多學(xué)科領(lǐng)域仿真軟件

1、多學(xué)科領(lǐng)域仿真軟件一SimulationX軟件在 車輛工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀分析曹陳明，汪添(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京210037)摘要：利用多學(xué)科多領(lǐng)域的SimulationX軟件對重型載貨汽車的各部件、總成的建模原理進(jìn)行分析， 對它的發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱、車橋、懸架以及車輪進(jìn)行二維的建模研究，并對其進(jìn)行簡單的三 維研究。關(guān)鍵詞：重型載貨汽車；SimulationX軟件；建模研究；二維模型；三維模型。A multidisciplinary field simulation software-the present situation analysisof Simulatio

2、nX software application in the field of vehicle engineeringresearchAbstract: This subject mainly for heavy duty truck parts, assembly modeling principle is analyzed, using multidisciplinary SimulationX software in many areas, for its engine, clutch, gearbox axle, wheel suspension and two-dimensional

3、 modeling study, and carries on the simple 3 d research.Keywords: Heavy Truck； SimulationX Software； Modeling Study ； 2D Model； 3D Model.一、引言汽車的出現(xiàn)帶動了人類文明和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。汽車工業(yè)以其產(chǎn)業(yè)鏈長、輻射面廣的特 點(diǎn)，成為了國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。如今，全世界的汽車保有量超過10億輛，而且汽車還在以 每年幾千萬輛的速度增長，其中重型載貨汽車的比重也在逐年增長，而由重型載貨汽車所引 起的公路破壞問題也越來越嚴(yán)重。為了克服上述問題，適應(yīng)日益復(fù)雜的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)

4、要求，滿足多領(lǐng)域(multidomain)、 多學(xué)科(multidisciplinary)的交叉融合仿真，推出了一系列的建模與仿真軟件，主要有美國的 MATLAB/Simulink、法國的AMESim和德國的SimulationX等。其中由德國ITI公司2003年 發(fā)布的SimulationX軟件在統(tǒng)一的平臺上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程的建模和仿真，它主要 用在機(jī)械、液氣動、熱、電和磁等物理領(lǐng)域，也用于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人及控制系統(tǒng)優(yōu)化、 發(fā)動機(jī)和車輛冷卻系統(tǒng)、電磁液驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等等。不同領(lǐng)域的模塊之間直觀的物理連接 方式使得SimulationX成為多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模和仿真的理想環(huán)境，

5、它具有較完善的動力 源庫和傳動系統(tǒng)庫，可方便整車模型的建立。隨著SimulationX軟件研發(fā)的深入，SimulationX 軟件的用戶將遍及各個科技領(lǐng)域，它已經(jīng)成為了多領(lǐng)域建模與仿真的標(biāo)準(zhǔn)，并在汽車行業(yè)得 到廣泛應(yīng)用。二、SimulationX軟件介紹SimulationX軟件是典型的多學(xué)科領(lǐng)域建模仿真軟件。2003年德國ITI公司發(fā)布 SimulationXl.1版本，依靠其實(shí)現(xiàn)的多學(xué)科領(lǐng)域的建模和仿真，SimulationX軟件在建模與仿真 這塊領(lǐng)域逐漸占據(jù)主要地位。SimulationX軟件不管是橫向的還是縱向的，它支持全部的設(shè)計(jì) 流程，它將不同的子模型建模和仿真在一個環(huán)境下，進(jìn)行復(fù)雜

6、廣泛的系統(tǒng)仿真。SimulationX 統(tǒng)一了不同層次的建模概念，一方面能夠用學(xué)科庫的標(biāo)準(zhǔn)元件有效迅速的創(chuàng)建模型，另一方 面用戶可以創(chuàng)建自定義元件3 SimulationX實(shí)現(xiàn)了大量的符號解析和數(shù)值方法，它表現(xiàn)出了較 強(qiáng)的計(jì)算功能。SimulationX還包括了CVODE求解方法，這種求解器不僅可以節(jié)省計(jì)算時間， 還可以在運(yùn)行之前讓模型和求解器獨(dú)立編譯，從而提高了計(jì)算性能。根據(jù)學(xué)科庫的不同，SimulationX軟件包含的功能模塊如表2.1所示表2.1 SimulationX中的功能模塊軟件模塊內(nèi)容基本模塊和計(jì)算建模和仿真平臺；COM接口；打印驅(qū)動；時域瞬態(tài)仿真；頻域穩(wěn)態(tài)仿真機(jī)械庫一維轉(zhuǎn)動分析

