1 前言

　　隨著汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力的持續(xù)增加，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期尤為重要，懸架是汽車(chē)上最重要的總成之一，在懸架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的應(yīng)用降低了對(duì)物理樣機(jī)的依賴(lài)程度，是降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期有效手段。

　　懸架的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，首先是確定懸架基本參數(shù)目標(biāo)值，根據(jù)目標(biāo)值，選取懸架類(lèi)型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能仿真計(jì)算，初步確定懸架硬點(diǎn)、襯套剛度、彈簧剛度等參數(shù)值;其次是懸架零件的概念設(shè)計(jì)，校核懸架零件的動(dòng)態(tài)間隙;然后是細(xì)化懸架零件結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能仿真分析進(jìn)一步確定懸架零件的參數(shù)值(如彈簧剛度、襯套剛度等);再次是制定零部件及總成技術(shù)規(guī)范、二維圖紙、試驗(yàn)計(jì)劃，開(kāi)始制造樣件;最后是樣件及樣車(chē)的耐久試驗(yàn)，以及懸架調(diào)教，最終確定懸架參數(shù)。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，尤其是前期階段，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真分析是重要的設(shè)計(jì)手段之一。本文主要針對(duì)虛擬仿真分析，從高效建模，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能分析及優(yōu)化，懸架零件載荷計(jì)算和懸架零件動(dòng)態(tài)間隙校核這幾方面介紹了多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件MotionView在懸架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。

　　MotionView是澳汰爾公司開(kāi)發(fā)的新一代系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。它是一個(gè)通用的多體動(dòng)力學(xué)仿真前處理器和可視化工具，采用完全開(kāi)放的程序架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高度的流程自動(dòng)化和客戶(hù)化定制。MotionView具有簡(jiǎn)潔友好的界面，高效的建模語(yǔ)言(MDL)，同時(shí)也是第一款支持多求解器輸出的多體動(dòng)力學(xué)軟件，可以將模型直接輸出成ADAMS、DADS、ABAQUS和NASTRAN等多種求解格式文件，或直接由MotionSolve求解。

　　2 動(dòng)力學(xué)模型建立

　　做任何仿真分析，第一步是建立模型。使用MotionView的建模裝配向?qū)В芸焖俳⒄?chē)動(dòng)力學(xué)模型。MotionView的圖形界面提供了高效的模型建立和編輯功能，所有操作對(duì)象屬性都可以通過(guò)模型瀏覽器或數(shù)據(jù)總結(jié)工具來(lái)訪(fǎng)問(wèn)和編輯，還可以通過(guò)編輯MDL文件本身來(lái)修改模型。可重用子系統(tǒng)是MotionView的另一個(gè)功能，任何現(xiàn)有模型在定義附著關(guān)系后都可以存儲(chǔ)為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可以靈活調(diào)用和任意編輯，從而充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。且子系統(tǒng)中的不同選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)不同零部件系統(tǒng)的任意切換，大大提高建模速度并增強(qiáng)模型的可移植性。一般全新車(chē)型的建模選用MotionView建模裝配向?qū)У姆椒ǎ男蛙?chē)型的建模選用重用子系統(tǒng)的方法。

　　有些底盤(pán)零件必須考慮其柔性變形，例如扭力梁后橋，MotionView對(duì)柔體系統(tǒng)強(qiáng)大的前后處理功能，使柔體建模快速方便。用戶(hù)可以調(diào)用OptiStruct生成柔體模型，在窗口中定義柔體的各種屬性和界面點(diǎn)，將其添加到MDL模型中，最后將組合到一起的剛體和柔體模型進(jìn)行仿真分析和動(dòng)畫(huà)顯示。

　　當(dāng)然，在建立動(dòng)力學(xué)模型之前，一些工程數(shù)據(jù)需要被收集。具體包含：懸架硬點(diǎn)，襯套剛度，緩沖限位塊的剛度、位置，彈簧的剛度及自由長(zhǎng)度，穩(wěn)定桿的直徑，轉(zhuǎn)向機(jī)行程，輪跳行程，后橋的柔性體，輪胎型號(hào)及尺寸等信息。大部分?jǐn)?shù)據(jù)需要工程圖紙或基于樣車(chē)數(shù)據(jù)測(cè)量的支持。整車(chē)模型的建立被特征化成簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)模塊，如轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，前懸架，后懸架等.以前懸麥弗遜，后懸扭桿梁，前驅(qū)前轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)為例，建立的模型如圖1所示。

