基于ADAMS的摩托车虚拟样机仿真平台开发*

杨冬香，王建生，康献民

（五邑大学机电工程学院，广东江门 529020）

基于ADAMS的摩托车虚拟样机仿真平台开发*

杨冬香，王建生，康献民

（五邑大学机电工程学院，广东江门 529020）

针对摩托车虚拟样机建模过程中装配关系复杂、而利用成型的CAD软件建模装配后导入又不能实现参数化，从而难以进行优化设计的缺点，基于ADAMS软件，对摩托车虚拟样机仿真分析平台的建立进行了研究。此平台不仅可实现摩托车各零部件间以及摩托车与路面等的自动装配，同时也实现了参数化的建模。最后通过某款150型摩托车的虚拟样机模型的创建，验证了本平台的有效性。此平台的创建可促进虚拟样机技术在摩托车行业的应用，从而提高国内摩托车的动力学性能。

摩托车；虚拟样机平台；ADAMS

0 引言

摩托车行业是我国支柱产业之一，据统计，我国摩托车行业从业人员达400万，连续15年蝉联世界第一大摩托车生产和消费国[1]。但是，近年来国内摩托车行业却呈现不景气的状态，在国际市场上处于量多价低的低端产品形象[2]。同时，受人力、原材料等成本提高的影响，低廉的价格已使摩托车生产企业获利越来越少，很多小型厂家只能面临或已经选择倒闭的境地。

究其原因，主要是由于摩托车整车产品空间结构相对比较复杂，而大部分摩托车生产商缺乏有效的研究手段来对摩托车整车性能进行分析预测和再设计[3]，因此生产出的产品整车性能难以满足国际市场上高端消费的要求，只能转而生产满足低端生活所需的产品。

在摩托车行业，大部分生产商还延续着传统的“设计—物理样机试验—再设计”的设计流程，设计周期长、成本高，大部分摩托车生产商难以承受[4]，而且也难以对整车性能进行有效预测。因此，摩托车行业目前急需一种新的设计手段来提高整车性能，改善此行业目前的困局。虚拟样机设计技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计，恰好符合摩托车行业目前的需求。

目前已有一些科研院所如重庆大学[4]等对虚拟样机技术在摩托车行业的应用进行了初步研究，但是由于企业缺乏相关的技术人员，在企业的应用还难以推广。本文拟从促进虚拟样机技术在摩托车行业的应用，提高摩托车行业产品性能的目的出发，运用目前常用虚拟样机设计软件MSC. ADAMS的二次开发技术[5-10]，建立基于MSC.AD⁃AMS的摩托车虚拟样机动力学仿真分析平台。通过此平台，用户通过输入简单的关键参数，即可建立摩托车不同车型虚拟样机模型用于分析。

1 平台界面的定制

摩托车虚拟样机设计平台主要由以下五大设置模块组成：模型设置模块、车架参数设置模块、质心参数设置模块、悬挂参数设置模块、轮胎参数设置模块。此外由ADAMS/View软件定制相应的用户子菜单，具体如图1、2所示。

图1 菜单框架图

图2 平台菜单

菜单实现部分程序代码如下：

NAME=point coordinates

HELP=Read point coordinates

CMD=int dia disp dia=

.gui.point_coordinates

同时，为了方便后续的优化设计过程，本平台建立了一系列变量来定义摩托车动力学模型中的关键参数，实现参数化的建模技术。有关程序示例如下：

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

摩托车的各个模块的开发均可以通过将相关程序写入CMD文件中，得以实现各个建模过程。在程序中建立诸多如管件的直径、内径、阻尼器的刚度系数、板件的厚度、阻尼系数等关键变量以实现对摩托车的相关几何形状或动力学参数如质量信息、质心坐标、转动惯量、轮胎的质量等做出相应的修改。所有的信息包含于CMD文件。

ADAMS/View的界面相关数据以层次结构存储在.gui的数据库当中，利用数据库的树状图结构可以很清晰的管理相关的界面对象，在树状图上最顶端的为窗口和对话框。ADAMS/View的对话框包括相应的界面对象，如Label标签、Field数据区和Button按钮等。用户可以同样通过对话框编辑器来建立自己所需要的对话框，键入自己的执行命令来完成所需工作。当用户选择Motor一级菜单时，会自动下拉二级菜单，通过点击具体的建模子菜单从而出现本设计的对话框，通过键入相关的变量数据，点确定运行程序后，就会自动建立摩托车各构件模型，添加相关约束，从而重新生成摩托车的虚拟样机模型。图3示例为摩托车各构件质心坐标信息输入对话框。

2 摩托车动力学模型建立

本文以某款150型摩托车为例，其虚拟样机模型利用ADAMS的二次开发，编写CMD文件来完成几何建模的过程。在建模的过程中，摩托车的发动机、油箱等部件外形结构过于复杂，因此采用点质量来代替，几何模型简化为立方体。同时，为了使其与真实模型相符，菜单中增加了可以设置质心坐标等的功能，通过键入各个构件真实的质心坐标来使其接近真实的摩托车整车结构。摩托车的装配虚拟样机模型如图4所示。

