孫艷 王長明

（遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院）

虛擬樣機技術(shù)是當前制造領(lǐng)域的一門新技術(shù)，涉及多體系統(tǒng)動力學、計算方法與軟件工程。在生產(chǎn)過程中，虛擬樣機的準確建造，可極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品開發(fā)成本。文章以實車數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應用ADAMS軟件建立某微型電動汽車的虛擬樣機，并初步完成其正確性驗證。在ADAMS/Car中完成虛擬樣機的正確搭建，可為后續(xù)實車性能研究和開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 虛擬樣機技術(shù)

虛擬樣機技術(shù)[1]是近些年在產(chǎn)品開發(fā)的CAX，DFX及DFM等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它進一步融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進仿真技術(shù)及先進制造技術(shù)，是面向系統(tǒng)級設(shè)計的、應用基于仿真設(shè)計過程的技術(shù)，包含數(shù)字化物理樣機（DigitalMock-Up）、功能虛擬樣機（Functional Virtual Prototyping）及虛擬工廠仿真（Virtual Factory Simulation）的內(nèi)容。虛擬樣機在產(chǎn)品開發(fā)過程中代替物理樣機的重復制造，可極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，改進產(chǎn)品質(zhì)量，提高對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計和評估。

1.1 虛擬樣機在產(chǎn)品開發(fā)中的應用

對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)，在概念設(shè)計（產(chǎn)品規(guī)劃）之后，是一個產(chǎn)品設(shè)計—樣機生產(chǎn)—對樣機測試評估—對測試評估結(jié)果反饋—設(shè)計的循環(huán)反復的過程，物理樣機的修改，以及研發(fā)階段的測試、評估及反饋均會增長產(chǎn)品開發(fā)周期，增加研發(fā)成本。

將虛擬樣機應用于傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，可以將傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中的設(shè)計—樣機生產(chǎn)—對樣機反復測試評估—對測試評估結(jié)果反饋—設(shè)計的需要耗費大量人力、物力的勞動過程以數(shù)字化方式進行，不僅可有效減少生產(chǎn)物理樣機的成本、縮短開發(fā)周期以及對人力資源的占用，且虛擬樣機的應用將使產(chǎn)品的開發(fā)全生命周期的統(tǒng)一成為可能。圖1示出汽車產(chǎn)品開發(fā)流程圖。中起到核 方法的利潤比較，如圖2所示。

由圖2可以看出，虛擬樣機在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應用，不僅生產(chǎn)周期明顯減少，而且利潤大幅增加。

1.2 多體系統(tǒng)動力學MSC.ADAMS簡介

MSC.ADAMS[2]是CAE領(lǐng)域中使用范圍最廣且應用行業(yè)最多的機械動力學仿真工具，是一款集建模、求解及可視化于一體的虛擬樣機軟件。ADAMS/Car模塊分為Standard（標準）和Template Builder（模板建模器）2種模式，并對應不同的菜單界面功能。ADAMS/Car中有：屬性文件、模板、子系統(tǒng)及裝配組件4類文件。

ADAMS/Car允許汽車工程師建造汽車各個子系統(tǒng)的虛擬樣機原型，并如同試驗真實樣機一樣對其進行計算機仿真分析，輸出表示操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的性能參數(shù)。

2 電動汽車虛擬樣機的建立

文章以某微型電動汽車為例，額定載客2人，其主要參數(shù)指標，如表1所示。

表1 某微型電動汽車整車性能參數(shù)

2.1 前懸架動力學模型的建立

該微型電動汽車的前懸架為帶橫向推力桿跟穩(wěn)定桿的L型麥弗遜懸架。根據(jù)CATIA三維模型，建立前懸架模板文件所需要的硬點坐標、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，建立帶橫向推力桿跟穩(wěn)定桿的L型麥弗遜懸架，如圖3所示。

