基于ADAMS轿车天窗运动执行机构的仿真分析和优化设计.pdf

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1、第2 6 卷第6 期 2 0 0 8 年1 2 月 石河子大学学报( 自然科学版) J o u r n a lo fS h i h e z iU n i v e r s i t y ( N a t u r a lS c i e n c e ) V 0 1 2 6N o 6 D e c 2 0 0 8 基于A D A M S 轿车天窗运动执行机构 的仿真分析和优化设计 陈科，钟智攀，龚子彬，周卿，段秋琦 ( 合J I a T 业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 摘要：随着轿车天窗运动执行机构速度及运动复杂性不断提高，其研制过程的运动学分析、安全评价愈显重要，而 其传统设

2、计常采用类比法或经验取值法，限制了产品性能的进一步提高。本文应用M S C A D A M A S 虚拟样机软件建 立了某轿车天窗运动执行机构的数字样机模型及其仿真分析，并基于A D A M S 的参数化设计功能，建立了该机构优 化设计模型，并对其进行了优化设计。仿真和优化结果表明，该设计性能良好，满足设计要求，同时缩短了设计周 期，节约了产品成本，对同类产品的开发设计具有较好的借鉴意义。 关键词：轿车天窗；A D A M S ；运动执行机构；仿真；虚拟样机技术；优化设计 中图分类号：V 2 1文献标识码：A 轿车天窗是随着汽车产业的蓬勃发展而慢慢 兴起的，国外轿车天窗已经历了几十年的发展。目

3、 前，世界上著名的天窗生产企业，如德国的伟巴斯特 ( W E B A S T O ) 、诺马( M e r i t o r ) 及C O C O 和美国的A S C 都拥有许多天窗方面的专利技术。国内生产厂家多 是刚刚涉足轿车的天窗设计研究，时间短，技术储备 薄弱，正处于对国外先进技术的消化吸收阶段。 轿车天窗对改善车内空气质量和采光性能及提 高驾乘人员的舒适感有着不可替代的作用。轿车天 窗的关键部件足其运动执行机构，因此，对轿车天窗 运动执行机构的设计与性能分析历来在汽车设计中 都不容忽视。但是传统的设计大都采用类比法或经 验取值法，其主要缺点在于难以实现参数化且计算 精度不高，限制了产品性

4、能的进一步提高 1 。 。 随着计算机技术的发展，虚拟样机技术作为一 种新兴的并行设计技术，越来越广泛地应用于工程 实际中。虚拟样机用精确逼真的数字模型表示物理 样机，可以在虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并 对其运动过程和受力情况进行仿真分析，不仅大大 缩短了研发时间，而且降低了产品成本。 A D A M S 是虚拟样机技术在机械系统动力学仿 真分析应用中的杰出代表，该软件适应性强、可视性 好，与仿真技术结合能真实地反映实际运动过程，进 行性能分析，并且对多种方案进行分析和比较，最终 获得最优工作性能 4 | 。相对于传统方法而言，本文 利用A D A M S 设计运动执行连杆机构具有过程简

5、单、 可视化强、通用性好和准确度高的优点。 1 建模与仿真 1 1 运动执行机构工作机理 在A D A M S 中建立的轿车天窗结构模型以R e n t i e r 显示，如图l 所示。 圈1 轿车天窗结构模型 轿车天窗主要由车顶盖、连杆、支架，以及固定 于支架上的空气滤清器等部件组成。其中，由连杆 l 、2 、3 、4 构成的联动机构，实现车顶盖的打开与关 收稿日期：2 0 0 8 4 3 6 - 2 8 基金项目：国家科技攻关项目( 2 0 0 5 B A 2 0 l A 8 3 一o i ) 作者简介：陈科( 1 9 6 5 - ) ，男，教授，博士，从事现代设计理论、机械C A D C

6、 A E 和人工神经网络研究；e 删I i l ：小嘶曲p a I l 1 2 6 删n o 万方数据 第6 期陈科。等：基于A D A M S 的轿车天窗运动执行机构仿真分析和优化设计7 5 5 闭，在车顶盖上设计固定有D 、E 二点，支架上设计 有固定A 、B 、c 三点，空间有4 个设计参数点P o 妇 l 、P o i n t2 、P o i n t3 、P o i n t4 。在固定点C 与点P o i n t 4 之间施加一个弹簧力驱动连杆4 向上运动，通过联 动机构从而使得车顶盖实现打开与关闭功能。 1 2A D A M S 的模型建立 首先建立4 个设计参数点l 、2 、3 、

