ADAMS在汽车轮胎动力学研究的应用

韩俊平，叶 红

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205）

汽车轮胎与路面的相互作用，是汽车行驶的主要外力来源。汽车的正常行驶、制动以及转向等，都是通过滚动的轮胎完成的。轮胎的力学特性，对汽车的操纵性、舒适性、动力性以及安全性，起着极为重要的作用。

除此以外，在轮胎的具体设计中，汽车轮胎的物理力学特性恰恰正是优化轮胎设计、提高轮胎性能的根本依据。由此可见，对轮胎力学特性进行研究，具有重大的现实意义和广阔的应用前景。

1 轮胎力学特性的研究方法

总的来说，目前轮胎力学特性的研究方法，主要包括理论研究和试验研究。

理论研究，是在进行过简化之后的物理模型的基础之上建立起来的一种对轮胎力学特性的数学描述，即理论模型。理论模型可以对不同工况下轮胎的力学特性进行分析，但理论模型为了精确表达轮胎各种工况时的力学特性，往往使用了较多的参数，这就增大了参数辨识与试验验证的难度，因此在实际车辆动力学研究中并不被广泛采用[1]。

试验研究，则是通过试验测量轮胎在一定工况下的试验数据，对试验数据进行拟合，得到一定形式的轮胎力学特性经验表达式，即经验模型。试验通过专用的试验台架进行，模拟出轮胎的各种行驶条件，进而预测轮胎的工作情况。经验模型只用一套公式就能够表达纯工况下轮胎的力学特性，力学特性的描述准确简洁，非常适合应用于汽车动力学研究。

2 虚拟样机技术的发展及ADAMS软件简介

虚拟样机技术，是当前机械设计领域的一种新方法，是系统动力学等学科的延伸发展，其利用软件进行机械系统的建模，通过系统仿真，可以对系统的性能进行分析和评估，从而为进行物理样机的详细设计提供参考数据。

虚拟样机技术与传统的设计技术相比，非常突出的特点就在于其特别强调系统的观点，可以低成本地进行产品的全方位测试和评估。基于虚拟样机技术来进行设计时，可以很方便地在计算机上修改设计错误或缺陷，反复试验不同的拟定设计方案，从中挑选出最优设计方案，从而达到对整个系统进行持续改进和不断优化，缩短产品开发周期，降低试验成本，提高产品品质[2]。

对汽车行业来讲，采用虚拟样机技术建立整个车辆的数字化仿真模型，将整个车辆作为一个系统来进行分析和研究，就能够发现部件结构参数与整车性能之间关系的本质规律[3]。在某种车型的实体样机出现之前，便可实现对该车型整体性能的预测，并且在该车型的具体设计过程之中，还可以通过设计参数反复进行零部件仿真，从而进一步很方便地达到对整车和零部件性能进行改进和优化的目的。

ADAMS软件是由美国MDI公司开发的一款用于虚拟样机分析的成熟软件，目前已经为数以百计的世界主要大型制造商所采用。ADAMS软件是全球CAE领域中实际运用最为广泛的机械系统仿真工具软件，是一款融合建模、求解、可视化等技术于一体的仿真分析软件。

ADAMS软件可以通过建立逼真的“功能化数字样机”来模拟实际工作条件下机械系统的运动情况，从而帮助设计人员较快地从多种设计方案中，挑选出最优设计方案。在具体实践中，对于工程设计人员来说，既可以利用ADAMS软件建立虚拟样机进行机械系统的力学分析，又可以将其作为一种分析开发工具，来进行虚拟样机分析的二次开发。

图1 ADAMS的启动界面

3 汽车轮胎模型与ADAMS软件联接过程的实现

在ADAMS这个软件中，对汽车轮胎与路面之间的相互作用的研究，是在ADAMS/Tire这个模块进行的。利用ADAMS软件这个模块，用户能够很方便地进行汽车轮胎纵向力等由于路面而产生的各种力的计算。与ADAMS/Car等模块结合，装备不同轮胎的整车，可以在各种不同路面条件下，进行多组道路试验，很方便计算汽车的回转、仰俯和侧倾特性。ADAMS/Tire输出的力和加速度数据，可以作为有限元软件包的输入载荷，进行相应的应力和疲劳特性研究。

