基于ADAMS仿真的電動自行車的多體動力學分析

王 斌葉帥宏 阮 立許挺挺戴菲菲

(1、臺州市產品質量安全檢測研究院,浙江 臺州318000 2、臺州科技職業學院,浙江 臺州318020 3、臺州方圓質檢有限公司,浙江 臺州318000)

隨著電動自行車強制3C認證的關注度越來越高，廠家對電動自行車的性能提出了新的要求，目前電動自行車性能檢測標準GB 17761-2018《電動自行車安全技術規范》以實際道路為條件，對整車最大速度、續航里程、制動距離等動力學性能進行了規定[1,2]，這對廠家制造電動自行車的技術要求越來越高。為提升產品出廠質量，本文提出基于ADAMS的電動自行車多體動力學仿真方法，淺析電動自行車的機構仿真步驟，有著一定現實意義與價值。

1 多體動力學理論基礎與ADAMS建模

1.1 多體動力學理論基礎

電動自行車的整車最大速度、續航里程、制動距離等涉及到了多體動力學問題，其核心是建模問題和求解問題[3,4]。

1.2 目前常用的建模方法有拉格朗日法、完全笛卡爾法和笛卡爾法，具體如下：

采用相對坐標法來建模的拉格朗日法動力學控制方程為：

其中q為拉格朗日坐標陣，該方法方程數較少，但方程形式復雜。

采用絕對坐標法來建模的笛卡爾法動力學控制方程為：

其中q為位置坐標陣， λ為拉格朗日乘子， Φq為雅可比矩陣。該方法方程數雖多，但因其系數矩陣較稀疏使得建模簡單。

采用另一種絕對坐標法的完全笛卡爾法，因其其雅可比矩陣具有線性特征使得計算較方便。

1.3 目前常用的求解方法如下：

針對拉格朗日建模，其求解可采用數值與符號相結合的方法，其原理是基于代數符號來簡化計算模型，再通過數值方法得到模型解。也可以通過全數值方法求解式（1）。

針對笛卡爾法建模，其求解可根據拉格朗日乘子與位置坐標陣的處理差異，將方程轉化為：

結合給定的初始條件式（7）求解方程解。

針對完全笛卡爾法建模，目前也有多種求解方法。

1.4 ADAMS的理論基礎

多體動力學軟件ADAMS采用了拉格朗日方法來建模，來求解結構的加速度、速度和位移響應，整個系統采用了廣義坐標[5]：

為了分析結構在自由度為零下的結構響應參數，建立運動學約束方程：

根據式（9）和（10）得到：

運用牛頓-拉夫森迭代方法經過第j次迭代，得到tn時結構的速度、加速度和約束反力。

根據以上方程，進行求解，ADAMS的動力學方程即變為式（15）和式（16），ADAMS的動力學分析變成個式（15）和式（16）的求解，目前ADAMS采用了兩種算法：一種是積分求解程序，另一種是ABAM積分求解程序。

2 基于ADAMS仿真的電動自行車的多體動力學分析

2.1 電動自行車ADAMS模型建立

在電動自行車多體動力學研究過程中[6]，首先需要建立電動自行車三維模型，再導入到ADAMS軟件中，為了使得導入的模型具有一定的物理特性，為此準確設置結構的轉動慣量、質量和邊界條件，以期符合工程實際結果。

通過收集電動自行車的主要參數如下：

（1）產品尺寸參數。電動自行車結構模型相對復雜，其尺寸和零部件之間的裝配關系非常復雜，產品尺寸參數直接影響著分析結果的精度，產品的三維建模可以在SolidWorks、Proe或Ug等三維軟件中建立，按照實際要求建模，但為了節省時間，簡化模型，導出x_t格式文件將其導入到ADAMS/VIEW模塊中。

（2）質量特性參數。電動自行車的質心、轉動慣量等參數直接影響著整車多體動力學仿真結果，為此在設置三維模型參數時，在軟件中需要根據實際工況定義結構的力、力矩等，準確施加載荷的作用點、方向和大小。

（3）施加部件的約束關系。目前對于空間上的點有六個自由度（三個平動，三個轉動），主要的運動副有平面副、旋轉副、螺旋副等12種，主要的約束有虛擬約束、限制約束、理想約束和運動產生器等，建立多體動力學模型時需要準確施加載荷。

2.2 電動自行車ADAMS模型求解

通過ADAMS/View前處理模塊對電動自行車模型進行處理后，運用ADAMS/Solver求解器求解，并在ADAMS/Postprocessor后處理中分析仿真的數據。在求解時設置步驟如下[7]：

2.2.1 設置仿真步數和步長

設置仿真步數和步長對模型的求解結果至關重要，合理的步長不僅可以提高求解效率，而且可以提高求解穩定性。步長太長計算效率底且對計算機性能要求較高，步長太校會導致求解失敗，一般電動自行車多體動力學仿真設置仿真步長為0.001 s。

2.2.2 系統輸入條件設置

電動自行車的系統輸入條件包括所受的載荷。電動自行車在道路行駛中，受到了地面的摩擦力、人為的制動力等，這些載荷可能隨著時間變化，因此在ADAMS的輸入設置中可通過時間與力之間的關系曲線，實現邊界條件的輸入。

2.2.3 ADAMS/Solver求解及ADAMS/Postproce ssor后處理

在完成模型導入并施加邊界條件后，采用ADAMS/Solver求解模塊求解，并通過ADAMS/Postprocessor查看仿真數據結果，如果仿真結果不滿足要求，重新回到建立電動自行車ADAMS模型。

3 結論

綜上所述，文章首先分析討論多體動力學理論基礎與ADAMS建模，指出了目前常用的建模方法和求解方法，說明了ADAMS采用了拉格朗日方法，并通過ADAMS自帶的兩種算法求解。然后分析討論基于ADAMS仿真的電動自行車的多體動力學仿真步驟，即建立ADAMS模型，再設置ADAMS模型求解參數，并用ADAMS/Solver求解器求解，最后通過ADAMS/Postprocessor后處理查看仿真結果。通過文章的淺析，為相關專家及學者對這一課題的深入研究提供參考。