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多体系统动力学是当今力学领域的研究热点和难点之一，为机械、航空、航天、兵器、机器人等领域中大量机械系统的动态性能评估和优化设计提供了强有力的理论工具与技术支撑。多体系统是以一定方式相联接的多个物体(刚体、弹性体／柔体、质点等)组成的系统。在兵器、机器人、航空、航天、机械等国防和国民经济建设中，诸如发射系统、飞行器、机器人、车辆、民用机械等大量机械系统均可归结为多体系统。随着国民经济和国防建设对机械系统产品动态性能要求的提高，需要对大型复杂机械系统动力学特性进行准确而快速地分析和预测。在这样的工程背景下，出现了多体系统动力学这一新的学科分支[25]。9369
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多体系统动力学在汽车上的应用
随着计算机技术的发展,如何利用计算机辅助分析技术,在制造物理样车之前对汽车产品进行性能仿真,以减少制造成本,缩短开发周期,提高产品质量,是现代汽车设计中非常重要的课题。
研究汽车系统动力学性能的重要工作之一是建立汽车系统动力学模型。传统的经典力学建模方法是以Newton-Euler方程为代表的矢量力学方法和Lagrange 方法为代表的分析力学方法。但随着对汽车动力学性能研究的深入,所需考虑的自由度越来越来多,用经典力学方法建立汽车动力学模型就比较困难。近二十几年来发展起来的多体系统动力学理论为建立复杂的汽车系统动力学模型提供了一个有力的工具。
目前,汽车整车系统动力学模型有线性模型和非线性模型两种。Segel 等建立的线性模型在车辆侧向加速度小于0.3g 的工况下能够产生满意的分析结果,但现代汽车的实际性能测试表明,其侧向加速度一般达到0.8g。为了满足此要求,建立汽车非线性动力学模型就显得尤为重要。Mchenry在1969年建立了第一个车辆非线性动力学模型,此后Chace和Orlandea等建立了一个42自由度的多体动力学模型来分析车辆的操纵特性,S. Hegazy 等在2000 年建立了一个94 自由度的整车非线性动力学模型,并以此模型分析车辆在双移线车道行驶中的瞬态特性,并取得了较好的效果。汽车的非线性特性主要由悬架系统非线性、轮胎非线性特性、转向系的非线性以及车辆惯性运动的非线性等引起的。完全考虑这些非线性特性是不现实的,在建模时可以根据具体研究的内容忽略一些非线性特性以简化模型[26]。
膜片弹簧离合器及操纵系统多体动力学
国内研究情况
虚拟样机设计的建模技术现在已经被广泛应用于机电产品的设计之中，相关的文献可以找到很多，也有汽车离合器设计方面的文献。但是，多体系统动力学研究机电产品的应用情况则不同。由于多体系统动力学的应用是基于计算机技术，并且需要有一些专门的软件，到20世纪90年代以后，国内才开始应用于实际工程之中。从检索到的资料看，基于多体系统动力学的虚拟样机分析技术应用于汽车离合器系统的很少，只能检索到[16，19，20]几个文献。而且，这几个文献所涉及的都只是汽车离合器总成的部分问题。没有对汽车离合器的各种性能、运动学、动力学问题进行全面分析。目前，国内解决多体系统动力学问题的软件多为ADAMS[16，19~24]，ADAMS是目前国内、外应用最为广泛的多体系统动力学分析软件之一，应用该软件可以进行虚拟样机的建立与分析等工作。目前，国内鲜有基于多体系统动力学的虚拟样机分析技术用于汽车离合器系统的原因，主要是国内几大汽车离合器生产制造商（（原为国有企业，目前或者引进了德、法、美、日、英等国公司技术，或者已经与这些公司合资））全部使用国外大公司的技术，而其它公司则多还沿用传统的设计方法。