112-基于MSC.ADAMS的摩托车虚拟样机的振动分析

7
图 2 座椅处频率响应曲线
图 3 手柄处频率响应曲线
图 4 座椅处相频曲线
图 5 手柄处相频曲线
另外，利用 MSC.ADAMS 中的振动分析模块的后处理功能，可以得到摩托车虚拟样机 的模态信息，以及当系统在受迫振动的情况下，那一阶特征模态被激活。这一过程是按照公 式（5）计算的。
x (s) (sI A) 1 B
所关心的模态。 图 7 列出了当只有前轮和后轮输入时，第 7 到第 10 号模态对系统模型传递函数的绝对 贡献的幅值（座椅处加速度值）—频率曲线，可以看出，在整个频率范围类，第 8 阶模态对 人的影响微乎其微，但是第 10 阶模态却穿过很宽的频带，并且在 18Hz 到 20Hz 之间达到了 一个非常显著的峰值。并且后轮的幅值比前轮大的多。
关键词：摩托车，虚拟样机，振动分析。 Abstract: Based on Multi-Body Dynamic theory and vibration theory, using the virtual
prototyping technology to build the rigid dynamic model of HR125-9A motorcycle on the software platform of MSC.ADAMS, and, using the PostProcessor in MSC.ADAMS to simulate and study the vibration of the motorcycle.
3.摩托车虚拟样机模型振动仿真分析
用 MSC.ADAMS 中的振动分析模块，建立输入和输出通道。其中输入通道可以分为两 部分，第一部分是由于路面不平引起的，作用在前后车轮上，第二部分是由于发动机的运转 引起的。 输出通道我们主要关心的是人体对振动输入的响应， 其中主要包括坐垫和手柄处的 响应。MSC.ADAMS/Vibration 模块以状态空间方程的形式建立线性化的样机数学模型，表 示如式（1）所示：
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
基于 MSC.ADAMS 的摩托车虚拟样机的振动分析
肖雪飞 何天明
武汉理工大学
1
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
基于 MSC.ADAMS 的摩托车虚拟样机的振动分析 Vibration Analysis of Motorcycle Virtual Prototyping Based on MSC.ADAMA
3
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
在运用多体动力学理论建 立摩托车及其各总成的分 析模型时，需要依靠具体 总成的结构形式，在模型 中输各运动部件的相对位 置关系和相对角度。这些 关系决定了各运动部件之 间的空间运动关系。有了 几何的定位参数，就可以 建立运动学模型并分析其 运动特性。 摩托车及其总成的几 何特性参数，可以在摩托 车及其总成的装配图样上 直接查阅。应该注意的是，一个部件的相对连接位置，应在统一的整体坐标系中进行测量。 本文中的数据来自于该摩托车总成的 UG 装配图和各零件的图样。 质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、质心坐标系、关于质心坐标系的转动惯 量和惯性矩组成，另外为了减小模型的规模，只要在运动过程中具有相同运动轨迹，并且通 过特定连接（如固定连接）连接在一起的部件，把它视为一个部件。本文对各部件质量特性 参数的获取主要是通过 UGII 软件，对各实体模型进行计算得来。通过从图样和装配总成中 得来的数据， 可以建立虚拟样机三维外型， 然后对各部件赋予从 UGII 算来的质量特性参数， 用适当的约束把各部件连接起来，可以得到摩托车的虚拟样机模型。如图 1 所示。
6
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
计数据来设计物理样机，保证物理样机设计的一次成功。
参考文献
[1] 汽车理论 余志生 机械工业出版社 2002.10 [2] 汽车振动分析 靳晓雄 张立军 江 浩 同济大学出版社 2002.3 [3] 汽车工程手册——摩托车篇 机械工业出版社，2001 [4] MSC.ADAMS/Vibration Training Guide
肖雪飞 何天明 (武汉理工大学)
摘
要：本文基于多体动力学理论和振动理论，采用虚拟样机技术，应用 MSC.ADAMS
及 UGII 软件建立了 HR125-9A 型摩托车的多刚体动力学模型，并在该模型的基础上，研究 该摩托车的振动特性。首先，运用 MSC.ADAMS 的 Geometric Modeling 建立三维模型， 然后利用 UGII 软件，建立各部件的精确三维模型，算出各部件的质量特性参数，并且把这 些参数赋给 MSC.ADAMS 中相应的部件，利用 Joints 和 Forces 等工具，约束三维模型， 得到摩托车的虚拟样机。最后利用 MSC.ADAMS/PostProcessor 对虚拟样机进行分析。
