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1 引言
重载车是某装备运输过程中的重要车辆之一，其主要功能是运输、起竖相关装备，以及在控制系统的配合下给相关装备供电、预装，保证相关装备的正常工作。
重载车作为一个典型的复杂机电系统，集成了机械结构、液压传动、电气控制等各分系统。各分系统的研制、全系统整合调试都会对重载车功能指标的实现产生决定性的影响。这样一个复杂系统设计活动的自律性和自适应性、设计过程的可预测性和可控性、设计流程的可观测性和设计信息的可重用性在研制工作中必须得到有效控制，这些工作是缩短研制周期、降低研制风险、提高设计效益的根本途径。
要达到上述目标，本文介绍了使用动力学虚拟样机技术来财该重载车进行系统级多领域耦合建模、仿真与分析。在动力学仿真平台MSC ADAMS中建立了重载车的多体动力学虚拟样机仿真模型，结合路面（谱）模型和车控-液压模型，在多体动力学仿真模型基础上对各种典型工况进行了虚拟仿真试验，获得了较为完备的虚拟试验数据，评估了重载车的性能指标实现能力和环境适应能力，为优化总体设计参数提供了基础技术支持。
2 动力学虚拟样机平台的建立
通过对现有商业软件的应用研究，建立了初步的重载车动力学虚拟样机平台，它集成了多个CAE仿真分析软件，通过该平台可以实现机械、控制、液压等多个专业领域之间的协同仿真。 （图片）
图1 重载车动力学虚拟样机平台框架 重载车动力学虚拟样机平台在构建过程中充分考虑了机械、控制、液压等各个专业领域之间的相互联系，能够实现机械、控制、液压系统的并行设计、集成仿真分析，因此具有很好的系统性；重载车动力学虚拟样机平台在构建过程中充分考虑了当前相关领域的技术先进性和可持续发展性，都是采用具有技术先进的通用商业软件通过其本身的集成接口或二次开发整合而成，因此具有很好的技术先进性。
3 重载车多体动力学虚拟样机建模
重载车仿真模型主要由机械结构部分和车控一液压子系统两大部分组成。作为骨架支撑部分的机械结构是样机模型中重要的可视化部分；作为控制器的车控系统与作为执行器的液压系统相互依存，密不可分，二者被统一合称为车控一液压系统，进行一体化建模。
3.1 机械结构部分建模
3.1.1 刚体、约束关系的定义
根据重载车中各个部件之间的运动关系，把部件之间没有相对运动的所有部件定义成一个刚体，在MSC ADAMS中共定义了134个刚体，59对转动副，23对移动副，16对圆柱副，12对万向副等，建好的重载车多刚体动力学虚拟样机模型具有27个自由度。
多刚体动力学模型中各个刚体的质量以及转动惯量根据相关设计文件获取。
由于刚体数量较多及其约束关系比较复杂，这里没有具体给出定义好的各个刚体的名称以及各个部件之间的约束关系，详细定义参见MSC ADAMS中的重载车多体动力学仿真模型。
多体动力学模型中的车轮驱动轴上的驱动简化为相关约束副上的直接运动驱动，在每个车桥的驱动轴上各定义了一个旋转驱动副，共定义了3个旋转驱动副，在建模过程中使用Step函数来控制其大小和作用时间。
3.1.2 油气弹簧力的定义
