基于ADAMS的某4×4车辆振动响应仿真
谢广苏
（200093 上海 上海理工大学机械工程学院)
[摘要 ]4X4装甲车辆作为一种特种车辆，在设计时不但要考虑普通车辆考虑的振动问题，还需要考虑在遭受打击和车载武器开火情况下的振动问题。为此采用SolidWorks软件建立了简化的某4×4装甲车辆车体三维模型，导入ADAMS仿真软件中，添加车辆悬挂装置的弹簧原件和阻尼原件，并分别确定刚度和阻尼。进行仿真实验，模拟了车辆正面遭受炮击情况以及对侧面开火情况下的车身振动响应。随后进行了发动机启动、崎岖路面行驶的振动仿真实验。仿真结果表明装甲车辆在遭受炮击和开火状态下，乘员所处位置的振动加速度极大，需要设计专用的减震装置。
[关键词 ]ADAMS；车辆；振动；仿真
0 引言
车辆的振动是典型的振动问题。而对于装甲车辆，除了与普通车辆一样要考虑路面不平度和发动机振动等载荷对车辆振动的影响，还要考虑车载武器开火、受到攻击等冲击载荷下的振动响应[1-3]。对于复杂的多自由度4×4车辆振动问题研究，采用软件仿真方法具有低成本、高效率的优点，可以在实际实验之前进行多次仿真实验，掌握实际振动系统的基本特征。杨英[4]等利用ADAMS软件建立了四分之一汽车主动悬架的机械模型，在机械模型的基础上生成车辆主动悬架系统的动力学方程,该方法解决了主动悬架数学模型建立的难题。杨振[5]参照合肥工业大学方程式赛车，通过仿真软件ADAMS建立赛车模型，在ADAMS/Car模块中对模型进行稳态回转仿真实验,并对其结果进行评价，找出了赛车设计的优劣,大大提高了赛车设计的水平。熊驰[6]以四轴商用车为原型，利用ADAMS多体动力学软件构建了双前桥转向车辆的虚拟样机模型，运用建立的虚拟样机模型进行标准蛇行仿真试验，对该双前桥转向车辆的响应进行了评分，分析了车辆的响应程度。Hui Pang[7]等基于ADAMS软件对8×4重型车辆的振动特性进行仿真，对车辆的刚度匹配和行驶舒适性进行了优化。Yi Zhang[8]等在ADAMS中建立了简化的7自由度主动悬挂模型，利用MATLAB建立了基于经典PID的悬挂控制器模型，将车辆仿真模型导入控制器模型中进行仿真，根据仿真结果改进控制方法，提高了车辆的行驶舒适性。
上述文献在车辆振动问题上进行了深入研究，取得了具有重要意义的成果。但上述文献均研究了普通民用车辆的振动问题，没有涉及车载武器开火、受到攻击等冲击载荷下的振动响应。本文基于ADAMS仿真软件，对某4×4轮式装甲车在受到不同载荷作用下的振动响应，如位移、速度、加速度等进行了仿真分析。
1 车辆振动的基本理论模型
车辆是一个复杂的振动系统，悬架的运动、车身的变形、车辆部件的运动、发动机的振动等都会对车辆的振动响应产生影响。但是在本文考虑的情况下，由于车身的刚度相对于悬架的刚度很大，因此可以将车身简化为一个刚体，将悬架简化为弹簧-阻尼元件。通常为了进一步简化模型以便理论分析，可以将沿车辆中轴线对称的模型简化为二维问题。在简化过的模型中只有2个轮胎，即2个悬架。如图1所示[9]。
图1 二维二自由度的车辆振动理论模型
Fig.1 2D two-degree-of-freedom vehicle vibration theory model
上述振动模型描述现实车辆振动的能力有限，如对于车辆侧面的横向振动无法描述，而这些振动在装甲车辆开火或者遭到侧面攻击时是非常明显的。因此本文采用三维建模方法建立比较完整的车辆振动ADAMS仿真模型。通过对其加载不同方向的冲击载荷，来分析车辆的振动响应。
宋萌枝的硕士论文《中国现代戏剧史上的蔷薇花——袁昌英戏剧研究》［2］，也论及弗洛伊德精神分析学说、女性主义和唯美主义对袁昌英戏剧创作的影响，此外，还涉及到袁昌英对于莎士比亚浪漫戏剧和现代主义艺术手法的借鉴。
2 三维ADAMS车辆模型建模
使用SolidWorks软件绘制车体的三维模型，并转换成Solidpart格式导入ADAMS中。导入后需要定义车体的质量，选择根据几何形状和密度定义。设置车体密度为800 kg/m3，车轮较简单，可直接使用ADAMS自带的圆柱体工具建模，定义密度为100 kg/m3。悬架系统简化为一根杆，用ADAMS自带的工具绘制，采用默认质量设置。在车轮底部绘制一个很大的长方体作为地面。效果如图2所示。
图2 ADAMS中的车体与车轮三维模型图
Fig.2 3D model of body and wheels in ADAMS
