系統(tǒng)在做靜力學(xué)、動(dòng)力 學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面常用的軟件主要有：以剛體為主要研究對(duì)象的 件；以柔性體為主要研究對(duì)象的 軟件。 前者分析對(duì)象以剛性體模型為主，后者以柔性體模型為主，在工程實(shí)際中，1 緒論 5 為了研究方便，一般的機(jī)械機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)一般不考慮其彈性變形，將構(gòu)建都視為剛體。但實(shí)際實(shí)際過程中，由于機(jī)構(gòu)往往受到較大的載荷作用，在加速或減速運(yùn)動(dòng)中，由于慣性的作用，可能某些構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生較大的彈性形變，為了能夠真實(shí)的反映出機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，往往將大形變的構(gòu)件建立為彈性體，否則的話可能會(huì)造成很大的誤差，機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 特性也影響著各構(gòu)件的力學(xué)性能及內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布。由于 件在參數(shù)建模、有限元網(wǎng)格劃分、控制系統(tǒng)建模上比較麻煩。所以在做這方面分析時(shí)，一般選擇在有限元前處理和求解上功能比較強(qiáng)大的 件，因此，為了使仿真結(jié)果更真實(shí)可靠，往往將 件聯(lián)合使用，大大提高工作效率。 在控制方面， 控制功能強(qiáng)大，但在有限元網(wǎng)格劃分與機(jī)械系統(tǒng)仿真等方面卻很不方便。 有雙向數(shù)據(jù)接口，可以把建立好的控制系統(tǒng)導(dǎo)入到 ，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析。將不 同軟件的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，能快速有效的驗(yàn)證控制算法。 為了系統(tǒng)能順利的進(jìn)行仿真，必須要將各軟件聯(lián)合使用。 ① 數(shù)據(jù)接口： 構(gòu)件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，生成模態(tài)中性文件（ 件），可以通過 件導(dǎo)入 而就可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析，提高系統(tǒng)仿真的精度。 ② 合仿真技術(shù)：利用 塊連接在一起進(jìn)行聯(lián)合仿真，此時(shí)受控的物理模型是可以是線性和非線性的。 模塊可以模型轉(zhuǎn)化為 C++或者 碼后導(dǎo)入作為廣義狀態(tài)方程。這樣仿真就完全在 進(jìn)行了。這種方法最大的好處就是機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的積分求解器、積分步長、相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差可以設(shè)為一致，避免了由于積分步長不一致帶來的錯(cuò)誤，大大提高了仿真的效率。 本文用 件 建立了新型電動(dòng)代步車多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，在創(chuàng)建了控制模型，兩個(gè)軟件通過 口進(jìn)行聯(lián)合仿真，在多種路況下驗(yàn)證控制 算法，確定控制參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到滿意效果。 6 2 電動(dòng)代步車機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 7 2 電動(dòng)代步車機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，首先提供一個(gè)便于建立多體系統(tǒng)的力學(xué)模型的界面，并在系統(tǒng)內(nèi)部由多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型得到動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；再通過積分求解器求解數(shù)學(xué)模型，在求解器的選擇上，效率必須要高、穩(wěn)定性必須要好，并要求其具有廣泛的適應(yīng)性；最后，還要有豐富的顯示手段來查詢求解結(jié)果。其中，最關(guān)鍵的部分是自動(dòng)建模技術(shù)和求解器設(shè)計(jì)。 自動(dòng)建模技術(shù)是指通過多體系統(tǒng)力學(xué)模型自動(dòng)建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型過程的技術(shù)，設(shè)計(jì)求解 器時(shí)則需要結(jié)合系統(tǒng)的模型，求解時(shí)則需要用到特定的動(dòng)力學(xué)算法。 一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，從最初建立幾何模型到建立動(dòng)力學(xué)模型，到對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的求解，到得到最后的分析結(jié)果，其整個(gè)流程如 圖 示。 圖 體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與求解的一般過程 計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的整個(gè)過程之中，建模和求解是兩個(gè)最為主要的組成部分。建模主要是指數(shù)學(xué)建模和物理建模的過程，物理建模是指通過物體的三維幾何模型建立物體的物理模型的整個(gè)過程，數(shù)學(xué)建模是指在建立好物理模型的基礎(chǔ)之上，用物理模型建立數(shù)學(xué)模型的整個(gè)過程。