7、；一維平動分析；與ANSYS接口基于模態(tài)分析；多體動力庫，包括三維物體的導(dǎo)入和3D動畫子庫、桿梁；彈性體、接觸模塊信號（控制）庫普通信號庫；信號源庫；線性信號庫；非線性信號庫；時間離散信號庫；特殊 信號庫；開關(guān)庫動力傳動庫發(fā)動機(jī)庫；聯(lián)軸器和離合器庫；變速器庫；行星輪庫；內(nèi)燃發(fā)動機(jī)庫；換擋執(zhí) 行機(jī)構(gòu)庫；考慮摩擦和齒嚙合接觸的同步器庫機(jī)電庫，電學(xué)庫，磁庫電機(jī)庫；電學(xué)庫；磁庫流體庫，熱力學(xué)庫流體庫；氣體庫；熱力學(xué)庫海洋工程庫海洋液壓及管道庫分析功能平衡計(jì)算：靜態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析；變量分析；線性系統(tǒng)分析；階次分析接口數(shù)據(jù)庫連接器；FEMA接口等代碼輸出C代碼輸出；通過S函數(shù)和Matlab接口聯(lián)合仿真聯(lián)合

8、仿真接口三、重型載貨汽車二維建模研究汽車動力傳動部分主要包括：發(fā)動機(jī)，離合器，變速器，差速器以及車輪，通常重型載 貨汽車均使用柴油發(fā)動機(jī)，多檔位的變速器，多軸以及非獨(dú)立懸架。本文主要介紹了重型載 貨汽車各部件的功用與組成，借助SimulationX軟件環(huán)境下機(jī)械傳動部件，分別對發(fā)動機(jī)、離 合器、變速箱、車橋、懸架以及車輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模。發(fā)動機(jī)根據(jù)其相關(guān)參數(shù)直接采用了庫中的理論模型；離合器模型根據(jù)其功用采用了雙盤 離合器，采用了庫中盤式離合器的模型；變速箱根據(jù)每檔的傳動比，則選用了簡易齒輪模型; 車橋與懸架的建模則是將它們的主要組成表現(xiàn)出來；車輪的建模則采用了輪胎與地面接觸的 模型。最后對重型載

9、貨汽車的整車進(jìn)行了建模。3.1重載型貨車及其相關(guān)參數(shù)重型載貨汽車是指在公路上運(yùn)行時最大總質(zhì)量超過14t載貨汽車。從載貨汽車行業(yè)內(nèi)部的 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，我國的載貨汽車曾一度以中型載貨汽車為主，“缺重少輕”。近年來，這種 狀況正在改變，總的趨勢是輕型載貨汽車的產(chǎn)量已大大超過中型載貨汽車的產(chǎn)量，重型載貨 汽車產(chǎn)量所占比例也在逐步增大，而且重型載貨汽車也越來越受到生產(chǎn)企業(yè)和行業(yè)的重視。本文主要研究的是四軸重型載貨汽車，所選車輛的整車型號為NXG1315DPL1，該車的主 要參數(shù)見表3.1。表3.1重型載貨汽車相關(guān)參數(shù)整車型號NXG1315DPL1驅(qū)動形式8x4主要部件發(fā)動機(jī)型號YC6A260-33變速箱

10、型號8JS118駕駛室高/平頂輪胎規(guī)格10.00-20前橋153雙后橋153雙重量整備質(zhì)量（kg）14760額定載質(zhì)（kg）10040最大總質(zhì)量（kg）30995尺寸參數(shù)總長（mm）9510,9710總寬（mm）2595總高（mm）3300軸距（mm）1900+3450+1300車廂內(nèi)部尺寸長X寬乂高（mm）6500 x2300 x1340輪胎11.00-20以下將利用以上主要數(shù)據(jù)，基于SimulationX軟件研究重型載貨汽車的建模問題。3.2發(fā)動機(jī)模型構(gòu)建與分析本文所選車輛的發(fā)動機(jī)的型號為YC6A260-33，其具體參數(shù)如表3.2所示。表3.2發(fā)動機(jī)YC6A260-33相關(guān)參數(shù)燃料種類柴油