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定义约束：首先将作为地面的长方体与ground固定，然后分别对4个车轮与长方体施加接触约束，施加接触约束时，将动/静摩擦系数都调为1。定义悬架与车体、车轮的约束，分别用一个转动副。添加弹簧-阻尼元件，该元件下端连接车辆轴心，上端连接车体上的指定点。为了调整方便，采用设计变量来表示。定义设计变量springstiffness=3×105（单位：N/m），定义设计变量spring-damping=100（单位：N·s/m）。新建弹簧时，直接选择k=spring-stiffness，c=spring-damping即可。添加车轮转动的阻尼，这是为了模拟车轮刹车后刹车片的摩擦力，采用了参数化设计思想，采用设计变量来表示，定义设计变量rotatingdamping=20（单位：N·m·s/°）。新建转动弹簧-阻尼元件时选择k=0，c=rotating-damping即可。最终完成整个车辆的建模，如图3所示。
图3 ADAMS中全体车轮与悬架、弹簧、车体间约束关系
Fig.3 Constraints between wheels and suspensions,springs, and carbody in ADAMS
3 三维ADAMS车辆模型振动仿真
3.1 外部碰撞仿真
模拟装甲车辆被炮弹击中后的振动响应。但由于整个车体仅将所有物体考虑为刚体。因此，本文的仿真是对应于未击穿而且车体没有发生很大变形的情况。首先可以绘制一个球体当作炮弹，可以在modify里修改其质量为50 kg，定义其初速度（velocity initial condition）为：x轴180 m/s，z轴50 m/s。定义球体与车体之间的接触约束，定义各参数如图4所示。
图4 设置球体与车体的接触约束
Fig.4 Set contact constraints between sphere and body
受益于3.1中采用了参数化设计，悬架系统弹簧的阻尼系数都等于设计变量spring-damping，因此只需修改一个参数spring-damping即可改变4个弹簧的阻尼系数。首先将spring-damping由原来的100提高到2 000，再次按上述条件仿真，得到driver-point点的振动。各方向的振动幅度都有减小，其中y向最大振幅约为（1.44-1.3）/2=0.045 m，z轴振幅为（0.49-0.155）/2=0.167 5 m。z向振幅衰减速度稍微增加，但振动持续时间还是很长。再次增加spring-damping的值到4 000，得到driverpoint点的振动结果如图7所示。
图5 碰撞瞬间截图
Fig.5 Instant collision screenshot
图6中x方向位移为单调递增，这是因为车体受到冲击后产生后退的刚体位移运动。而y方向和z方向发生了典型的振动。从图6可见，y方向的振幅为（1.525-1.275）/2=0.125 m，频率约为1.9 Hz，z方向的振幅为（0.355-0.255）/2=0.05 m，频率约为1.0 Hz。由此可以看出，车辆上下振动的幅度比较大，这是因为作为炮弹的球体打在了车体正面的倾斜装甲上，碰撞时产生了一个较大的向下分力。观察加速度曲线可知最大加速度高达950 m/s2，这相当于约95倍的重力加速度。但是此处的测量点driver_point是直接固连到车体上的。实际中驾驶员座椅有减震装置来削弱所受的冲击力，而且此仿真将车体看成刚体，实际车体会发生弹性变形吸收大量冲击能量，也会削弱所受的冲击力。但从此次仿真可以看出，当车体受到外部冲击时对乘员的减震保护不容忽视。同时，安装在此位置的设备也要考虑减震保护。
图6 碰撞振动响应曲线图
Fig.6 Collision vibration response curve
仿真结束后，测量重要数据。以驾驶员坐席的振动响应为例。设定驾驶员坐席的位置，定义marker点，命名为driver_point，选择添加到车体，位置定义为（0.2，1.4，0.3）。点击measure，分别测量该点沿x，y，z轴的位移，以及加速度的矢量和，结果如图6所示。
车载武器开火的后坐力会对车体产生一个冲击，可以利用ADAMS仿真这种冲击作用下车辆的振动响应，利用上述车辆模型施加代表后坐力的冲击力即可进行相应仿真。