7、4 ，利用 A D A M s 中的L i n k s 工具在点E 和P o i n t2 、点D 和 P o i n t 3 、点A 和P o i n t 2 、点B 和P o i n t 4 创建4 个连杆， 即连杆1 至4 ；然后利用A D A M S 中的J o i n t 在点A 处 建立连杆3 与支架的旋转副，日点处建立连杆4 与 支架的旋转副，D 点处建立连杆2 与车顶盖的旋转 副，E 点处建立连杆l 与车顶盖的旋转副，P o i n t l 处 建立连杆2 和连杆3 之间的旋转副；P o i n t 2 处建立连 杆1 和连杆3 的点线副，P o i n t 3 处建立连杆2

8、和连杆 4 的点线副。在固定点c 与连杆上的M a r k e r ( 与点 P o i n t4 在同一处) 建立弹簧阻尼器。A D A M S 中弹簧 作用力的计算公式如下 5 J ： F = 一后( r r o ) 一c + 上式中，k 为弹簧的刚度系数，r 和r 0 分别为弹簧的 长度和初始长度，c 是阻尼系数，厂是预载荷。 本文刚度系数取9 0 m m ，阻尼系数取8 N s n m a ， 预载荷为O ，初始长度r 0 = 2 5 0 m m 。 表1 设计参数点的初始位置 参数点1 D c - x ( x 坐标) L o c - y ( y 坐标) t o c - z ( z 坐

9、标) 1 3 运动执行机构的仿真分析 由运动执行机构的仿真分析叮以得到车顶盖运 动轨迹，由此可以判断车顶盖在打开和关闭过程中 是否与空气滤清器发生干涉，也为机构的优化设计 做好必要的准备。 在车顶盖的左上侧点建立一个M A R K E R r e a r 标 记点，空气滤清器左上侧点建立t o p - s u r f 标记点，并 建立测量函数F U N C T I O N M E A Y = D Y ( M A R K E R - r e a r ，t o p s u r f ，t o p s u r f ) ，通过该函数计算在仿真车顶 盖向上运动的过程中车顶盖的末端与空气滤清器之 问的竖直距

10、离。输入具体的参数设计值可得到车顶 盖与空气滤心器之间竖有距离随时间变化的曲线 ( 图2 ) 。 由图2 可知，随着车顶盖逐渐打开，二者间的距 离逐渐变小，0 1 2 s 时距离为0 ，之后发生了干涉，表 明设计不合理需要改进。 量0 0 鹊5 0 邀 一l o O二羔墨兰三 。5 璇o 0 1 谛020 3 o 0 40 50 60 70 80 91 _ 0 时间，s 田2 车顶盏与空气滤清器之间竖直距离随时闻 变化的曲线 2 联动机构的参数分析 2 1 设计变量的选取 联动机构中4 个参数点决定连杆1 、连杆2 、连 杆3 、连杆4 的长度及初始位置，4 个参数点位置的 选取的好坏是衡量联

11、动机构设计的重要指标。 利用A D A M S 的参数化设计能很方便地研究设 计参数对联动机构性能的影响【6 , 7 。首先在 A D A M S V i e w 中定义设计变量，并对设计变量定义 一个初值及其变化范围，然后A D A M S 分别针对设计 变量进行仿真，以图标的形式输出结果。下面利用 这种方式分别对联动机构的一些参数进行仿真。 首先选取参数化点l 、2 、3 、4 ，再建立连杆设计 变量，并考虑连杆长度变化对整个机构的影响。在 A D A M S 中利用函数L O C C Y L I N D m c A L ( r ，口，z ) 实现 由柱面坐标( r ，0 ，Z - ) 到

12、笛卡尔坐标( 茁，y ，z ) 的转 换。 本文中P o i n t2 相对于点A 的柱面坐标为( r = l ，0 = A l ，孑= O ) ，则P o i n t2 笛卡尔坐标为( 省，z ) = L O C C Y L I N D R I C A L ( L 1 ，A 1 ，0 ) ( 图3 ) 。参数化 P o i n t2 笛卡尔坐标( 髫，Y ，z ) = ( L O C R E L A T I V E T O ( L O C C 心D m Q 地( L 1 ，A l ，O ) ，A ) ) ，采用同样的柱 面坐标方式，参数化P o i n t4 笛卡尔坐标( 石，Y ，z )

