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摘 要：对载货汽车虚拟仿真模型建模方法进行了分析，基于ADAMS 建立了某型号载货汽车刚柔耦合的平顺性仿真虚拟样机模型；基于MATLAB Simulink 工具箱建立了载货汽车平顺性仿真的路面激励和阻尼力模型；基于ADAMS Control 模块与MATLAB Simulink 接口建立了ADAMS/MATLAB 联合仿真模型，开发了仿真优化程序。以某型号载货汽车为例，对提出的方法进行了应用验证。结果表明，提出的方法比以往刚体动力学模型具有更高的仿真精度，仿真效率和操作便利性符合企业需求。
关键词：载货汽车；平顺性仿真；刚柔耦合
中图分类号：U461.4； TH113 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0010-04
Abstract： The method to build the virtual simulation model of vehicle is analyzed. Based on ADAMS， the rigid- flexible coupled virtual prototype model for ride comfort simulation of a type heavy truck is established. Based on MATLAB Simulink toolbox， the road excitation and damping force model of ride comfort simulation of vehicle is established. Based on ADAMS Control module and MATLAB Simulink interface， the co-simulation model was built. The simulation and optimization program was developed. As an example， the above methods and program are applied to a certain type of truck， the method and the program are validated. The results show that， the precision of the proposed method is higher than that of the simulation of rigid body dynamics model， the simulation efficiency and operation convenience of the proposed method can meet the requirements of enterprises.
1 引言
平顺性是指保持汽车在行驶过程中由于路面不平度和发动机、传动系统以及车轮等旋转部件引起的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响；在一定的界限之内，对于载货汽车还包括保持运载货物完好的性能。车辆的平顺性已成为现代运载车辆的重要评价指标。近年来，载货汽车向高品质方向发展已成为一种趋势，客户对车辆舒适性的高要求使得车辆的平顺性成为各大厂商关注的主要性能指标之一。目前国产汽车技术性能与先进国家相比还存在着一定差距，尤其是载货汽车的平顺性与舒适性与国际先进水平相比差距更大，导致驾驶员在行车过程中易产生作业疲劳，这不仅影响驾驶员的身体健康，还易引起疲劳驾驶，造成事故隐患。因此，提高驾驶室平顺性，从而提升载货汽车舒适性和整车性能，对增强其市场竞争力具有重要意义[1-3]。
近年来，随着虚拟样机技术的兴起，人们基于ADAMS软件，通过建立实体模型、定义各种约束并选择适宜的求解器，对载货汽车进行平顺性仿真，取得了一些积极成果[4-6]。一些学者对ADAMS/MATLAB联合仿真方法进行了初步探讨[7-9]。从目前的文献看，提出的ADAMS/MATLAB联合仿真方法尚未充分发挥ADAMS在刚柔耦合建模、MATLAB及其Simulink工具箱在控制、数值计算方面的强大功能。本文对ADAMS/MATLAB联合仿真方法进行了较深入研究，建立基于联合仿真技术的、具有多个外部可调参数的载货汽车平顺性联合仿真参数化模型，在此基础上开发了可以方便地对刚度、阻尼、激励等参数进行平顺性联合仿真与优化的仿真优化程序，为载货汽车平顺性仿真与优化提供了操作便利的参数化仿真优化方法与平台。
2 刚柔耦合载货汽车虚拟样机模型建立