3.2 冲击力载荷仿真
由于许多人失去了他们的经济价值，他们也可能会失去政治权力。同样的技术，可能使数十亿人在经济上边缘化，也可能使他们更容易受到监测和控制。
冲击力实现是依靠step函数，具体为2e5*(step(time,1,0,1.05,1)+step(time,1.06,0,1.07,-1))。该冲击力在 0～1 s内值为 0，1.00～1.05 s值上升到2e5，1.06～1.07 s下降到 0，1.07 s以后值为 0 。冲击力单位为牛顿。下面需要设置冲击力的作用点和方向。选取炮塔轴心所在位置，建立参考点命名为impact_point，坐标为2.0, 1.8, 0.0。然后使用ADAMS的force功能添加一个力，方向指向z轴正向，即车辆左侧，然后在modify中修改力的值为上述step函数。如此即可仿真车载武器向右侧开火的后坐力激励下的车辆振动响应。
设置仿真参数，仿真时长为8 s，步长为0.001 s，仿真后观看动画，发现车身在冲击力下发生了明显的横摇振动，选取3.1中设置的driver-point来测量振动参数，测量该点的x，y，z方向的位移以及加速度矢量和曲线。x方向仅有较小的振动，刚体位移是由车轮滚动引起的。y方向有较明显的振动，最大振幅约为（1.475-1.325）/2=0.075 m，z轴振幅为（0.5-0.15）/2=0.175 m，加速度矢量和的最大值约为35 m/s2 。y向振动持续大约8 s，而z向振动持续超过了8 s，这对于车载武器再次开火的精度很不利。为了较小振动持续时间，可以提高悬架的阻尼。下面通过增加悬架阻尼来验证这个观点。
为了保证碰撞瞬间的仿真精度，将仿真时间设定为2 s，步长设置为0.001 s。碰撞瞬间截图如图5所示，其中红色箭头表示碰撞时的冲击力。
图7 driver-point点的振动响应3
Fig.7 Vibration response of driver-point
首先选取发动机安装位置，定义点engine_point，坐标为-0.2，1.35，-0.4。再创建一个小质量块表示发动机转子的不平衡质量，命名为mass，设定其质量为2.4 kg。用转动副将mass和车体连接起来，转轴垂直于xoy平面。施加一个转动驱动，定义其函数为1 000*time*(step(time,1,0,3,1))，其图像如图8所示，纵轴表示转动角度而不是速度。其中step函数目的在于使转速初期平滑增加，避免直接匀速转动引起无限大的角加速度将车体打飞。
3.3 其它载荷仿真
利用2.1中建好的车辆模型还可以做很多其他载荷下的仿真。例如考虑发动机振动激励下的驾驶员坐席处振动响应，可以按照如下步骤分析。
从图7可见，各方向的振动幅度都有明显减小，其中y向最大振幅（1.42-1.37）/2=0.025 m，z轴振幅（0.47-0.193）/2=0.138 5 m 。y向、z向的振动持续时间都减少到了5 s左右，效果明显。
分析过程中硝酸、高氯酸、氢氟酸为优级纯，其余试剂为分析纯，试验用水为去离子水。原子吸收光谱仪(PinAAcle 900，美国Perkin-Elmer)测定。
图8 转动驱动函数图像
Fig.8 Image of rotating driving function
测量driver_point的加速度矢量和结果如图9所示。上述仿真其实是经历了一个发动汽车发动机的过程。从图9可见，在第1 s发动汽车后，随着转速增加，经历了一个不规则的振动阶段，到第3 s发动机转速稳定后，振动幅度减小，振动稳定，这是由于发动机启动提速过程中转动频率逐渐上升，跨过车辆1阶模态固有频率造成的。
书稿排印时的技术错误也可能会导致“正字误录”现象，《中华道藏》中反复出现一些常用字反而被录成了形体相近的罕见字，这种情况不大可能归咎于点校者，更可能是排印过程出现的错误。
图9 driver_point点的加速度矢量和曲线
Fig.9 Acceleration vector curve of driver_point
还可以给每个车轮一个驱动力，然后绘制一个较长的路面，进行车辆移动仿真。仿真结果如图10所示。图中曲线为driver_point的三向加速度矢量和。
图10 车辆行驶仿真
Fig.10 Vehicle driving simulation
4 结束语