（5）
图 6 显示了该样机系统的特征值和系统的固有频率，可以看出，前 1-4 号模态阻尼比为 1，此时系统处于临界阻尼状态因此特征方程具有两个相等的实根，而后的 5 到 16 号模态， 阻尼比都小于 1， 系统处于弱阻尼状态， 此时特征方程具有两个共扼的复根,这是我们工程中
5
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
2.摩托车虚拟样机模型的建立
摩托车振动的震源主要来自发动机的不平衡质量、 活塞往复惯性力所引起的振动， 和路 面不平所引起的振动，通过设计适当的前后悬架，改善发动机的性能，选择合适的发动机与 车架的结合方式，可以很大程度上优化摩托车的振动特性。 本文研究的对象为 HR125-9A 型摩托车，该车是一款上市不久的新车型，其发动机是直 接用螺栓刚性的固定在车架上， 发动机的振动将通过这些螺栓直接传递到车架上； 前减震器 采用 GS125.QJ 型， 前伸角为 27°； 后减震器采用 GN125.HJ 型。 前轮胎型号为 2.78-18-4PR， 后轮胎型号为 90/90-18。 首先建立该摩托车的动力学模型，本文在建立动力学模型时，做了如下假设： 1. 2. 车架、发动机关于车架纵向中间平面对称。 除了弹性元件和减震器外，其他部件都视为刚体。
x Ax Bu
y Cx Du
（1）

其中 u 由输入通道决定，y 由输出通道决定，而状态变量 x 由系统自动决定。如果要求系统 的频率响应，首先把线性化的模型表示如式（2） ：然后按照公式（3）求出系统的传递函数
4
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
H(s)，其中 s 是 Laplace 变量。而 I 是单位距阵，维数与系统的状态变量数相同。因此对于
Key words: Motorcycle, Virtual prototyping, Vibration anslysis.
2
2005 年 MSC.Software 中国用户论文集
1.概述
虚拟样机技术是指在产品的设计和开发过程中， 将分散的零部件设计和分析技术揉和在 一起， 在计算机上建立出产品的整体模型， 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真 分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。它具有模拟 样机数值仿真、缩短设计周期、降低设计成本、在物理样机产生之前预先评估设计作用和功 效，是现代机械设计系统和设计技术的经典所在。 虚拟样机技术已经广泛运用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、铁道工业等领域。 虚拟样机技术软件中比较有影响的是 MSC.Software 的 MSC.ADAMS， 比利时的 DADS 以及 德国航天局的 SIMPACK，其中 MSC.ADAMS 占据了该市场的 50%以上。 MSC.ADAMS 使用交互式图形环境和部件库、部件库、力库、用堆积木的方式建立三 维机械系统参数化模型，并通过对其运动特性的仿真分析和比较来研究“模拟样机”的可供 选择的设计方案。MSC.ADAMS 软件可用估计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、振动 分析以及计算有限元的载荷输入等。 MSC.ADAMS 的核心软件包包括交互式图形界面 MSC.ADAMS/View 和仿真求解器 MSC.ADAMS/Solver。本文主要运用 MSC.ADAMS 来进 行摩托车的振动仿真分析。
x (s) Ax (s) Bu (s)
y(s) Cx (s) Du (s)
（2）Leabharlann H(s) y(s) C(sI A) 1 B D u (s)
（3）
给定的振动分析，系统的频率响应表示如公式（4） 。
y(s) H(s)u (s)
（4）
图 2 为在 1~30Hz 内驾驶员质心处各值的幅频图。采用的双对数坐标。图 3 为左右手柄 处的加速度—频率曲线和驾驶员的加速度响应曲线。 图 4 为驾驶员频率响应的相位—频率曲 线。图 5 为手柄频率响应的相位—频率曲线。
图 6 系统的特征值与固有频率
后轮 图 7 模态期望 （频率—幅值）
前轮
4.小结
通过对摩托车的虚拟样机作振动分析，我们可以确定系统最活跃的模态和相应的激振 频率， 从而我们在设计摩托车时可以让发动机的激振频率尽量避开这些让摩托车振动强烈的 频率。 并且通过频率响应的振动分析， 可以量化的得到作用在驾驶者身上的振动加速度和振 动加速度出现峰值的频率，通过优化虚拟样机的有关参数，比如质心位置，弹簧的刚度和阻 尼等， 使作用在人身上的加速度值尽量保持在人舒适的加速度允许值以内， 使系统的固有频 率尽量避开人的固有频率， 提高摩托车的舒适性。 最后可以利用虚拟样机中的一些重要的设