13、= ( L O C R E L A T I V E T O ( L O C C Y u N D 砒Q 虬( L 2 ，A 2 ，0 ) ， 鳓) 。因为在P o i n t3 处施加的是一个点线副，使得 点P o i n t3 只能在连杆4 上移动。参数化P o i n t3 笛 卡尔坐标( 算，Y ，名) = ( L O C A L O N G - L I N E ( B ，P o i n t4 ， D l * D M ( B ，P o i n t4 ) ) ) 。D 1 和D M 涵义如图4 所示。 万方数据 7 5 6石河子大学学报( 自然科学版)第2 6 卷 2 圈3 点P o i n

14、 坦相对于固定点月的柱面坐标 设计中使点P o i n t1 是连杆2 和连杆3 的交点。 连杆2 是由点D 和点P o i n t3 连接构成，连杆3 是由 点A 和P o i n t2 连接构成，所以P o i n t1 的坐标是由点 D 、P o n t3 、P o i n t2 、点A4 个点坐标构成，则参数化点 P o i n t1 的笛卡尔坐标( 菇，Y ，z ) = A 1 c e - x + ( ( P o i n t 3 I c e - x D I c e X ) * ( A I c e - Y D 1 c e - y ) 一( P o h 3 I c e Y D I c e

15、 Y ) * ( A 1 c e x D I c e x ) ) ( ( P o i n t3 1 c e - y D 1 0 e y ) * ( P b i n t2 1 0 c x A 1 0 c - x ) 一( P o i n t 3 I c e - X D 1 c e x ) * ( P b i n t2 1 c e Y A I c e Y ) ) * ( P o i n t 2 I c e x A I c e x ) ，A I c e - Y + ( ( P o i n t3 1 c e x D 1 0 c - x ) * ( A I c e - Y D I c e Y ) 一(

16、P o i n t3 I c e Y D I c e Y ) * ( A I c e x D I c e x ) ) ( ( P o i n t3 I c e Y D I c e Y ) * ( P o i n t2 I c e - x A I c e X ) 一( P o i n t 3 I c e - X D I c e - x ) * ( P o i n t2 I c e - Y A 1 0 c - y ) ) - 1 ( - ( P o i n t2 I c e Y A I c e - Y ) ，A I c e z 。 考虑结构和装配特征，定义设计变量分别是连 杆3 的长度l 、初始安

17、装角A l 、连杆4 的长度2 、初 始安装角A 2 、D l 、T o l e r a n c e 。 表2 各设计变量标准值及上、下限值 2 2 优化设计 2 2 1 优化设计的数学模型 优化设计的内容主要是在保证机构约束前提条 件下，尽可能达到质量轻、体积小、形状合理、成本最 低以及力学方面最大限度地减缓过渡区应力集中等 目标条件。一般数学模型为 8 ： , m n f C X ) ，x D CR “，X = 名l ，X 2 - - - - - X a r ； s tg u ( X ) 4 0 ，l = l ，2 ，P ； ( 2 ) ； 屯( X ) = 0 ，t ，= l ，2 ，q

18、 ，q n 。 卜兰一4 圈4 删和D 1 的涵义示意圈 式( 2 ) 中，D 为设计变量x 在欧式空间彤的取值范 围，称为可行域，s t 为约束条件。 优化设计的数学模型包括三因素：设计变量x 、 目标函数以x ) 和约束条件g ( X ) 4 0 ，h 。( X ) = 0 。 A D A M S V i e w 提供有高级优化分析分析工 具【9 “1 | 。通过参数化建模，可以将参数值设置为可 以改变的变量。在分析过程中，只需改变机构模型 中有关参数值，程序可以自动更新整个机构模型。 更进一步，还可以由程序根据预先设置的可变参数， 自动地进行一系列的仿真分析，观察在不同参数值 下机构的变

19、化。优化分析过程中可以设定设计变量 的变化范围，施加一定的限制以保证最优化设计处 于合理的取值范围。通过优化分析，可以获得在给 定的设计变量变化范围内，目标对象达到最大或最 小值的工况。 为了使联动机构材料最少，即重量最轻，取联动 机构的质量最轻作为优化目标。联动机构在车顶盖 打开和关闭过程中满足3 个条件，即约束条件： 1 ) 车顶盖完全打开时的倾斜角为( 5 0 5 ) 。； 2 ) 车顶盖打开后易从上方接近空气滤清器； 3 ) 运动过程中车盖不与空气滤清器发生干涉。 下面仿真分析厶对车顶盖开启时的影响。当 测量目标取F U N C T I O N M E A Y 的最大值，即D e f