载货汽车是一个相对比较复杂的机械系统，本文主要对底盘悬架以及驾驶室悬置刚度、阻尼以及路面和轮胎激励等参数对车辆平顺性的影响进行研究。从简化模型、提高仿真效率的角度出发，将一些对车辆平顺性影响较小的零部件进行简化处理，将它们的质量、惯量等结构参数等效到与其相关联的部件上。本文所建立的ADAMS虚拟样机仿真模型主要由驾驶室、驾驶室悬置、车架、底盘悬架系统、前后桥（含轮胎）和路面激励等所组成。利用ADAMS/View模块，建立的某长头车二类底盘简化的虚拟样机仿真模型如图1所示。
需要说明的是，建立的模型驾驶室采用半浮悬置，前悬为橡胶衬套，刚度比后悬明显大，为更准确地仿真驾驶室半浮悬置以及车架柔性对平顺性的影响，对车架及驾驶室前悬置进行柔性化处理。建立了刚柔耦合的载货汽车虚拟样机模型。
3 联合仿真模型建立
3.1 模型参数分析
对建立的ADAMS虚拟样机模型进行参数分析， 其参数主要分为两类，状态变量参数和非状态变量参数。状态变量参数可以通过ADAMS与MATLAB 通讯接口进行输入和输出，也是实现ADAMS和MATLAB 联合仿真的关键。
本文主要研究路面激励、轮胎激励以及阻尼对载货汽车平顺性的影响，经过分析，共设置了27个状态变量，其中14个输入状态变量，13个输出状态变量。输入状态变量主要有：轮胎处的位移激励（包含路面激励和轮胎偏心激励）参数4个，前桥悬架、后桥悬架以及驾驶室悬置处的阻尼力参数10个。输出状态变量主要有：各个悬置的相对运动速度参数10个，驾驶室质心位置3个方向的加速度参数3个。 3.2 联合仿真模型建立
利用ADAMS Control 模块提供的ADAMS与MATLAB之间的接口，建立了ADAMS与MATLAB两个软件之间的相互通讯，通过ADAMS Control 将载货汽车整车动力学模型输入到MATLAB。在此基础上，根据仿真需要，对模型进行修改，主要是添加输入输出变量。完整的载货汽车联合仿真模型如图2所示：
图2中黄色部分是由ADAMS生成的动力学模型adams_sub模块，大大简化了Simulink中的建模工作，在Simulink中，主要是对一些输入、输出变量进行建模。
3.3 模型参数输入界面开发
联合仿真模型，包括两类不同的参数，状态变量参数和非状态变量参数，作为ADAMS模型中的输入状态变量参数，可以通过ADAMS和MATLAB接口，通过MATLAB进行输入和控制。非状态变量参数，目前尚不能通过MATLAB进行输入和控制，需要在ADAMS 中对其进行参数化并通过ADAMS进行输入与修改。针对两种不同的参数，开发了不同的输入输出界面。
对质量、惯量、质心位置等非状态变量，利用ADAMS 软件自带的菜单编辑器创建参数输入菜单。利用 ADAMS提供的二次开发函数，开发参数输入界面。创建的参数输入菜单及参数输入界面如图3所示：
对力、位移、速度、加速度等状态变量参数，利用MATLAB开发了程序，实现路面激励、阻尼力等状态变量参数，以及仿真时间等仿真参数的输入和修改，同时实现整车平顺性的仿真和优化。开发的状态变量输入参数以及仿真优化程序运行界面如图4所示：
4 应用举例
某驾驶室半浮车型，利用MATLAB建立的刚体动力学仿真模型，仿真结果与实测结果存在一定差距，难以指导企业实际生产，需要更为准确的仿真模型。利用本文建立的参数化联合仿真模型以及仿真优化程序，以上述驾驶室半浮车型为例，对该车型进行仿真分析与优化，得到了阻尼参数优化结果。根据阻尼参数优化结果，试制新的前桥减振器，并装车进行路面电测试验，得到的整改前、后平顺性实测结果对比情况如图5所示。
图5 平顺性测试结果对比曲线
由图5可以看出，整改后的车型，平顺性特别是低速段的平顺性得到明显改善，低速段平顺性值从1.6降低到1.0，此外，车辆的平顺性稳定性也得到改善，车辆的舒适性得到明显提高。
5 结束语
论文对ADAMS 和MATLAB 联合仿真方法进行了研究，提出了基于ADAMS 和MATLAB联合的载货汽车动力学建模及仿真优化方法，开发了仿真优化程序。提出的方法充分发挥了ADAMS 和MATLAB各自的优势，实现了载货汽车刚柔耦合平顺性仿真，与传统的单纯基于ADAMS 或单纯基于MATLAB 的仿真方法相比，提出的联合仿真方法具有建模难度低、仿真精度高、操作便利、仿真效率高等特点。最后，将提出的方法应用于某驾驶室半浮载货汽车平顺性仿真，较好地解决了刚体动力学仿真精度不高的问题，解决了该型号载货汽车的振动控制问题，对提出的方法进行了应用验证。本论文研究工作中，尚未对柔性体参数化方法进行深入研究。下一步将对柔性体参数化方法以及柔性体自动替换刚性体方法进行研究，提高模型的通用性和建模效率。
参考文献：
[1]庞辉，李红艳，方宗德等。驾驶室悬置系统对重型车辆平顺性影响的试验研究[J]. 汽车技术，2010，41（11）：52-56.