　　圖1 多體車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

　　3 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能分析及優(yōu)化

　　MotionView提供了相應(yīng)的分析工況，用戶(hù)也可以基于MDL語(yǔ)言編寫(xiě)自己的分析工況。在MotionView的環(huán)境下，可以直接調(diào)用HyperStudy模塊，實(shí)現(xiàn)多體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化和隨機(jī)研究功能。

　　下面是一個(gè)通過(guò)MotionView做動(dòng)力學(xué)性能分析，利用HyperStudy優(yōu)化麥弗遜前懸硬點(diǎn)的例子。因?yàn)橛绊扄湼ミd前懸動(dòng)力學(xué)性能的硬點(diǎn)參數(shù)較多，在做優(yōu)化前，先做DOE分析，得到各個(gè)變量對(duì)各個(gè)響應(yīng)的貢獻(xiàn)量。DOE的設(shè)計(jì)變量是麥弗遜前懸7個(gè)硬點(diǎn)(控制臂外球頭點(diǎn)，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)、外球頭點(diǎn)，控制臂與副車(chē)架的兩個(gè)連接點(diǎn)，減震器上支柱與車(chē)身的連接點(diǎn)，減震器筒的下端中心點(diǎn))的坐標(biāo)值，共21個(gè)，每個(gè)變量取兩個(gè)水平，設(shè)計(jì)矩陣選取的HyperStudy自帶的L32正交設(shè)計(jì)矩陣;共建立了16個(gè)響應(yīng)(包括懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和柔性變形特性參數(shù)，以及懸架本身幾何特性參數(shù)，如隨車(chē)輪上跳或車(chē)身側(cè)傾的車(chē)輪轉(zhuǎn)角變化量，在側(cè)向力或縱向力作用下的車(chē)輪轉(zhuǎn)角變化量，主銷(xiāo)內(nèi)傾角、后傾角等);最后綜合考慮各個(gè)響應(yīng)，得到貢獻(xiàn)量較大的12個(gè)設(shè)計(jì)變量。然后選用了自適應(yīng)優(yōu)化算法重點(diǎn)針對(duì)這12個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和柔性變形特性參數(shù)的目標(biāo)要求，根據(jù)最終的優(yōu)化方案初步確定了前懸硬點(diǎn)。

　　圖2是以側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)為例，21個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)其的貢獻(xiàn)量柱狀圖。

　　圖2 各變量對(duì)側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)的貢獻(xiàn)量

　　4 懸架零件載荷計(jì)算與輸出

　　在懸架設(shè)計(jì)中，懸架零件的應(yīng)力疲勞計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是零件設(shè)計(jì)的重要步驟，其過(guò)程是先通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)工況下零件載荷，將載荷輸入零件有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，然后再將零件的應(yīng)力和應(yīng)變信息輸入疲勞分析軟件做疲勞分析。可見(jiàn)，零件載荷的準(zhǔn)確輸入是結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞計(jì)算的先決條件。底盤(pán)零件的載荷計(jì)算一般有三種方法，準(zhǔn)靜態(tài)載荷分析法、半分析載荷法和全分析載荷法，基于MDL語(yǔ)言編寫(xiě)了相應(yīng)的分析工況模版。在實(shí)際情況中會(huì)根據(jù)開(kāi)發(fā)的不同階段選取不同的方法來(lái)計(jì)算載荷。

　　MotionView中的載荷輸出工具和疲勞分析工具使得計(jì)算的載荷和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果可以方便的輸出，并且支持相關(guān)有限元軟件和疲勞軟件的輸出格式。以某扭力梁后橋?yàn)槔d荷計(jì)算完成后，可以使用Load Export工具直接將扭力梁后橋界面點(diǎn)的載荷結(jié)果轉(zhuǎn)化成Nastran格式的載荷約束文件，直接調(diào)用到Nastran有限元模型中進(jìn)行應(yīng)力疲勞分析，不需要做任何處理。另外，扭力梁是用柔體建模，做完載荷分析后，MotionView對(duì)柔體的后處理功能可以直接查看后橋柔體在各個(gè)工況下的應(yīng)力情況(如圖3示)，還可以使用MotionView的Fatigue Prep工具直接將柔體應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果輸入給疲勞分析軟件nCode做疲勞分析。