11、額定功率轉(zhuǎn)速2300RPM汽缸數(shù)6最大輸出功率191kw排量7.255L最大扭矩260N.m最大馬力260打開 SimulationX 軟件學(xué)科庫中的 Power Transmission/Motors and Engines 選項(xiàng)，選擇Combustion Engine，單擊它，將其拖至結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，它即為一四缸四沖程內(nèi)燃機(jī)模型，它是一個理論實(shí)驗(yàn)的模型，如圖3.3所示。該發(fā)動機(jī)可以根據(jù)需要設(shè)定其缸數(shù)，額定功率和額定轉(zhuǎn) 速，而發(fā)動機(jī)模型通過輸入節(jié)氣門信號控制，其值在01之間（0表示節(jié)氣門關(guān)閉，1表示節(jié) 氣門全開）。圖3.3發(fā)動機(jī)模型，對其名稱以及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置如圖3.4所示。圖3.4

12、參數(shù)設(shè)置對話框3.3離合器模型的建立與分析離合器是汽車傳動系統(tǒng)中直接與發(fā)動機(jī)相聯(lián)系的部件，離合器主要由主動部分（飛輪、 離合器蓋、壓盤）、從動部分（摩擦片）、壓緊機(jī)構(gòu)（膜片彈簧）和操縱機(jī)構(gòu)（分離叉、分 離軸承、離合器踏板、傳動部件）四部分組成。主、從動部分和壓緊機(jī)構(gòu)是保證離合器處于 接合狀態(tài)并能傳遞動力的基本結(jié)構(gòu)，而操作機(jī)構(gòu)主要使離合器分離的裝置。本文所用離合器為雙盤離合器，故打開SinulationX軟件學(xué)科庫中的Power Transmission/Coupling and Cluthes選項(xiàng)，直接選擇Disc Clutch，將其拖到結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，其模 型如圖3.5所示。圖3.5離合器結(jié)構(gòu)

13、模型雙擊離合器的模型，對其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置如圖3.6所示。圖3.6參數(shù)設(shè)置對話框3.4變速器模型建立與分析本文所選變速器的型號為8JS118,如圖3.7所示，其具體參數(shù)如表3.2所示。圖3.7 8JS118變速器表3.3變速器8JS118相關(guān)參數(shù)變速器檔位數(shù)85檔傳動比2.731檔傳動比10.316檔傳動比1.942檔傳動比7.337檔傳動比1.353檔傳動比5.098檔傳動比14檔傳動比3.77在SimulationX軟件的學(xué)科庫中主要有兩種齒輪嚙合模型，如圖3.8, 3.9所示，前者是一種理論的齒輪嚙合模型，它僅僅只要考慮了嚙合的傳動比，輸入、輸出均為扭矩和轉(zhuǎn)速。后者 是一種物理齒

14、輪嚙合模型，它需要考慮到齒輪的各項(xiàng)參數(shù)，如齒數(shù)、壓力角、齒輪模數(shù)等。圖3.8齒輪嚙合模型圖3.9物理齒輪嚙合模型本文的變速器為8檔位的變速器，不考慮變速器中主副齒輪的模數(shù)以及同步器的各項(xiàng)參 數(shù)，僅考慮其每個檔位的傳動比，即主要利用理論的齒輪嚙合模型來建模。即打開SimulationX軟件學(xué)科庫中 的Mechanics/Rotational Mechanics選項(xiàng)，選擇Transmission，將其拖至結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，如圖3.8所示。Parameters中對其傳動比進(jìn)行設(shè)置，如圖3.10所示。圖3.10 “參數(shù)”對話框雙擊變速器，彈出一個對話框，修改變速器的名稱為 Gearbox，隨后點(diǎn)Param

15、eters，在3.5車橋模型的建立與分析驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)形式與驅(qū)動車輪的懸架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它可以分為斷開式和非斷開式，當(dāng) 采用獨(dú)立懸架時，應(yīng)選用斷開式驅(qū)動橋；當(dāng)采用非獨(dú)立懸架時，則應(yīng)選用非斷開式驅(qū)動橋。本文的重型載貨汽車采用的是非獨(dú)立懸架。打開 SimulationX 軟件學(xué)科庫中的 Mechanics-Rotational Mechanics 選項(xiàng)，選擇 Transmission,將其拖至結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，雙擊它改變它的名稱為Final drive，然后點(diǎn)擊學(xué)科庫中PowerTransmission-Transmission Elements,選 擇 Differential Gearbox，接著選