[2]徐陈夏.汽车平顺性仿真分析与悬架参数优化[D].合肥：合肥工业大学，2009.
[3]邓聚才，冯哲，刘夫云.某载货汽车振动控制与平顺性提升方法[J].汽车技术，2014，45（3）：10-12，30.
[4]李惠彬，刘亚彬，上官云飞.基于ADAMS的重型载货汽车平顺性仿真研究[J].重型汽车，2007， 28（5）：10-12.
[5]邵磊，傅幸民，姚雪梅等.工程车辆ADAMS建模与平顺性仿真[J].中国工程机械学报，2005，3（2）：144-148.
[6]赵亮亮，刘夫云，邓聚才等.基于ADAMS的载货汽车平顺性仿真与优化[J].装备制造技术，2014，2：44-47.
[7]李斌茂，钱志博，程洪杰，刘朝晖.AUV发动机的ADAMS/MATLAB联合仿真研究[J].系统仿真学报，2010，22（7）：1668-1673.
[8]孟杰，张凯，焦洪宇.空气悬架的MATLAB和ADAMS的联合仿真研究[J].机械科学与技术， 2013，32（4）：40-43.
[9]徐宁，詹长书.基于ADAMS和MATLAB的空气悬架系统仿真与试验研究[J].汽车技术，2013，44（1）：42-44.
关键词：载货汽车；平顺性仿真；刚柔耦合
中图分类号：U461.4； TH113 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0010-04
Abstract： The method to build the virtual simulation model of vehicle is analyzed. Based on ADAMS， the rigid- flexible coupled virtual prototype model for ride comfort simulation of a type heavy truck is established. Based on MATLAB Simulink toolbox， the road excitation and damping force model of ride comfort simulation of vehicle is established. Based on ADAMS Control module and MATLAB Simulink interface， the co-simulation model was built. The simulation and optimization program was developed. As an example， the above methods and program are applied to a certain type of truck， the method and the program are validated. The results show that， the precision of the proposed method is higher than that of the simulation of rigid body dynamics model， the simulation efficiency and operation convenience of the proposed method can meet the requirements of enterprises.
