基于ADAMS的摩托車虛擬樣機仿真平臺開發*

楊冬香，王建生，康獻民

（五邑大學機電工程學院，廣東江門 529020）

基于ADAMS的摩托車虛擬樣機仿真平臺開發*

楊冬香，王建生，康獻民

（五邑大學機電工程學院，廣東江門 529020）

針對摩托車虛擬樣機建模過程中裝配關系復雜、而利用成型的CAD軟件建模裝配后導入又不能實現參數化，從而難以進行優化設計的缺點，基于ADAMS軟件，對摩托車虛擬樣機仿真分析平臺的建立進行了研究。此平臺不僅可實現摩托車各零部件間以及摩托車與路面等的自動裝配，同時也實現了參數化的建模。最后通過某款150型摩托車的虛擬樣機模型的創建，驗證了本平臺的有效性。此平臺的創建可促進虛擬樣機技術在摩托車行業的應用，從而提高國內摩托車的動力學性能。

摩托車；虛擬樣機平臺；ADAMS

0 引言

摩托車行業是我國支柱產業之一，據統計，我國摩托車行業從業人員達400萬，連續15年蟬聯世界第一大摩托車生產和消費國[1]。但是，近年來國內摩托車行業卻呈現不景氣的狀態，在國際市場上處于量多價低的低端產品形象[2]。同時，受人力、原材料等成本提高的影響，低廉的價格已使摩托車生產企業獲利越來越少，很多小型廠家只能面臨或已經選擇倒閉的境地。

究其原因，主要是由于摩托車整車產品空間結構相對比較復雜，而大部分摩托車生產商缺乏有效的研究手段來對摩托車整車性能進行分析預測和再設計[3]，因此生產出的產品整車性能難以滿足國際市場上高端消費的要求，只能轉而生產滿足低端生活所需的產品。

在摩托車行業，大部分生產商還延續著傳統的“設計—物理樣機試驗—再設計”的設計流程，設計周期長、成本高，大部分摩托車生產商難以承受[4]，而且也難以對整車性能進行有效預測。因此，摩托車行業目前急需一種新的設計手段來提高整車性能，改善此行業目前的困局。虛擬樣機設計技術是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，與傳統產品設計技術相比，虛擬樣機技術強調系統的觀點，支持對產品的全方位測試，分析與評估，強調不同領域的虛擬化的協同設計，恰好符合摩托車行業目前的需求。

目前已有一些科研院所如重慶大學[4]等對虛擬樣機技術在摩托車行業的應用進行了初步研究，但是由于企業缺乏相關的技術人員，在企業的應用還難以推廣。本文擬從促進虛擬樣機技術在摩托車行業的應用，提高摩托車行業產品性能的目的出發，運用目前常用虛擬樣機設計軟件MSC. ADAMS的二次開發技術[5-10]，建立基于MSC.AD?AMS的摩托車虛擬樣機動力學仿真分析平臺。通過此平臺，用戶通過輸入簡單的關鍵參數，即可建立摩托車不同車型虛擬樣機模型用于分析。

1 平臺界面的定制

摩托車虛擬樣機設計平臺主要由以下五大設置模塊組成：模型設置模塊、車架參數設置模塊、質心參數設置模塊、懸掛參數設置模塊、輪胎參數設置模塊。此外由ADAMS/View軟件定制相應的用戶子菜單，具體如圖1、2所示。

圖1 菜單框架圖

圖2 平臺菜單

菜單實現部分程序代碼如下：

NAME=point coordinates

HELP=Read point coordinates

CMD=int dia disp dia=

.gui.point_coordinates

同時，為了方便后續的優化設計過程，本平臺建立了一系列變量來定義摩托車動力學模型中的關鍵參數，實現參數化的建模技術。有關程序示例如下：

variable create&

variable_name=.model_1.DV_39 & units= "no_units"&

range=-50.0，50.0&

use_allowed_values=no&

delta_type=relative&

real_value=-323.76

摩托車的各個模塊的開發均可以通過將相關程序寫入CMD文件中，得以實現各個建模過程。在程序中建立諸多如管件的直徑、內徑、阻尼器的剛度系數、板件的厚度、阻尼系數等關鍵變量以實現對摩托車的相關幾何形狀或動力學參數如質量信息、質心坐標、轉動慣量、輪胎的質量等做出相應的修改。所有的信息包含于CMD文件。