16、擇學(xué)科庫中 PowerTransmission-Transmission Elements 中的Wheel Ground Contact，將其拖至結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，并重復(fù)兩次操作，最后將所有的元件如圖3.11所示連接起來，構(gòu)建了一個車橋的結(jié)構(gòu)模型。圖3.11車橋的結(jié)構(gòu)模型3.6懸架模型建立與分析汽車懸架可分為兩大類：非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架。本文我們采用非獨(dú)立懸架。打開SimulationX軟件學(xué)科庫中的Mechanics/Rotational Mechanics選項(xiàng)，找到Transmission, 將其拖至結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，然后點(diǎn)擊學(xué)科庫中Power Transmission/Transmission

17、Elements，選擇 Differential Gearbox，接著選擇學(xué)科庫中Power Transmission/Transmission Elements中 的Wheel Ground Contact，將其拖至結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域，重復(fù)操作兩次，最后找到Mechanics/Linear Mechanics 中的Spring-Damper-Backlash,將其拖至結(jié)構(gòu)視圖中，這也重復(fù)兩次，最后將所有結(jié)構(gòu)視圖區(qū)域 中的元件如圖3.12所示連接起來。圖3.12懸架的結(jié)構(gòu)模型3.7車輪模型建立SimulationX軟件中有2種輪胎的模型，一種是簡易輪胎模型，另一種是輪胎與路面接觸模型。簡易模型在學(xué)科

18、庫的 Mechanics-Rotational Mechanics 選項(xiàng)下 的 Rotational-LinearTransformation，如圖3.13所示。而輪胎與路面接觸模型有2種，一種是在學(xué)科庫的PowerTransmission/Transmission Elements選項(xiàng)中的Wheel Ground Contact,還有一種是在學(xué)科庫Power Transmission MBS/Wheels and Tires 中的 Tire Plane Contact,如圖 3.14 所示。圖3.13簡易輪胎模型圖3.14輪胎與路面接觸模型3.8萬向節(jié)模型建立在 SimulationX 軟件

19、的學(xué)習(xí)庫中的 Power Transmission/Transmission Element 選項(xiàng)中的C ardanShaft即為一個萬向節(jié)，如圖3.15所示。匚 ardan5haft圖3.15萬向節(jié)結(jié)構(gòu)模型最后重型載貨汽車的整車結(jié)構(gòu)模型建立如下圖3-16。cardanShaftS四、重型載貨汽車三維模型建立與分析MBS Mechanics.利用SimulationX軟件可以對重型載貨汽車進(jìn)行三 維的建模，本文主要用軟件庫里MBS Mechanics中的元 件來創(chuàng)建模型。MBS中的元件主要包括8個部分，分別為Animation Bodies、Rigid Bodies、Elastic Bodie

20、s、Joints、Constraints Force Elements、Sensors和Tools，它們各部分包含的元 件有Cuboid、Sphere、Ellipsoid、Cylinder Prism、Beam、 Rigid Link等，如圖 4.1 所示。在建三維結(jié)構(gòu)模型時，首先，選擇學(xué)科庫里Power Transmission/Motors and Engines 自 帶 的 Combustion Engine , Mechanics/Rotational Mechanics 里 的 Transmission，Power Transmission/Transmission Elements

21、 里的Differential Gearbox這些基本元件，將它們連接起 來，構(gòu)成重型載貨汽車的傳動系統(tǒng)中的一部分建模，如 圖4.2所示。IJ ftnimation B如f _ Rigid Bodiesg Gerieral Rigid勒 CAD ImportJ Cuboid| Cuboid (Two-Poq SphereJ Ellipsoid.3 日lipsoid (Two-PiiZlinderCylinder (Twa-P ConePrismPrism (Twti-PoinRotational SolidExternal Teeth iInternal Teeth (ILj El技i匚日口如

22、BearnBeanri (Two-PoirJointsRigid Link圖 4.1 MBS Mechanics 學(xué)科庫圖4.2重型載貨汽車傳動系統(tǒng)主要部件選擇學(xué)科庫里 Power Transmission MBS/Wheels and Tires 中的 Tire Plane Contact，作為重型 載貨汽車三維建模的車輪模型，由于本文所選的是四軸重型載貨汽車，故這種車輪模型需要8 個。其次，選擇MBS Mechanics/Rigid BodiesM的Cylinder，選擇2個，將其名稱分別改為wheel 和rim，將它們與車輪相連接，接著選擇MBS Mechanics/Force Elem