重载车的悬架是油气弹簧悬架，油气弹簧模型是一个非线性的弹簧一阻尼模型，油气弹簧数学模型的研究已经比较成熟。对于单个油气弹簧，假设油气弹簧液压缸内腔液体压P1，环腔压强P2，液压输送管近内腔端压强P3，与贮能器连接处压强P4，贮能器内液体压强P5，贮能器内气体压强Pg=Ps。则根据薄壁小孔模型、管道流动模型以及管道变径引起的局部压力损失模型，可以得到各处压强之间的关系表达式，同时联合贮能器内气体状态方程，可以得到油气弹簧的数学模型表达如下：（图片） 这是一组关于pi(i=1，…，5)的非线性方程，其中x、分别为油气弹簧液压缸活塞位置与速度。使用MSC ADAMS捉供的用户自定义接口程序，在VC++6.0环境下使用C语言编制用户子程序，编译生成动态链接库，在MSC ADAMS中使用动态链接库来定义重载车独立悬架中的12个油气弹簧力。
3.1.3 轮胎和路谱模型的定义
重载车整车动力学虚拟样机模型中的轮胎模型采用MSC ADAMS/tire模块中的PAC2002轮胎模型，该轮胎模型又叫“魔术公式”轮胎模型，是以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验数据，得出一套形式相同并可同时表达纵向力、侧向力及回正力矩的轮胎模型，形式如下：（图片） 式中，y可以是纵向力、侧向力或回正力矩，而自变量x可以在不同的情况下分别表示轮胎侧偏角或纵向滑移率。公式中的系数D（峰值因子）、C（形状因子）、B（刚度因子）、E（曲率因子）可由轮胎特性曲线求得，该曲线可以是纵向力、侧向力或回正力矩关系曲线。该轮胎模型中的具体参数根据汽车总体方案设计中提供的数据来确定的，其具体参数参见表1。（图片） 道路模型是行使状态仿真研究的重要组成部分，精细的道路模型可以使用弹性力学的有限元法进行处理。在本文的仿真中将道路模型按一般原则简化，认为它是含有一定路面谱特征的几何体，即将国标规定之不同等级路面的路面谱作为路一车系统激励输入，路面形状为不同样式的刚性几何体。虚拟试车场建模方式近似于上述的一般路面建模过程，场地使用刚型几何体，然后赋予与轮胎接触的体表面一定的路面谱特征。在MSC ADAMS虚拟仿真环境中轮胎模型与路面谱模型是关联定义的，路面谱激励很容易作用在系统模型上。
高速(v=80km/h)跑车的路谱模型定义为由白噪声生成的随机2D路谱，模拟二级公路路谱，其路谱文件的参数参见表2。（图片） 3.1.4 柔性体模型的建立
根据对车架、起竖臂、集装架等关键部件的固有特性分析，发现它们的一阶频率都在35HZ以下，比较低，参见表3。因此在多体动力学虚拟样机模型中将车架、起竖臂和集装架进行柔性化处理。
柔性体模型的建立过程为：在有限元软件MSC Patran中通过对构件的网格离散化以及一系列的相关定义后，提交给MSC Nastran进行模态计算自动生成所需的MNF申性文件，然后在MSC ADAMS中使用ADAMS/Flex接口来读取MNF中性文件定义柔性体模型。图2～4给出了在ADAMS中定义好的车架的柔性体模型。（图片） （图片）
图2 车架柔性体模型图 图3 起竖臂柔性体模型 图4 集装架柔性体模型 3.2 车控-液压系统的建模
重载车车控系统相对来说是“独立于”液压系统而单独存在的，通过读取重载车上预设传感器反馈信号来判断液压回路工作的进程状态、通过解算预设的控制策略得到输出控制参数量值、通过对各电磁液压阀的阀芯位置（电压）调节最终实现对液压系统的动作控制。各液压回路在车控系统指挥下完成重载车车体调平、起竖调直、下放等工作。液压系统3大功能回路：调平回路、起竖回路与提拉回路，分别完成上述对应任务。在重载车仿真模型中，正是由于车控、液压系统二者之间存在的这种高依存度（无法独立进行仿真调试工作）关系而进行车控-液压系统统一建模处理。
重载车液压系统原理图如图3所示，车控一液压系统结构建模的总体框图如图4所示，车控系统输入输出接口关系如表4所示，液压系统与机械系统的接口关系如表5所示。