ADAMS/View的界面相關數據以層次結構存儲在.gui的數據庫當中，利用數據庫的樹狀圖結構可以很清晰的管理相關的界面對象，在樹狀圖上最頂端的為窗口和對話框。ADAMS/View的對話框包括相應的界面對象，如Label標簽、Field數據區和Button按鈕等。用戶可以同樣通過對話框編輯器來建立自己所需要的對話框，鍵入自己的執行命令來完成所需工作。當用戶選擇Motor一級菜單時，會自動下拉二級菜單，通過點擊具體的建模子菜單從而出現本設計的對話框，通過鍵入相關的變量數據，點確定運行程序后，就會自動建立摩托車各構件模型，添加相關約束，從而重新生成摩托車的虛擬樣機模型。圖3示例為摩托車各構件質心坐標信息輸入對話框。

2 摩托車動力學模型建立

本文以某款150型摩托車為例，其虛擬樣機模型利用ADAMS的二次開發，編寫CMD文件來完成幾何建模的過程。在建模的過程中，摩托車的發動機、油箱等部件外形結構過于復雜，因此采用點質量來代替，幾何模型簡化為立方體。同時，為了使其與真實模型相符，菜單中增加了可以設置質心坐標等的功能，通過鍵入各個構件真實的質心坐標來使其接近真實的摩托車整車結構。摩托車的裝配虛擬樣機模型如圖4所示。

圖3 對話框示例（質心坐標）

圖4 摩托車裝配虛擬樣機模型

以下以前懸掛的幾何建模為例展示部分程序代碼如下：

Part create rigid_body name_and_position part_name=.model_1.PART_10

Part modify rigid_body mass_properties part_name=.model_1.PART_10

material=.materials.steel

part attributes

part_name=.model_1.PART_10

color=Brown name_vis=off

marker create marker= .model_1.PART_10. MARKER_5&

location= (-1*(sqrt((DV_10)*(DV_10)/ 5.88))-395.85)， (-2.21*(sqrt((DV_10)*(DV_10)/ 5.88))-187.5)，(-1*(DV_8)/2)&

orientation=(ORI_ALONG_AXIS(POINT_3，POINT_113，"Z"))

geometry create shape cylinder&

cylinder_name=.model_1.PART_10.CYLIN?DER_5&

length=(DV_11)&

radius=(DV_12)&

angle=360.0d&

center_marker=MARKER_5

由于其中加入了諸多變量，因此實現了模型的參數化。

為建立起各構件間的聯系，本平臺采用程序實現了各構件間運動副的添加。主要的運動副介紹如下：摩托車的前減震器的上下部分通過移動副連接(Translation Joints)。前減震器的下部分與車架之間通過固定副連接(Fixed Joint)。人體與車車架采用固定副連接(Fixed Joint)。摩托車發動機通過襯套(Bushing)與車架之間連接。后懸掛與車架之間采用轉動副連接(Revolute Joint)，后懸掛與搖架之間采用轉動副連接(Revolute Joint)。建立起的摩托車運動學模型如圖5。

圖5 摩托車運動學模型

在運動學模型建立的基礎上，本文繼續將動力學模型建立所需參數如質量參數、力學特征參數、外界參數在程序中進行添加。如：

marker create marker=.model_1.PART_2.cm2&

location=(DV_24)，(DV_25)，(DV_26)&orien?tation=282.8306757734， 90.8407690675，94.3523656407&

part create rigid_body mass_properties part_name=.model_1.PART_2&

center_of_mass_marker=cm2

此程序段即將質心坐標對話框中輸入的質點CM2相關變量作為PART_2的質心坐標。

在本平臺中，在摩托車的前后減震器采用ADAMS中的Spring-Damper來模擬，用BUSHING來模擬發動機隔振襯套。而發動機作用在后輪上的驅動力矩簡化為Motion1，旋轉運動副。為了使該驅動力矩能夠模擬真實驅動力矩，采用階躍函數step來定義驅動力矩值，因篇幅所限，其建立程序不再詳細敘述。