本文利用ADAMS软件对4×4车辆建立了三维实体模型。对该模型在外部碰撞载荷、车载武器后坐力载荷、发动机振动力载荷以及行驶在不平路面载荷的作用下，驾驶员坐席处的位移、速度、加速度等振动信息进行了仿真分析。结果表明：外部炮弹撞击会造成驾驶员坐席处巨大的加速度，为了保护乘员必须设计减震装置；合理增加悬架弹簧阻尼系数可以减少车载武器后坐力造成振动的持续时间，提高连续射击时的命中精度；该仿真模型在模拟发动机振动载荷、路面不平载荷时也能得到比较真实的仿真结果，具有一定实用价值。
分析井距对油井生产的影响。对桩59-X30井模拟井距为200、175、124、100m时的生产情况，日产油量分别为0.718、0.934、1.59、2.0t，累积产油量分别为11 500、15 700、22 100、24 500t。分析上述结果：油水井之间井距越小日产油量及累积产油量越高。模拟井距为100m时该井的生产时间约为6 150d，小于模拟期限20a，说明小井距油井含水上升快，会导致油井生产时间缩短。
参考文献
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Simulation of Vibration Response of a 4×4 Vehicle Based on ADAMS
Xie Guangsu
(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）
[Abstract ] As a special vehicle, the design for 4×4 armored vehicle must not only consider the vibration problems not for ordinary vehicles, but also need to consider the vibration problems under the conditions of being hit and the weapon on the vehicle fires. For this purpose, SolidWorks software was used to create a simplified 3D model of a 4×4 armored vehicle body. The ADAMS simulation software was imported to add the original and damping elements of the vehicle suspension, and the stiffness and damping were determined. Simulation experiments were conducted to simulate the vibration response to frontal impact of the vehicle and side fire.Then the engine was started and the vibration simulation experiment on rough roads was performed. Simulation results show that when surface-armored vehicles are under the conditions of shelling and firing, the occupant′s location is subject to great vibration acceleration, and special damping devices need to be designed.
[Key words ] ADAMS; vehicle; vibration; simulation
[中图分类号 ] E923.192; TJ811+.92
[文献标识码] A
[文章编号] 1673-3142(2019)05-0045-04
doi: 10.3969/j.issn.1673-3142.2019.05.012
收稿日期: 2018-04-08
修回日期: 2018-04-20
作者简介 谢广苏（1988— ），女，硕士研究生，研究方向：精密加工、图像处理。E-mail: quessera@sina.com
标签：adams论文; 车辆论文; 振动论文; 仿真论文; 上海上海理工大学机械工程学院论文;