2.2 后懸架動力學模型的建立

后懸架系統(tǒng)仍為麥弗遜式獨立懸架系統(tǒng)，但不帶橫向推力桿及穩(wěn)定桿，通過左右橫拉桿與車架直接相連，如圖4所示。

2.3 電動機模型的建立

該微型電動汽車電動機的額定電壓為72 V，額定轉(zhuǎn)速為5 200 r/min，額定連續(xù)輸出功率為4.5 kW。電動機模型是以ADAMS/Car共享數(shù)據(jù)庫中的發(fā)動機模型為基礎(chǔ)，配以該微型電動汽車電動機的屬性文件，導入發(fā)電機的殼體建立得到，如圖5所示。

2.4 輪胎模型的建立

該微型電動汽車的輪胎數(shù)目為2，輪胎規(guī)格為145/70R12，文章選用ADAMS/Car共享數(shù)據(jù)庫中的PAC2002，該型號的輪胎模型[3]，如圖6所示。

2.5 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)的建立

該微型電動汽車為齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。依據(jù)轉(zhuǎn)向系CATIA三維模型的硬點坐標、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，對共享數(shù)據(jù)庫中的齒輪齒條轉(zhuǎn)向系模型進行修改，得到如圖7所示的齒輪齒條轉(zhuǎn)向系。

2.6 車身子系統(tǒng)的建立

文章根據(jù)微型電動汽車實車性能參數(shù)，修改共享數(shù)據(jù)庫中的車身模型的質(zhì)心高度、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，并為該微型電動汽車簡單匹配汽車的外型結(jié)構(gòu)和電池組，獲得的該電動汽車的車身模型，如圖8所示。

2.7 整車模型的建立

將上述建立的該微型電動汽車的各個子系統(tǒng)跟ADAMS/Car Ride四柱試驗臺進行裝配，即可建立得到適用于平順性仿真實驗的微型電動汽車的仿真模型，如圖9所示。將上述建立的該微型電動汽車的各個子系統(tǒng)跟ADAMS/Car的整車測試試驗臺進行裝配，即可建立得到適用于操縱穩(wěn)定性仿真實驗的微型電動汽車的仿真模型，如圖10所示。

3 模型驗證

在ADAMS/Car標準界面中檢測所建立虛擬樣機的過約束情況及通訊器的匹配情況。經(jīng)檢測，該微型電動車整車模型沒有過約束現(xiàn)象，各通訊器匹配完全。初步驗證了文章所建立模型的可行性。在該標準界面中調(diào)用Ride模塊，完成四輪同時激振（垂向振幅為10mm的正弦波，掃描頻率從0～20Hz，仿真時間為10 s）的平順性激振試驗。試驗順利進行，沒有出現(xiàn)報錯現(xiàn)象。

退出ADAMS/Car Ride四柱試驗臺模塊，在ADAMS/Car標準界面中進行操縱穩(wěn)定性模型的仿真試驗，仿真時間為15 s，仿真步數(shù)1 500，初始速度為40 km/h。第1次向右轉(zhuǎn)向，方向盤轉(zhuǎn)角為200°，轉(zhuǎn)向過程歷時0.2 s；第2次向左轉(zhuǎn)向，方向盤轉(zhuǎn)角為400°，轉(zhuǎn)向過程歷時0.4 s。2次轉(zhuǎn)角都維持6 s，試驗順利進行，也沒有報錯現(xiàn)象發(fā)生。

平順性仿真試驗與操縱穩(wěn)定性試驗仿真過程中均沒有報錯現(xiàn)象發(fā)生，初步證明了虛擬樣機建立的正確性。

4 結(jié)論

1）根據(jù)電動汽車實車參數(shù)，在ADAMS/Car中完成虛擬樣車模型的建立，通過仿真試驗初步驗證了模型的正確性，后續(xù)還可以通過實車樣車試驗與仿真試驗對比，更為準確的驗證模型的準確性。

2）虛擬樣機的正確建立，可以減少設(shè)計經(jīng)費，所建立的虛擬樣機還能和物理樣機進行對比測試，以便找出其樣機的不足，它可以在同樣的時間“試驗”更多的設(shè)計方案。與常規(guī)的仿真相比它涉及的領(lǐng)域更廣，考慮也比較周全，因而可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少產(chǎn)品開發(fā)后期設(shè)計更改，這樣可以使得整個產(chǎn)品設(shè)計周期最小化，減少了產(chǎn)品開發(fā)過程的時間，使產(chǎn)品能更快上市。