此后，本平臺在程序中調用了ADAMS軟件自帶的輪胎和路面文件，建立了動力學模型所需外界參數，具體所采用程序如下所示：

3 平臺仿真運行實驗

上文中詳細介紹到了本平臺摩托車的動力學建模和幾何建模過程，通過向系統添加約束、驅動力矩、輪胎、路面文件等，一切都為虛擬仿真運行做好鋪墊。平臺試驗中，摩托車以40 km/h經過國家B級路面，Motion1采用了STEP漸進函數，該函數使得后輪在3 s的過程中由靜止增加到40 km/h，之后整車保持勻速運行。本實驗所選取的路面文件為ADAMS自帶的隨機不平路面。通過單擊ADAMS的虛擬運行按鈕后，整車能夠順利在路面的激勵下運行起來。

為了表明該平臺能夠順利運行，特選取座位部位的仿真運行結果曲線圖，該曲線圖如圖6所示。

4 總結

虛擬樣機技術是一種新型的設計手段。通過MSC.ADAMS軟件的二次開發功能，本文建立起摩托車整車虛擬樣機動力學仿真分析平臺。通過此平臺，摩托車企業技術人員只需輸入簡單的關鍵參數就能進行虛擬樣機模型的建立，從而進一步進行分析-優化的過程。此平臺的完善與應用可大大降低技術人員對這一新設計手段的掌握難度，加速虛擬樣機技術在摩托車行業的應用，從而縮短國內摩托車產品開發周期，降低開發成本，并大幅度提高其整車性能，具有很好的應用價值與前景。

圖6 手把部位在40 km/h的垂向振動加速度曲線

［1］王建生，吳勇華，康獻民，等.廣東省摩托車產業技術路線圖［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］王法林.中國摩托車產品出口形勢分析［J］.摩托車技術，2009（10）：41-45.

［3］何孔德，何玉林，杜靜，等.基于ADAMS的摩托車參數化虛擬樣機建模技術［J］.重慶大學學報：自然科學版，2005，28（10）：1-4.

［4］嚴存峰.跨騎式125型摩托車虛擬樣機設計［D］.江門：五邑大學，2005.

［5］薛運鋒，石明全.基于ADAMS的列車系統參數化建模的二次開發研究［J］.鐵道機車車輛，2006，26（03）：30-33.

［6］聶勇軍，廖啟征，薛運鋒.基于ADAMS的高速列車動力學性能仿真研究［J］.機電工程技術，2012（8）：58-60

［7］于偉，楊雷，關小冬，等.MSC.Adams/View二次開發技術在航天器太陽翼展開過程動力學分析中的應用［J］.計算機輔助工程，2006，15（增刊）：12-14.

［8］張氫，盧耀祖，高順平，等.基于知識的產品級參數化虛擬設計的可重用性研究［J］.中國機械工程，2003（20）：1753-1756.

［9］趙澎，龔友平，胡杭民.面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺研究［J］.機電工程，2013（4）：417-421.

［10］李妮，劉杰，彭曉源.數據庫技術在動力學虛擬樣機中的應用［J］.系統仿真學報，2003（06）：887-890.

［11］紀玉杰，楊強，孫志禮，等.應用C語言編寫AD?AMS用戶自定義函數的研究［J］.機械設計與制造，2006（1）：101-103.

Development of Virtual Prototype Simulation Platform for the Motorcycle Based on ADAMS

YANG Dong-xiang，WANG Jian-sheng，KANG Xian-min
（Mechanical Engineering Department，WuYi University，Jiangmen529020，China）

It is very complicated of the assembly during the virtual prototype modeling of the motorcycle，and the optimization design can’t execution when importing the model from other CAD software because it is not a parameterized model.Aiming at these shortages，the dynamic simulation analysis platform for the motorcycle virtual prototype based on ADAMS is studied in this paper.By this platform，the things that can be achieved is not only the automatic assembly of the simulation model，but also the parametric modeling.The effectiveness of the platform is validated by the building of a certain 150-type motorcycle virtual prototype model in the end of the paper. This platform can push the application of the virtual prototype technology in the motorcycle industry，and improve the dynamics performance of the internal motorcycle.

motorcycle；platform of virtual prototype；ADAMS

TP391.9

A

1009－9492(2014)09－0027－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.007

楊冬香，女，1982年生，湖南長沙人，碩士研究生，講師。研究領域：虛擬樣機技術、數控技術。

(編輯：阮毅)

*江門市科技計劃資助項目（江財工[2010]210號）；廣東省高校工程技術研究中心建設項目（GCZX-A1008）

2014－03－06