车控-液压系统仿真采用“联合仿真”的形式进行，液压系统模型利用MSC ADAMS2005/Hydraulics模块建立，车控系统模型利用Matlab R2006b/Simulink V6.5-Sfunction横块建立；两个系统之间的软件接口通过ADAMS/Controls模块实现。
3.3 重载车多体动力学虚拟样机模型
多体动力学虚拟样机的总装建模过程是在多刚体动力学虚拟样机模型的基础上建立的，其确切的模型结构拓扑逻辑关系可以在MSC ADAMS仿真环境下的虚拟样机模型数据库中实时地查阅。
通过ADAMS/Flex接口使用相关的MNF中性文件替换掉所有需要柔性化的刚性构件，同时建立柔性体与其它相关构件之间的联接关系（固定联接、铰接等）和载荷关系等。
图5是已建好的完整重载车多体动力学虚拟样机模型。
应用多体模型进行仿真响应求解时还需要在MSC ADAMS软件中设置柔性体模态参数：模态阶数、模态阻尼比等。（图片）
图5 MSC ADAMS中的重载车多体动力学虚拟样机模型 4 重载车多体动力学虚拟样机的虚拟试验
4.1 行驶稳定性虚拟实验
行使状态的仿真研究是典型的车辆动力学问题。车辆系统放置在道路模型上，车辆通过轮胎力与地面相互作用；仿真要考虑路面（波形输入）-载车-上装整个大系统的结构动力学问题才能回答行使状态下动力学环境对运输装备的影响。这一个联合系统的输入条件能完全模拟真实的车辆在真实的试车场中进行实物试验所给定的输入条件，仿真过程与实物试验具有高度一致性和可比性。
行使稳定性虚拟实验包括驻坡稳定性，启动、高速行使与制动稳定性，低速越壕与越障稳定性等，通过在重载车驱动轴上定义不同的驱动能够很方便的实现行使稳定性虚拟实验。
4.1.1 驻坡稳定性虚拟试验
假定重载车行使到坡度为40%的斜坡上制动停下，仿真模型中驱动轴上的3个旋转驱动副的驱动速度函数都为0，从仿真结果可以看出：车体质心X向位移曲绒在仿真历程末端持平表明车辆在斜坡上没有移动，驱动角速度曲线在仿真历程末端归零表明车辆没有驱动，由此说明该重载车在40%的斜坡上具有双向驻停的能力。
4.1.2 启动、高速行驶以及制动稳定性虚拟试验
行使状态重载车会频繁加、减速机动，从极限工况考虑：假定以0.4m/s2从静止启动车辆，6秒后以2m/s2把车辆加速到22.4m/s（约80km/h），再在车速22.4m/s下稳速行驶5秒；用10秒钟时间把车速从22.4m/s以1.6m/s2减速到车速8.4m/s（约30km/h），最后以2.9m/s2负加速度进行制动试验，直至完全停车。
图6给出了启动、加速、高速行驶以及制动状态运输装备质心上的X向振动加速度响应曲线，从图中可分辨出静止、缓加速(0.4m/s2)、急加速(2m/s2)、匀速、缓减速(-1.6m/s2)、急减速(-2.9m/s2)和停车等各时间段，仿真值与理论值基本接近但波动较大；各阶段X向加速度均小于1.25g；图7给出了启动、加速、高速行军以及制动状态运输装备质心上的Y向振动加速度响应曲线，从图中可以看出运输装备质心Y向加速度全过程均小于0.5g，因此，重载车在整个二级公路行驶工况上都满足各种运动力学环境要求。
4.1.3 低速越壕与越障稳定性虚拟试验
重载车以5km/h、15km/h、40km/h的速度在平直路面行使，当车行使至某个位置时越过一个宽0.7m，深1m的壕沟，越过壕沟后又在平直路面上行使。仿真时间约12s。图8给出了低速越壕过程中车上装备质心处的X、Y方向的加速度曲线。（图片）