在ADAMS/Tire这个模块，集成了一些经典的轮胎模型，这其中包括用于汽车操纵稳定性仿真分析的魔术模型，及用于汽车耐久性仿真分析的FTire模型。

此外，ADAMS这个软件，还支持用户自己定义汽车轮胎模型。不同汽车轮胎模型的数据要求、仿真结果数据输出和模型精度，也很难完全一致，然而汽车轮胎模型的建模精度，对汽车整车建模精度有着直接影响。因此，对于汽车轮胎模型的选择，必须与具体的仿真要求相一致。

比如说，如果在平整路面上进行汽车操作性能方面的研究，那所有的ADAMS软件支持的汽车轮胎模型，都拥有足够的精度；如果在崎岖路面上进行操作性方面的分析，就必须使用具备三维路面交换接触关系的汽车轮胎模型，例如FTire模型。

图2 ADAMS/Tire模块的使用流程

要实现汽车轮胎模型与ADAMS软件的联接，就必须选择合适的轮胎力学模型，了解ADAMS软件为汽车轮胎模型的嵌入所预留的接口规范，熟悉ADAMS软件对汽车轮胎模型的调用过程，然后再来编写联接所需的程序。

联接的基本过程包括：在某一仿真时刻，从汽车轮胎模型的接口中获取汽车轮胎模型的当前使用参数，并将这些参数传输到汽车轮胎模型进行解析计算，然后将汽车轮胎模型输出的力和力矩等力学要素，通过轮胎接口传回到ADAMS软件，来计算下一仿真时刻的运动参数，最后通过对分析仿真结果分析，来评估轮胎模型与实际情况的吻合程度。

图3 联接过程示意图

4 汽车整车仿真

汽车整车仿真是指在ADAMS这个软件中，使用完整的汽车模型进行一系列的动力学仿真分析。只不过在ADAMS软件中进行整车时，汽车整车模型是行驶在虚拟路面之上，汽车整车模型的控制，也是用驱动器来实现的。

在ADAMS软件中，除了可以进行汽车模型一系列的标准试验，还可以轻松实现那些现实中难以进行的或者是具有相当危险性的试验。

图4 汽车整车仿真的般步骤

使用ADAMS软件进行汽车整车仿真，可以对汽车整车模型进行包括汽车操作稳定性以及转弯平顺性等一系列汽车动力学仿真研究，并得到各种工况下操作特性曲线图[4]。

根据仿真结果，用户除了可以很方便地对整车子系统中部件进行修改，还能够通过更换子系统的类型，来观察其对汽车整车性能的影响程度。

在ADAMS软件中，汽车整车仿真又分为标准仿真和自定义仿真两类。用户如果要进行标准仿真，只需要在对应的软件界面上输入各种参数即可。如轮胎使用参数和路面信息等，因为其试验方法都是已经规定好的。用户如果要进行自定义仿真，则必须通过驱动控制文件和参数文件，将试验条件和方法等都进行自行定义。

5 结束语

对于汽车轮胎的开发过程而言，利用ADAMS软件进行模拟仿真实验，能减少设计过程中试制试验的轮次，在研究过程中若采用具有预测能力的汽车轮胎模型，就必定能够从较少的试验数据中，获取对汽车轮胎力学特性准确全面的描述，从而达到降低轮胎试验成本，并优化轮胎设计的目的。

[1]郭孔辉，金凌鸽，等.统一轮胎模型在车辆动力学仿真中的应用[J].吉林大学学报，2009，（39）：241-245.

[2]周学建，周志立，等.车辆动力学仿真中的轮胎数学模型研究现状[J].拖拉机与农用运输车，2002，（1）：8-11.

[3]王和毅，谷正气，等.汽车轮胎模型研究现状及其发展分析[J].橡胶工业，2005，（52）：58-63.

[4]刘 青，郭孔辉.轮胎动态试验系统开发初论[J].兵工学报，1999，（20）：357-360.