20、a u l t L e v e l s 取5 ，执行l s 、5 0 步动态仿真，A D A M S 首先将 各个设计变量的范围平分以确定变量水平值，在设 计过程中A D A M S 对每个设计变量的每一个水平值 进行一次仿真分析，对设计变量进行优化设计 5 】5 。 在不同实验值下，A D A M S 自动生成优化过程中车顶 盖标记点与空气滤清器上表面距离D Y 随时间变化 曲线( 以L l 为例，图5 ) 。 从图5 可以看出：最小是发生在第1 次试验， M i n i m u mV a l u e ：一9 0 2 2 8 ( t r i a l1 ) ；最大值发生在第5 次试验，M a

21、x i m u mV a l u e ：2 3 1 7 2 1 ( t r i a l5 ) 。按照同 样方法L 2 、A l 、A 2 、D l 均可仿真得出和L l 类似的曲 线，限于篇幅省略。 万方数据 第6 期 陈科，等：基于A D A M S 的轿车天窗运动执行机构仿真分析和优化设计7 5 7 纛 必 时问，s 圈5 车顶盖标记点与空气滤清器上表面巫膏D Y 随着厶变化实验曲线 2 2 2 建立约束条件 1 ) 由于车顶盖展开角度设计为( 5 0 5 ) o ，利用 已经在车顶盖的左上侧点建立一个M A R K E R - r e a r 标 记点。在运动过程中车顶盖M A R K

22、E R 聊标记点会 随着转动，用A D A M S 提供的方位函数A Z ( T o - M a r k e r ，F r o m M a r k e r ) 可以测量当前车顶盖相对于地面的 倾斜角度，从而建立第1 个约束O n c 悯A 肝l 为t o l e r a n c e A z ( M A R K E R r e a r ) 。 2 ) 设计的联动机构应保证车顶盖完全打开后 很容易从上面接近空气滤清器，则车顶盖打开时其 后端点向前运动，车顶盖完全打开后向前偏移起始 位置5 。用方位函数D X ( T o - M a r k e r ，F r o m M a r k e r ，A 1

23、 0 n g - M a r k e r ) 测量偏移距离，即车顶盖标记点M A R K E R 舢和空气滤清器标记点t o p - s u r f ，由此建立第2 个约束O P T - C O N S T R A I N T - 2 为5 0 - D X ( M A R K E R 聊， t o p - s u r f ，t o p - s u r f ) 。 3 ) 车顶盖打开过程中不能与空气滤清器发生干 涉，建立第3 个约束O 阱C O N 锄A 矾T 3 为F U N C T I O N M E A Y 。 2 2 3 目标函数的建立 优化目标为联动机构材料成本最少，可以考虑 为机构重

24、量最轻，A D A M S 中建立的目标函数为O B 肛册一C O 孵( R 噼2 m a 鹪+ P A R T - 3 m a s s + n U 汀 - 4 m a s s + P A R T - 5 r I 酗) 。在A D A M S 中设置好设计 变量、约束条件、目标函数后即可进行优化设计，得 出3 个约束条件在优化过程中的曲线图( 图6 ) 。 时间I s 圈6 车顶盖优化过程的迭代曲线 裹3 优化分析结果 圈7 目标函数相对于迭代次数的变化曲线 3 结论 1 ) 利用机械系统动力学仿真分析软件A D A M S 将某轿车天窗运动联动机构的性能分析及参数优化 集成起来，实现了产品的

25、虚拟设计。设计过程中，不 仅可以检验各机构设计的合理性，而且可以检测各 构件在运动过程中的干涉情况。 2 ) 在对整个机构运动学仿真分析的基础上，以 连杆重量为目标，建立约束条件并进行优化设计。 万方数据 7 5 8 石河子大学学报( 自然科学版)第2 6 卷 优化结果满足设计所提出的要求，实现了预定目标， 连杆重量增加了+ 2 3 5 。 3 ) 对联动机构的仿真分析表明，虚拟样机技术 能有效地模拟现实环境，其结果形象直观，仿真效果 良好。在此基础上制造出的样机，证实了设计的可 行性，满足设计要求，减少物理样机的试验次数，大 大减少开发费用和成本，同时对实际生产起到借鉴 和指导作用。 ， 参