　　圖3 某扭力梁后橋應(yīng)力圖

　　5 懸架零件動(dòng)態(tài)間隙校核

　　懸架零件動(dòng)態(tài)間隙校核重要性顯而易見(jiàn)，它不但影響懸架零件本身的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)，也會(huì)影響到周邊零件(如車(chē)身縱梁)的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)。

　　對(duì)懸架零件的動(dòng)態(tài)間隙校核，可以分為四類(lèi)，

　　1) 第一類(lèi)是變形很小的剛性懸架零件與車(chē)身零件或相對(duì)車(chē)身不動(dòng)的零件的間隙校核(如懸架下控制臂和車(chē)身縱梁的間隙校核)。一般是通過(guò)MotionView將懸架零件上三個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的坐標(biāo)輸出，然后在UG生成零件包絡(luò)(如圖4)，再放到整車(chē)UG模型中進(jìn)行間隙校核，這樣不但方便干涉檢查，也便于相關(guān)車(chē)身零件根據(jù)懸架零件包絡(luò)做更改設(shè)計(jì)。

　　圖4 前懸下控制臂的UG包絡(luò)

　　2) 第二類(lèi)是剛性懸架零件與相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)的零件的間隙校核(如下控制臂與輪胎的間隙校核)。這一類(lèi)間隙校核不便于像第一類(lèi)那樣在UG中生成包絡(luò)面，因?yàn)閮蓚€(gè)零件都是相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)的，但是通過(guò)MotionView中的Collisions工具，可以方便的做間隙檢查。如圖5所示，將輪胎和下控制臂的幾何添加到MotionView的動(dòng)畫(huà)顯示中，用Collisions工具設(shè)定最小間隙的允許值，運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，在不滿(mǎn)足給定判定標(biāo)準(zhǔn)的工況，動(dòng)畫(huà)會(huì)暫停并可以高亮顯示間隙不滿(mǎn)足要求的區(qū)域。

　　圖5 在MotionView中輪胎和下控制臂的間隙檢查

　　3) 第三類(lèi)是有大變形的懸架零件與車(chē)身零件或相對(duì)車(chē)身不動(dòng)的零件的間隙校核(如穩(wěn)定桿和車(chē)身縱梁的間隙校核)。以穩(wěn)定桿為例，先將穩(wěn)定桿作為柔體建到動(dòng)力學(xué)模型中，完成相關(guān)工況計(jì)算后，用MotionView Utilities工具中export deformed shape選項(xiàng)，將穩(wěn)定桿柔體在某一時(shí)刻下變形后的形狀以Nastran格式的文件輸出，在經(jīng)過(guò)處理，就可以在UG里生成穩(wěn)定桿在此時(shí)刻變形后的幾何面。圖6所示就是用這種方法生成的穩(wěn)定桿UG包絡(luò)，再放到整車(chē)UG模型中進(jìn)行間隙校核。

　　圖6 穩(wěn)定桿的UG包絡(luò)

　　4) 第四類(lèi)是大變形的懸架零件與相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)的零件的間隙校核(下控制臂與穩(wěn)定桿的間隙校核)。這類(lèi)間隙校核和第二類(lèi)的相似，但大變形的懸架零件在動(dòng)力學(xué)模型中要建成柔體做計(jì)算，計(jì)算完成后，在MotionView中播放動(dòng)畫(huà)檢查間隙。

　　6 結(jié)論

　　通過(guò)本文的介紹，多體動(dòng)力學(xué)仿真在懸架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中尤其是在前期開(kāi)發(fā)階段發(fā)揮著重要作用。動(dòng)力學(xué)軟件MotionView高效靈活的前、后處理，對(duì)柔體處理的強(qiáng)大功能以及與第三方軟件的無(wú)縫接口，有效快速地支持了懸架零件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。