1 引言
平顺性是指保持汽车在行驶过程中由于路面不平度和发动机、传动系统以及车轮等旋转部件引起的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响；在一定的界限之内，对于载货汽车还包括保持运载货物完好的性能。车辆的平顺性已成为现代运载车辆的重要评价指标。近年来，载货汽车向高品质方向发展已成为一种趋势，客户对车辆舒适性的高要求使得车辆的平顺性成为各大厂商关注的主要性能指标之一。目前国产汽车技术性能与先进国家相比还存在着一定差距，尤其是载货汽车的平顺性与舒适性与国际先进水平相比差距更大，导致驾驶员在行车过程中易产生作业疲劳，这不仅影响驾驶员的身体健康，还易引起疲劳驾驶，造成事故隐患。因此，提高驾驶室平顺性，从而提升载货汽车舒适性和整车性能，对增强其市场竞争力具有重要意义[1-3]。
近年来，随着虚拟样机技术的兴起，人们基于ADAMS软件，通过建立实体模型、定义各种约束并选择适宜的求解器，对载货汽车进行平顺性仿真，取得了一些积极成果[4-6]。一些学者对ADAMS/MATLAB联合仿真方法进行了初步探讨[7-9]。从目前的文献看，提出的ADAMS/MATLAB联合仿真方法尚未充分发挥ADAMS在刚柔耦合建模、MATLAB及其Simulink工具箱在控制、数值计算方面的强大功能。本文对ADAMS/MATLAB联合仿真方法进行了较深入研究，建立基于联合仿真技术的、具有多个外部可调参数的载货汽车平顺性联合仿真参数化模型，在此基础上开发了可以方便地对刚度、阻尼、激励等参数进行平顺性联合仿真与优化的仿真优化程序，为载货汽车平顺性仿真与优化提供了操作便利的参数化仿真优化方法与平台。
2 刚柔耦合载货汽车虚拟样机模型建立
载货汽车是一个相对比较复杂的机械系统，本文主要对底盘悬架以及驾驶室悬置刚度、阻尼以及路面和轮胎激励等参数对车辆平顺性的影响进行研究。从简化模型、提高仿真效率的角度出发，将一些对车辆平顺性影响较小的零部件进行简化处理，将它们的质量、惯量等结构参数等效到与其相关联的部件上。本文所建立的ADAMS虚拟样机仿真模型主要由驾驶室、驾驶室悬置、车架、底盘悬架系统、前后桥（含轮胎）和路面激励等所组成。利用ADAMS/View模块，建立的某长头车二类底盘简化的虚拟样机仿真模型如图1所示。
需要说明的是，建立的模型驾驶室采用半浮悬置，前悬为橡胶衬套，刚度比后悬明显大，为更准确地仿真驾驶室半浮悬置以及车架柔性对平顺性的影响，对车架及驾驶室前悬置进行柔性化处理。建立了刚柔耦合的载货汽车虚拟样机模型。
3 联合仿真模型建立
3.1 模型参数分析
对建立的ADAMS虚拟样机模型进行参数分析， 其参数主要分为两类，状态变量参数和非状态变量参数。状态变量参数可以通过ADAMS与MATLAB 通讯接口进行输入和输出，也是实现ADAMS和MATLAB 联合仿真的关键。
本文主要研究路面激励、轮胎激励以及阻尼对载货汽车平顺性的影响，经过分析，共设置了27个状态变量，其中14个输入状态变量，13个输出状态变量。输入状态变量主要有：轮胎处的位移激励（包含路面激励和轮胎偏心激励）参数4个，前桥悬架、后桥悬架以及驾驶室悬置处的阻尼力参数10个。输出状态变量主要有：各个悬置的相对运动速度参数10个，驾驶室质心位置3个方向的加速度参数3个。 3.2 联合仿真模型建立
利用ADAMS Control 模块提供的ADAMS与MATLAB之间的接口，建立了ADAMS与MATLAB两个软件之间的相互通讯，通过ADAMS Control 将载货汽车整车动力学模型输入到MATLAB。在此基础上，根据仿真需要，对模型进行修改，主要是添加输入输出变量。完整的载货汽车联合仿真模型如图2所示：
图2中黄色部分是由ADAMS生成的动力学模型adams_sub模块，大大简化了Simulink中的建模工作，在Simulink中，主要是对一些输入、输出变量进行建模。