23、ents里的Bipolar Spring-Damper，如圖4.3所示。其中Wheel的慣性與幾何參數(shù)的設(shè)置如圖4.4所示，rim的慣性與幾何參數(shù)的設(shè)置如圖4.5所示，再設(shè)置車輪與彈性元件在重型載貨汽車上的位置，其位置設(shè)置 如圖4.6、4.7所示，參數(shù)設(shè)置如圖4.8、4.9所示，同上設(shè)置8個車輪和彈性元件的位置。3圖4.4 Whee l的慣性與幾何參數(shù)設(shè)置框erties - tirePlaneContactl (Model?)Position | Initial Values| Characteristic JParameter | Visualization| Kinematic ResL

24、1 4Reference FrameFrameRehI Predecessor FrameDisplacement效：有匏,5時11勿,5廠mm*Calculation of. Orientation rotSelect:Sequence of AnglesSequence of Angles-psiSequence:(Cardan Angles)Rotation AnglespsiO 3:但，山葉rad圖4.6車輪位置設(shè)置對話框圖4.7彈性元件位置設(shè)置對話框S Properties - tirePlaneContactl (Model?)Position Initial ValuesChar

25、acteristicsParameter | Visualization| Kinematic Rest 1 Camber Anglebgamma:*Radiusr:508mmWidthw:279.4mm.Stiffness.k3； 70000,70000,70000N/mDampingb麒2000,2000,2000加浙Rolling Resistance Coefficient mur:0.01|-Rolling Resistance Threshol. veps:0.01m/s：Nominal Wheel LoadFzN:3200NT8圖4.9彈性元件參數(shù)設(shè)置對話框再選擇MBS Mech

26、anics/Joints里的Free Motion以及MBS Mechanics/Rigid Bodies里的Prism 和Sphere，將它們?nèi)齻€連接起來，如圖4.10所示，并將其放置在三維結(jié)構(gòu)模型的中間位置，點(diǎn) 擊Prisms設(shè)置重型載貨汽車的車身框架，如圖4.11所示。freeMotionl prism 1 sphere 14圖4.11車身框架設(shè)置對話框最后，將所有元件如圖4.12所示連接起來，構(gòu)成了四軸重型載貨汽車的三維模型原理圖。 做完上述步驟后，通過菜單Window/New 3D View，就可以打開模型的3D視圖，如圖4.13所示。圖4.13重型載貨汽車3D視圖本文主要利用Sim

27、ulationX軟件對重型載貨汽車進(jìn)行整車的三維結(jié)構(gòu)建模，最后通過菜單 下的Window/New 3D ViewM現(xiàn)了模型的3D視圖，進(jìn)一步直觀展現(xiàn)了重型載貨汽車的三維模 型。springDamper4tirePliieContactfispringDamperSsprinqu-amperb圖4.12重型載貨汽車三維模型原理圖四、總結(jié)為了提高物流系統(tǒng)的效率，重型載貨汽車在21世紀(jì)的品種越來越多，人們紛紛開發(fā)出高 質(zhì)量、高附加值的新型載貨車，而這樣導(dǎo)致車輛的增加，給各國環(huán)保、安全、能源和交通帶 來了負(fù)面影響，于是也給汽車設(shè)計(jì)師帶來了很大的難題。為此必須在一個統(tǒng)一的環(huán)境下建模 與仿真才能得到一個完

28、整的性能分析結(jié)果。本文通過SimulationX軟件對重型載貨汽車的各個 關(guān)鍵部件進(jìn)行了建模研究，所取得的研究成果如下：（1）利用SimulationX軟件建立了重型載貨汽車的各部分的二維結(jié)構(gòu)模型，包括發(fā)動機(jī)、離 合器、變速箱、車橋、懸架系統(tǒng)以及車輪，最后進(jìn)行了整車建模；（2）利用SimulationX軟件建立了重型載貨汽車的三維模型原理圖，并用該軟件展現(xiàn)了它的 3D視圖。參考文獻(xiàn)：汪衛(wèi)東.國際載貨車行業(yè)的競爭及技術(shù)發(fā)展趨勢J.重型汽車，2006（3）： 9-12童穎華，張新堂，楊聰.我國重型載貨汽車政策解析及建議J.專用汽車，2012（2）： 31-33劉寶生.SimulatianX多學(xué)科建模和仿真工具J. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009（9）： 34-36龍志軍，張曉東，楊志勇.基于SimulatianX微型汽車起步的仿真研究J.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2011，38 （5）： 25-31倪金鵬，韓兵.混合動力變速箱液壓