幾何模型的建立可以利用動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)的幾何模塊，也可以利用通用的 3D 幾何造型軟件。模型建立后，可以在動(dòng)力學(xué)分析軟件中對(duì)其施加動(dòng)力學(xué)約束、驅(qū)動(dòng)約 束、力元等物理模型中所必須的要素，從而形成物理模型以表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)模型。在建立物理建模的整個(gè)過程中，有時(shí)要通過運(yùn)動(dòng)學(xué)的約束和物體最初的位置等條件對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行裝配。對(duì)物理模型采用笛卡爾坐標(biāo)或拉格朗日坐標(biāo)建模方法，應(yīng)用自動(dòng)建模技術(shù)， 8 生成各系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用求解器中的靜平衡、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)或逆向動(dòng)力學(xué)的分析算法，迭代求解，得到仿真結(jié)果。聯(lián)系設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)求解結(jié)果再進(jìn)行分析，從而反饋到物理建模、幾何建模過程，如此反復(fù)，直到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。 剛體動(dòng)力學(xué)理論概述 虛擬樣機(jī)比較全面的體現(xiàn)了多種不同的技術(shù)，多體動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的理論及其技術(shù)的應(yīng)用都是它的核心部分。多體動(dòng)力學(xué)由多剛體動(dòng)力學(xué)和多柔體動(dòng)力學(xué) [18]兩部分組成，是一門用來研究多體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。 研究多剛體動(dòng)力學(xué)的主要方法 [19]有： ① 旋量方法 旋量方法也被稱作牛頓 ?歐拉法，其主要特點(diǎn)是引入旋量這一概念，將矢量與矢量矩相結(jié)合，并利用對(duì)偶數(shù)作為工具，用簡明的表達(dá)方式表達(dá) N／ E 方程，從而使其在由開、閉鏈空間組成的機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中得到了十分廣泛的應(yīng)用 ② 拉格朗日方程法 多剛體系統(tǒng)由于在建立動(dòng)力學(xué)方程時(shí)十分復(fù)雜，采用 標(biāo)特別困難，而采用笛卡兒廣義坐標(biāo)就要相對(duì)方便的多，不論是對(duì)于多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)，還是對(duì)于多余坐標(biāo)的非完整約束系統(tǒng)，一種比較規(guī)范的處理方法是用帶乘子的拉氏方程處理。導(dǎo)出的以笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的動(dòng)力學(xué)方程，是與廣義坐標(biāo)數(shù)目相同的帶乘子的微分方程，還需要補(bǔ)充廣義坐標(biāo)的代數(shù)約束方程才能封閉。 ③ R?W 方法 美國的 R． L． 授與德國的 J． 授提出 R?W 方法，是分析多剛體系統(tǒng)較為普遍的方法。該方法的主要是利用數(shù)學(xué)工具和圖論的概念來闡述多剛體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，把剛體間的相對(duì)位移選做廣義坐標(biāo)，推導(dǎo)出普遍形式的動(dòng)力學(xué)方程適合多于任意的剛體系統(tǒng)。 ④ 凱恩方法 凱恩方法是用廣義速率描來述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理創(chuàng)建動(dòng)力學(xué)方程，并把矢量力與達(dá)朗貝爾慣性力投影到基矢量方向，從而消除掉理想的約束力。 ⑤ 變分方法 變分方法是與凱恩方法不同的另一種全新分析方法，變分方法的基本原理是高斯最小拘束原理。該方法善于與控制系統(tǒng)的優(yōu)化相結(jié)合來綜合分析，而且因?yàn)槠洳皇茔q約束數(shù)目的影響，可以用于有多個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)。 2 電動(dòng)代步車機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 9 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的優(yōu)點(diǎn)： ① 通用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，不同類型的復(fù)雜系統(tǒng)都能用同一個(gè)方程式進(jìn)行分析。只需簡單的操縱計(jì)算機(jī)就能完成建模。 ② 對(duì)于大位移的構(gòu)件也可以用該理論分析計(jì)算，能夠很好的解決非線性的問題，使計(jì)算結(jié)果更理想。 ③ 模型精度高，只需對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，系統(tǒng)就能生成多剛體動(dòng)力學(xué)的模型，所以不必考慮推導(dǎo)公式的難易程度，所以能夠建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)方程，使仿真結(jié)果更符合實(shí)際。 胎模型的建立與參數(shù)的選取 輪胎是電動(dòng)代步車重要組成部件，它的基本作用是支撐整車質(zhì)量，傳遞制動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)力矩，輪胎必須具有諸如低滾動(dòng)阻力、耐久性、抗磨性、安全性等各種各樣的性能和特點(diǎn)，從而保證車與路面的良好附著性能，保證車的正確的行駛方向，此外還有緩沖減震的作用，減少?zèng)_擊，衰減振動(dòng)。