3.3 模型参数输入界面开发
联合仿真模型，包括两类不同的参数，状态变量参数和非状态变量参数，作为ADAMS模型中的输入状态变量参数，可以通过ADAMS和MATLAB接口，通过MATLAB进行输入和控制。非状态变量参数，目前尚不能通过MATLAB进行输入和控制，需要在ADAMS 中对其进行参数化并通过ADAMS进行输入与修改。针对两种不同的参数，开发了不同的输入输出界面。
对质量、惯量、质心位置等非状态变量，利用ADAMS 软件自带的菜单编辑器创建参数输入菜单。利用 ADAMS提供的二次开发函数，开发参数输入界面。创建的参数输入菜单及参数输入界面如图3所示：
对力、位移、速度、加速度等状态变量参数，利用MATLAB开发了程序，实现路面激励、阻尼力等状态变量参数，以及仿真时间等仿真参数的输入和修改，同时实现整车平顺性的仿真和优化。开发的状态变量输入参数以及仿真优化程序运行界面如图4所示：
4 应用举例
某驾驶室半浮车型，利用MATLAB建立的刚体动力学仿真模型，仿真结果与实测结果存在一定差距，难以指导企业实际生产，需要更为准确的仿真模型。利用本文建立的参数化联合仿真模型以及仿真优化程序，以上述驾驶室半浮车型为例，对该车型进行仿真分析与优化，得到了阻尼参数优化结果。根据阻尼参数优化结果，试制新的前桥减振器，并装车进行路面电测试验，得到的整改前、后平顺性实测结果对比情况如图5所示。
图5 平顺性测试结果对比曲线
由图5可以看出，整改后的车型，平顺性特别是低速段的平顺性得到明显改善，低速段平顺性值从1.6降低到1.0，此外，车辆的平顺性稳定性也得到改善，车辆的舒适性得到明显提高。
5 结束语
论文对ADAMS 和MATLAB 联合仿真方法进行了研究，提出了基于ADAMS 和MATLAB联合的载货汽车动力学建模及仿真优化方法，开发了仿真优化程序。提出的方法充分发挥了ADAMS 和MATLAB各自的优势，实现了载货汽车刚柔耦合平顺性仿真，与传统的单纯基于ADAMS 或单纯基于MATLAB 的仿真方法相比，提出的联合仿真方法具有建模难度低、仿真精度高、操作便利、仿真效率高等特点。最后，将提出的方法应用于某驾驶室半浮载货汽车平顺性仿真，较好地解决了刚体动力学仿真精度不高的问题，解决了该型号载货汽车的振动控制问题，对提出的方法进行了应用验证。本论文研究工作中，尚未对柔性体参数化方法进行深入研究。下一步将对柔性体参数化方法以及柔性体自动替换刚性体方法进行研究，提高模型的通用性和建模效率。
参考文献：
[1]庞辉，李红艳，方宗德等。驾驶室悬置系统对重型车辆平顺性影响的试验研究[J]. 汽车技术，2010，41（11）：52-56.
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[3]邓聚才，冯哲，刘夫云.某载货汽车振动控制与平顺性提升方法[J].汽车技术，2014，45（3）：10-12，30.
[4]李惠彬，刘亚彬，上官云飞.基于ADAMS的重型载货汽车平顺性仿真研究[J].重型汽车，2007， 28（5）：10-12.
[5]邵磊，傅幸民，姚雪梅等.工程车辆ADAMS建模与平顺性仿真[J].中国工程机械学报，2005，3（2）：144-148.
[6]赵亮亮，刘夫云，邓聚才等.基于ADAMS的载货汽车平顺性仿真与优化[J].装备制造技术，2014，2：44-47.
[7]李斌茂，钱志博，程洪杰，刘朝晖.AUV发动机的ADAMS/MATLAB联合仿真研究[J].系统仿真学报，2010，22（7）：1668-1673.
[8]孟杰，张凯，焦洪宇.空气悬架的MATLAB和ADAMS的联合仿真研究[J].机械科学与技术， 2013，32（4）：40-43.
[9]徐宁，詹长书.基于ADAMS和MATLAB的空气悬架系统仿真与试验研究[J].汽车技术，2013，44（1）：42-44.