楊冬香，王建生，康獻(xiàn)民

（五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門 529020）

基于ADAMS的摩托車虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)*

楊冬香，王建生，康獻(xiàn)民

（五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門 529020）

針對(duì)摩托車虛擬樣機(jī)建模過(guò)程中裝配關(guān)系復(fù)雜、而利用成型的CAD軟件建模裝配后導(dǎo)入又不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，從而難以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，基于ADAMS軟件，對(duì)摩托車虛擬樣機(jī)仿真分析平臺(tái)的建立進(jìn)行了研究。此平臺(tái)不僅可實(shí)現(xiàn)摩托車各零部件間以及摩托車與路面等的自動(dòng)裝配，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化的建模。最后通過(guò)某款150型摩托車的虛擬樣機(jī)模型的創(chuàng)建，驗(yàn)證了本平臺(tái)的有效性。此平臺(tái)的創(chuàng)建可促進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)在摩托車行業(yè)的應(yīng)用，從而提高國(guó)內(nèi)摩托車的動(dòng)力學(xué)性能。

摩托車；虛擬樣機(jī)平臺(tái)；ADAMS

0 引言

摩托車行業(yè)是我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)摩托車行業(yè)從業(yè)人員達(dá)400萬(wàn)，連續(xù)15年蟬聯(lián)世界第一大摩托車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)[1]。但是，近年來(lái)國(guó)內(nèi)摩托車行業(yè)卻呈現(xiàn)不景氣的狀態(tài)，在國(guó)際市場(chǎng)上處于量多價(jià)低的低端產(chǎn)品形象[2]。同時(shí)，受人力、原材料等成本提高的影響，低廉的價(jià)格已使摩托車生產(chǎn)企業(yè)獲利越來(lái)越少，很多小型廠家只能面臨或已經(jīng)選擇倒閉的境地。

究其原因，主要是由于摩托車整車產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而大部分摩托車生產(chǎn)商缺乏有效的研究手段來(lái)對(duì)摩托車整車性能進(jìn)行分析預(yù)測(cè)和再設(shè)計(jì)[3]，因此生產(chǎn)出的產(chǎn)品整車性能難以滿足國(guó)際市場(chǎng)上高端消費(fèi)的要求，只能轉(zhuǎn)而生產(chǎn)滿足低端生活所需的產(chǎn)品。

在摩托車行業(yè)，大部分生產(chǎn)商還延續(xù)著傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—物理樣機(jī)試驗(yàn)—再設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高，大部分摩托車生產(chǎn)商難以承受[4]，而且也難以對(duì)整車性能進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。因此，摩托車行業(yè)目前急需一種新的設(shè)計(jì)手段來(lái)提高整車性能，改善此行業(yè)目前的困局。虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，支持對(duì)產(chǎn)品的全方位測(cè)試，分析與評(píng)估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)，恰好符合摩托車行業(yè)目前的需求。

目前已有一些科研院所如重慶大學(xué)[4]等對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)在摩托車行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，但是由于企業(yè)缺乏相關(guān)的技術(shù)人員，在企業(yè)的應(yīng)用還難以推廣。本文擬從促進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)在摩托車行業(yè)的應(yīng)用，提高摩托車行業(yè)產(chǎn)品性能的目的出發(fā)，運(yùn)用目前常用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)軟件MSC. ADAMS的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)[5-10]，建立基于MSC.AD?AMS的摩托車虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析平臺(tái)。通過(guò)此平臺(tái)，用戶通過(guò)輸入簡(jiǎn)單的關(guān)鍵參數(shù)，即可建立摩托車不同車型虛擬樣機(jī)模型用于分析。

1 平臺(tái)界面的定制

摩托車虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)主要由以下五大設(shè)置模塊組成：模型設(shè)置模塊、車架參數(shù)設(shè)置模塊、質(zhì)心參數(shù)設(shè)置模塊、懸掛參數(shù)設(shè)置模塊、輪胎參數(shù)設(shè)置模塊。此外由ADAMS/View軟件定制相應(yīng)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(tái)菜單