图3 对话框示例（质心坐标）

图4 摩托车装配虚拟样机模型

以下以前悬挂的几何建模为例展示部分程序代码如下：

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

由于其中加入了诸多变量，因此实现了模型的参数化。

为建立起各构件间的联系，本平台采用程序实现了各构件间运动副的添加。主要的运动副介绍如下：摩托车的前减震器的上下部分通过移动副连接(Translation Joints)。前减震器的下部分与车架之间通过固定副连接(Fixed Joint)。人体与车车架采用固定副连接(Fixed Joint)。摩托车发动机通过衬套(Bushing)与车架之间连接。后悬挂与车架之间采用转动副连接(Revolute Joint)，后悬挂与摇架之间采用转动副连接(Revolute Joint)。建立起的摩托车运动学模型如图5。

图5 摩托车运动学模型

在运动学模型建立的基础上，本文继续将动力学模型建立所需参数如质量参数、力学特征参数、外界参数在程序中进行添加。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

此程序段即将质心坐标对话框中输入的质点CM2相关变量作为PART_2的质心坐标。

在本平台中，在摩托车的前后减震器采用ADAMS中的Spring-Damper来模拟，用BUSHING来模拟发动机隔振衬套。而发动机作用在后轮上的驱动力矩简化为Motion1，旋转运动副。为了使该驱动力矩能够模拟真实驱动力矩，采用阶跃函数step来定义驱动力矩值，因篇幅所限，其建立程序不再详细叙述。

此后，本平台在程序中调用了ADAMS软件自带的轮胎和路面文件，建立了动力学模型所需外界参数，具体所采用程序如下所示：

3 平台仿真运行实验

上文中详细介绍到了本平台摩托车的动力学建模和几何建模过程，通过向系统添加约束、驱动力矩、轮胎、路面文件等，一切都为虚拟仿真运行做好铺垫。平台试验中，摩托车以40 km/h经过国家B级路面，Motion1采用了STEP渐进函数，该函数使得后轮在3 s的过程中由静止增加到40 km/h，之后整车保持匀速运行。本实验所选取的路面文件为ADAMS自带的随机不平路面。通过单击ADAMS的虚拟运行按钮后，整车能够顺利在路面的激励下运行起来。

为了表明该平台能够顺利运行，特选取座位部位的仿真运行结果曲线图，该曲线图如图6所示。

4 总结

虚拟样机技术是一种新型的设计手段。通过MSC.ADAMS软件的二次开发功能，本文建立起摩托车整车虚拟样机动力学仿真分析平台。通过此平台，摩托车企业技术人员只需输入简单的关键参数就能进行虚拟样机模型的建立，从而进一步进行分析-优化的过程。此平台的完善与应用可大大降低技术人员对这一新设计手段的掌握难度，加速虚拟样机技术在摩托车行业的应用，从而缩短国内摩托车产品开发周期，降低开发成本，并大幅度提高其整车性能，具有很好的应用价值与前景。

图6 手把部位在40 km/h的垂向振动加速度曲线

［1］王建生，吴勇华，康献民，等.广东省摩托车产业技术路线图［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］王法林.中国摩托车产品出口形势分析［J］.摩托车技术，2009（10）：41-45.

［3］何孔德，何玉林，杜静，等.基于ADAMS的摩托车参数化虚拟样机建模技术［J］.重庆大学学报：自然科学版，2005，28（10）：1-4.

［4］严存峰.跨骑式125型摩托车虚拟样机设计［D］.江门：五邑大学，2005.

［5］薛运锋，石明全.基于ADAMS的列车系统参数化建模的二次开发研究［J］.铁道机车车辆，2006，26（03）：30-33.

［6］聂勇军，廖启征，薛运锋.基于ADAMS的高速列车动力学性能仿真研究［J］.机电工程技术，2012（8）：58-60

［7］于伟，杨雷，关小冬，等.MSC.Adams/View二次开发技术在航天器太阳翼展开过程动力学分析中的应用［J］.计算机辅助工程，2006，15（增刊）：12-14.

［8］张氢，卢耀祖，高顺平，等.基于知识的产品级参数化虚拟设计的可重用性研究［J］.中国机械工程，2003（20）：1753-1756.

［9］赵澎，龚友平，胡杭民.面向离合器大批量定制的虚拟设计仿真平台研究［J］.机电工程，2013（4）：417-421.

［10］李妮，刘杰，彭晓源.数据库技术在动力学虚拟样机中的应用［J］.系统仿真学报，2003（06）：887-890.

［11］纪玉杰，杨强，孙志礼，等.应用C语言编写AD⁃AMS用户自定义函数的研究［J］.机械设计与制造，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

杨冬香，女，1982年生，湖南长沙人，硕士研究生，讲师。研究领域：虚拟样机技术、数控技术。

(编辑：阮毅)

*江门市科技计划资助项目（江财工[2010]210号）；广东省高校工程技术研究中心建设项目（GCZX-A1008）

2014－03－06