图8 低速越壕虚拟试验X，Y方向的加速度曲线 表4总结了重载车以5km/h、15km/h、40km/h的速度越过宽0.7m壕沟的试验情况；试验表明当车以一定速度越壕时未必会对上装产生过大的冲击过载，因为在油气弹簧作用下，短时间内轮胎自然下垂引起的高度变化很小。表4 过壕工况过载统计表
（图片）假定重载车以3km/h的速度在平直路面上行使，当车行使至5米时越上一个高0.6m的垂直障碍，越上障碍后又在平直路面上行使，图9给出了越障过程中车上装备质心处的X、Y方向的加速度曲线。（图片）
图9 低速越障虚拟试验 本节对重载车典型路况行驶状态进行了模拟，通过虚拟试验可以证明重载车具有良好的行驶性能。由于仿真选用的轮胎模型不具备非稳态本质特征，其对各工况行驶稳定性的直观判定有一定的局限性。
4.2 展车、收车稳定性虚拟实验
液压执行系统在车控系统指挥下进行展开操作。在重载车从行驶状态过程到车上装备工作状态的过程中其动力学拓扑结构发生重大变化；展开结束状态作为车上装备工作态的初始状态，无疑会对车上设备正常工作产生重大影响。展开过程仿真可以紧密地连接行使状态和设备工作状态，并成为检验车控系统和液压系统设计质量优劣的重要工具和改进设计的操作平台。
通过对调平、起竖、托架收放、回平等过程的虚拟试验表明：各个过程车体都非常平稳，没有失稳现象，液压系统无较大抖动、卡滞、振荡现象。
图10给出了调直角度值曲线，从曲线可以看出：起竖阶段历时86秒后起竖角度值为90.006°，可以满足起竖时间要求与精度要求，同时起竖过程平稳，无抖动、卡滞、振荡现象。
图11给出了起竖过程车架大梁上平面的垂向加速度曲线，图12给出了起竖过程车上装备质心垂向加速度曲线，从曲线中可以看出冲击非常小。（图片）
图10 调直角度值曲线 （图片） （图片） 5 试验验证
虚拟试验中测量了集装架与起竖臂之间的四个定位销之间的作用载荷，如图13所示，在水平方向的两个最大载荷为2350N和800N，这两个冲击载荷相对于非常重的集装架和起竖臂来说是非常小的，这种冲击载荷对车上装备的工作过程的影响非常小，不可能造成大的车体位姿改变。图14给出了物理试验过程中在起竖臂上测得的小冲击过载（约1.8g）间接证明了这一判断。（图片） 虚拟试验中测量了四个液压支腿的质心在水平两个方向的位移曲线，如图15所示。从图中可以看出：该过程不影响重载车车体位置的变化，整个过程中车体的位置没有发生改变。图16实物试验测得的冲击过载和前面基于冲击载荷的判定结果都可以相互印证这一结论。（图片）
图15 四支液压支腿的质心沿x、z两个方向的位移曲线 （图片）
图16 液压支腿振动冲击过载曲线 6 结束语
本文以某重载车系统为原型，开展了“车-路”大机械系统多体动力学虚拟样机建模和虚拟试验工作。在建模过程对可视化的机械系统、车控-液压系统都作了一定的分析和阐述，并建立了重载车的多体动力学虚拟样机模型。在重载车多体动力学虚拟样机模型上研究了重载车的总体结构特性、重载车与其相关动力学环境所组成大动力系统的动力学特性以及建立了主要性能指标与总体设计参数之间的“显性”关联，为全局意义上的总体参数优化分析奠定了基础。虚拟试验研究对重载车进行了较全面的动力学仿真试验研究，量化评估了重载车在各类典型工况下的动力学性能指标实现能力，测试了重载车上关键设备的动力学环境特性以及设备环境适应性，对重载车总体设计给出了比较全面、系统的评估。
5/25/2012
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