菜單實(shí)現(xiàn)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(shí)，為了方便后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，本平臺(tái)建立了一系列變量來(lái)定義摩托車動(dòng)力學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的建模技術(shù)。有關(guān)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(gè)模塊的開(kāi)發(fā)均可以通過(guò)將相關(guān)程序?qū)懭隒MD文件中，得以實(shí)現(xiàn)各個(gè)建模過(guò)程。在程序中建立諸多如管件的直徑、內(nèi)徑、阻尼器的剛度系數(shù)、板件的厚度、阻尼系數(shù)等關(guān)鍵變量以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩托車的相關(guān)幾何形狀或動(dòng)力學(xué)參數(shù)如質(zhì)量信息、質(zhì)心坐標(biāo)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輪胎的質(zhì)量等做出相應(yīng)的修改。所有的信息包含于CMD文件。

ADAMS/View的界面相關(guān)數(shù)據(jù)以層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在.gui的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，利用數(shù)據(jù)庫(kù)的樹(shù)狀圖結(jié)構(gòu)可以很清晰的管理相關(guān)的界面對(duì)象，在樹(shù)狀圖上最頂端的為窗口和對(duì)話框。ADAMS/View的對(duì)話框包括相應(yīng)的界面對(duì)象，如Label標(biāo)簽、Field數(shù)據(jù)區(qū)和Button按鈕等。用戶可以同樣通過(guò)對(duì)話框編輯器來(lái)建立自己所需要的對(duì)話框，鍵入自己的執(zhí)行命令來(lái)完成所需工作。當(dāng)用戶選擇Motor一級(jí)菜單時(shí)，會(huì)自動(dòng)下拉二級(jí)菜單，通過(guò)點(diǎn)擊具體的建模子菜單從而出現(xiàn)本設(shè)計(jì)的對(duì)話框，通過(guò)鍵入相關(guān)的變量數(shù)據(jù)，點(diǎn)確定運(yùn)行程序后，就會(huì)自動(dòng)建立摩托車各構(gòu)件模型，添加相關(guān)約束，從而重新生成摩托車的虛擬樣機(jī)模型。圖3示例為摩托車各構(gòu)件質(zhì)心坐標(biāo)信息輸入對(duì)話框。

2 摩托車動(dòng)力學(xué)模型建立

本文以某款150型摩托車為例，其虛擬樣機(jī)模型利用ADAMS的二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)CMD文件來(lái)完成幾何建模的過(guò)程。在建模的過(guò)程中，摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱等部件外形結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，因此采用點(diǎn)質(zhì)量來(lái)代替，幾何模型簡(jiǎn)化為立方體。同時(shí)，為了使其與真實(shí)模型相符，菜單中增加了可以設(shè)置質(zhì)心坐標(biāo)等的功能，通過(guò)鍵入各個(gè)構(gòu)件真實(shí)的質(zhì)心坐標(biāo)來(lái)使其接近真實(shí)的摩托車整車結(jié)構(gòu)。摩托車的裝配虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

圖3 對(duì)話框示例（質(zhì)心坐標(biāo)）

圖4 摩托車裝配虛擬樣機(jī)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(shí)現(xiàn)了模型的參數(shù)化。

為建立起各構(gòu)件間的聯(lián)系，本平臺(tái)采用程序?qū)崿F(xiàn)了各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副的添加。主要的運(yùn)動(dòng)副介紹如下：摩托車的前減震器的上下部分通過(guò)移動(dòng)副連接(Translation Joints)。前減震器的下部分與車架之間通過(guò)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(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)襯套(Bushing)與車架之間連接。后懸掛與車架之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接(Revolute Joint)，后懸掛與搖架之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接(Revolute Joint)。建立起的摩托車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖5。