26、考文献： 1 赵国强，孙海涛现代轿车天窗应用及匹配优化 J 上 海汽车，2 0 0 4 ，( 5 ) ：2 9 - 3 2 2 洪鹏关于汽车天窗 J 汽车实用技术。2 0 0 3 ，( 1 0 ) ： 3 8 3 9 3 崔树平，赵彬。汽车构造 M 北京；机械工业出版社， 2 0 0 r 7 4 王国强，张进平虚拟样机技术及其在A D A M S 上的实践 M 西安：西北工业大学出版社，2 0 0 2 5 陈立平，张云清，任卫群，等机械系统动力学分析及 A D A M S 应用教程 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 5 6 汪惠群，郑建荣在A D A M S 软件中虚拟样机的参数化建 模与

27、分析 J 机械制造，2 0 0 4 ，4 2 ( 1 0 ) ：4 l 奶 7 侯赤，万小朋，赵美英基于A D A M S 的小车式起落架 仿真分析技术研究 J 系统仿真学报，2 0 0 7 ，1 9 ( 4 ) ：9 0 9 - 9 1 3 8 孙靖民，米成秋机械优化设计 M 。北京：机械工业出 版社2 0 9 M S C S o f t w a l 肥M S C A D A M S V i e w 高级培训教程 M 邢 俊文，陶永忠北京：清华大学出版社，2 0 0 4 1 0 彭松林，左德参，张卫平，等曲柄摇杆扑翼机构的联合 仿真及优化设计 J 系统仿真学报，2 0 0 7 ，1 9 (

28、8 ) ：1 7 5 8 1 7 6 1 E 1 1 王桂梅，李江波，李玉文，等基于A D A M S 的垃圾运送 车拉臂系荭优化设计 J 机械设计，2 0 0 7 ，2 4 ( 3 ) ：4 8 5 0 S i m u l a t i o nA n a l y s i so fM o t i o nM e c h a n i s mo fA u t o m o b i l eS u n r o o fB a s e d o nA D K 嫡s C H E NK e ，Z H O N GZ h i - p a n ，G O N GZ i b i n g ，Z H O UQ i n g ，D U

29、 A NQ i u - q i ( D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a la n dA u t o m o b i l eE n g i 胱r i l l g ，H d e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H e f e i ，A n h u i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：W i t ht h ei n c r e a s eo fe x e c u t i o ns p e e da n dc o m p l e x i t yo ft

30、h em o t i o nm e c h a n i s mo ft h ea u t o m o b i l es u n r o o f ，t h e k i n e m a t i c sa n a l y s i sa n ds a f e t ye v a l u a t i o na r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n td u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp e r i o do fi t I nt r a d i t i o n a l d e s i g n ，b ya d o p t i n g

31、a n a l o g ym e t h o do re m p i r i c a lm e t h o d ，f u r t h e ri m p r o v e m e n to fp r o d u c tp e r f o r m a n c ew a sd i f f i c u l tt o m a k e Ad i g i t a lp r o t o t y p i n gm o d e lo fam o t i o nm e c h a n i s mo ft h ea u t o m o b i l es u n r o o fw a sm o d e l e da n

32、ds i m u l a t e di nM S C A D A M A S ，w h i c hi sas o f t w a r ep a c k a g eb a s e do nV i r t u a lP r o t o t y p i n gT e c h n o l o g y O p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h em e c h a n i s mW a s b u i l tb a s e do np a r a m e t r i cd e s i g nf u n c t i o no fA D A M S 田l em o d e

33、 lW a so p t i m i z e da n dt h es i m u l a t i o n 删t si n d i c a t e dt h a t t h ef i n a ld e s i g ns o l u t i o nw a sag o o dp e r f o r m a n c e N o to n l yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw e r em e t ，b u ta l s ot h ed e s i g nc y c l ea n d t h ep r o d u c tc o s tw e r ec

34、u td o w nr e m a r k a b l e l y 卟ed e s i g np r o c e s sW a so fg o o dr e f e r e n t i a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n t o fs i m i l a rp r o d u c t s K e yw o r d s ：a u t o m o b i l es u n r o o f ；A D A M S ；v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；m o t i o nm e c h a n i s m ；s i m u l a t i o n 万方数据