另外，由于輪胎的不均勻性以及輪胎的不平衡性 ，在車行駛過程中也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此，輪胎模型建立和參數(shù)的選取至關(guān)重要，也是進(jìn)行電動(dòng)代步車動(dòng)態(tài)特性仿真分析的十分重要的環(huán)節(jié)。 供如下幾種輪胎模型： 胎模型、 胎模型、 胎模型、 胎模型和用戶自定義輪胎模型 [20][21]，其中 胎模型及用戶自定義輪胎模型是解析模型 ;胎模型、胎模型為試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀? 每個(gè)輪胎模型的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍如 表 示： 表 的輪胎模型 胎類型 所需參數(shù) 應(yīng)用 本輪胎特性 操縱性、純滑移 本輪胎特性 操縱性、復(fù)合滑 移 驗(yàn)參數(shù) 操縱性、純滑移 驗(yàn)參數(shù) 操縱性、復(fù)合滑移 用戶自定義 用戶設(shè)定 用戶確定 基于以上幾種輪胎模型的優(yōu)缺點(diǎn)，本文最終選取的是 胎模型，在， 胎模型是在下面四個(gè)假設(shè)之下的： 10 ① 與路面的接觸區(qū)域?yàn)榫匦? ② 忽略外傾角對(duì)輪胎力的影響 ③ 忽略輪胎松弛效應(yīng)的影響 ④ 在接觸區(qū)域內(nèi)壓力均勻分布 在輪胎與路面接觸的過程中，采用了以下兩種方法，當(dāng)選擇三維路面時(shí)，采用三維方法；當(dāng)選擇二維路面時(shí)，采用點(diǎn)追隨法。所謂點(diǎn)追隨法就是假設(shè)在輪胎和路面之間只有一個(gè)接觸點(diǎn)，該接觸點(diǎn)是輪胎平面與路面交叉線相切的點(diǎn)，因此輪胎在仿真的過程中，輪胎接觸力方向始終與路面垂直，由于理論的原因，點(diǎn)追隨法不能得到正確的縱向力曲線。而選擇三維路面時(shí)，接觸點(diǎn)不是一個(gè)單一的點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域，得到輪胎等效的接觸點(diǎn)和垂直撓度，軟件就會(huì)將輪胎自動(dòng)默認(rèn)圓柱體，因此后面所建立的路面都采用三維路面。 具體輪胎特性參數(shù) [22]如 表 示。 表 胎特性參數(shù) of 參數(shù)名稱和單位 前輪參數(shù)數(shù)值（前 /后） 車前后輪自由半徑（ 100/80 輪胎斷 面寬（ 60/50 扁平率 向剛度（ N/ 300 縱向滑移剛度（ N/ 10000 側(cè)偏角剛度（ N/ 1200 外傾角剛度（ N/ 800 徑向阻尼系數(shù) 動(dòng)阻力矩系數(shù) 摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù) 量（ X、 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 2kg ) Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 2kg ) 2/1 ，輪胎文件都有其固定的格式。在創(chuàng)建輪胎文件之前務(wù)必要了解文件的格式。 胎文件分為 6 個(gè)數(shù)據(jù)塊，結(jié)合本文輪胎的具體參數(shù)，即2 電動(dòng)代步車機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 11 可編制輪胎文件，并要把文件保存為 式。之后，點(diǎn)擊力庫的輪胎（ 系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)創(chuàng)建輪胎模型的對(duì)話框，填寫輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量，并按照提示調(diào)用需要的輪胎文件盒路面文件，并選擇一個(gè) 作為輪胎的連接點(diǎn)，且將該點(diǎn)的 Z 軸定義為輪胎旋轉(zhuǎn)方向，輸入輪胎的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的等信息，即可創(chuàng)建所需輪胎模型。 面譜的建立 在 很多 工程分析中 ， 介紹 許多 生成路面不平度時(shí)域模型 的方法 ：濾波白噪聲生成法（線性濾波法），基于有理函數(shù) 型的離散時(shí)間隨機(jī)序列生成法，根據(jù)隨機(jī)信號(hào)的分解性質(zhì)所推演的諧波疊加法（也稱頻譜表示法），以及基于冪函數(shù)功率譜的快速 變換生成法等 [23][24][25]。 在以上的方法中 , 諧波疊加法 [26]是比較 常用的方法之一 ， 非常適用于生成國際標(biāo)準(zhǔn) 路譜時(shí)域模型。 雖然 諧波疊加法 有 計(jì)算量 較大的缺點(diǎn) ，但 是 該方法理論嚴(yán)密、算法 簡便， 是 非常好的 頻域模型轉(zhuǎn)換方法。因此，本文 用 諧波疊加法 創(chuàng)建隨機(jī) 路面頻域模型。 不平的路面是由一系列三角形單元組合成的一個(gè)三維表面。原理圖如圖 字 1、 2、 3 等表示節(jié)點(diǎn)（ 編號(hào) ，這些節(jié)點(diǎn)的 x、 y 坐標(biāo) 都 滿足一定的規(guī)律， z 坐標(biāo) 用來 表示路面的寬度；由這些節(jié)點(diǎn) 有規(guī)律的 組成路面單元（ 再在路面 文件 里設(shè)置靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)， 這樣一來 就能模擬真實(shí)的路面。 圖 面生成原理 of 12 由于需要搭建不同的實(shí)驗(yàn)路面，所以要建立許多自定義節(jié)點(diǎn)。在 D 路面譜，將里面的參數(shù)按照模板修改以后，可以生成所需要的路面，但是顯示不出來，仿真的時(shí)候很不直觀、測量結(jié)果有些也不真實(shí)。所以，創(chuàng)建所需要的 3D 路面譜非 常必要。 創(chuàng)建路面的步驟： ① 在三維軟件 建立路面 3D 模型，注意坐標(biāo)系的選取。