圖5 摩托車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)上，本文繼續(xù)將動(dòng)力學(xué)模型建立所需參數(shù)如質(zhì)量參數(shù)、力學(xué)特征參數(shù)、外界參數(shù)在程序中進(jìn)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(zhì)心坐標(biāo)對(duì)話框中輸入的質(zhì)點(diǎn)CM2相關(guān)變量作為PART_2的質(zhì)心坐標(biāo)。

在本平臺(tái)中，在摩托車的前后減震器采用ADAMS中的Spring-Damper來(lái)模擬，用BUSHING來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)隔振襯套。而發(fā)動(dòng)機(jī)作用在后輪上的驅(qū)動(dòng)力矩簡(jiǎn)化為Motion1，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。為了使該驅(qū)動(dòng)力矩能夠模擬真實(shí)驅(qū)動(dòng)力矩，采用階躍函數(shù)step來(lái)定義驅(qū)動(dòng)力矩值，因篇幅所限，其建立程序不再詳細(xì)敘述。

此后，本平臺(tái)在程序中調(diào)用了ADAMS軟件自帶的輪胎和路面文件，建立了動(dòng)力學(xué)模型所需外界參數(shù)，具體所采用程序如下所示：

3 平臺(tái)仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

上文中詳細(xì)介紹到了本平臺(tái)摩托車的動(dòng)力學(xué)建模和幾何建模過(guò)程，通過(guò)向系統(tǒng)添加約束、驅(qū)動(dòng)力矩、輪胎、路面文件等，一切都為虛擬仿真運(yùn)行做好鋪墊。平臺(tái)試驗(yàn)中，摩托車以40 km/h經(jīng)過(guò)國(guó)家B級(jí)路面，Motion1采用了STEP漸進(jìn)函數(shù)，該函數(shù)使得后輪在3 s的過(guò)程中由靜止增加到40 km/h，之后整車保持勻速運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)所選取的路面文件為ADAMS自帶的隨機(jī)不平路面。通過(guò)單擊ADAMS的虛擬運(yùn)行按鈕后，整車能夠順利在路面的激勵(lì)下運(yùn)行起來(lái)。

為了表明該平臺(tái)能夠順利運(yùn)行，特選取座位部位的仿真運(yùn)行結(jié)果曲線圖，該曲線圖如圖6所示。

4 總結(jié)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新型的設(shè)計(jì)手段。通過(guò)MSC.ADAMS軟件的二次開(kāi)發(fā)功能，本文建立起摩托車整車虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析平臺(tái)。通過(guò)此平臺(tái)，摩托車企業(yè)技術(shù)人員只需輸入簡(jiǎn)單的關(guān)鍵參數(shù)就能進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型的建立，從而進(jìn)一步進(jìn)行分析-優(yōu)化的過(guò)程。此平臺(tái)的完善與應(yīng)用可大大降低技術(shù)人員對(duì)這一新設(shè)計(jì)手段的掌握難度，加速虛擬樣機(jī)技術(shù)在摩托車行業(yè)的應(yīng)用，從而縮短國(guó)內(nèi)摩托車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，并大幅度提高其整車性能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值與前景。

圖6 手把部位在40 km/h的垂向振動(dòng)加速度曲線

［1］王建生，吳勇華，康獻(xiàn)民，等.廣東省摩托車產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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［3］何孔德，何玉林，杜靜，等.基于ADAMS的摩托車參數(shù)化虛擬樣機(jī)建模技術(shù)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，28（10）：1-4.

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［8］張氫，盧耀祖，高順平，等.基于知識(shí)的產(chǎn)品級(jí)參數(shù)化虛擬設(shè)計(jì)的可重用性研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003（20）：1753-1756.

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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(zhǎng)沙人，碩士研究生，講師。研究領(lǐng)域：虛擬樣機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)。

(編輯：阮毅)

*江門市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（江財(cái)工[2010]210號(hào)）；廣東省高校工程技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目（GCZX-A1008）

2014－03－06