基于ADAMS仿真的电动自行车的多体动力学分析

科学技术创新
基于A D A M S 仿真的电动自行车的多体动力学分析
王斌1叶帅宏2阮立3许挺挺3戴菲菲1
(1、台州市产品质量安全检测研究院,浙江台州3180002、台州科技职业学院,浙江台州318020
3、台州方圆质检有限公司,浙江台州318000)
随着电动自行车强制3C 认证的关注度越来越高,厂家对电动自行车的性能提出了新的要求,目前电动自行车性能检测标准GB 17761-2018《电动自行车安全技术规范》以实际道路为条
件,对整车最大速度、续航里程、制动距离等动力学性能进行了
规定[1,2],这对厂家制造电动自行车的技术要求越来越高。

为提升产品出厂质量,本文提出基于ADAMS 的电动自行车多体动力学仿真方法,浅析电动自行车的机构仿真步骤,有着一定现实意义与价值。

1多体动力学理论基础与A D A M S 建模1.1多体动力学理论基础电动自行车的整车最大速度、续航里程、制动距离等涉及到了多体动力学问题,其核心是建模问题和求解问题[3,4]。

1.2目前常用的建模方法有拉格朗日法、完全笛卡尔法和笛卡尔法,具体如下:采用相对坐标法来建模的拉格朗日法动力学控制方程为:(1)其中q 为拉格朗日坐标阵,该方法方程数较少,但方程形式
复杂。

采用绝对坐标法来建模的笛卡尔法动力学控制方程为:(2)
其中q 为位置坐标阵,为拉格朗日乘子,为雅可比矩
阵。

该方法方程数虽多,但因其系数矩阵较稀疏使得建模简单。

采用另一种绝对坐标法的完全笛卡尔法,因其其雅可比矩阵具有线性特征使得计算较方便。

1.3目前常用的求解方法如下:针对拉格朗日建模,其求解可采用数值与符号相结合的方法,其原理是基于代数符号来简化计算模型,再通过数值方法得到模型解。

也可以通过全数值方法求解式(1)。

针对笛卡尔法建模,其求解可根据拉格朗日乘子与位置坐标阵的处理差异,将方程转化为:(3)(4)
其中q 、、为系统位置、速度和加速度向量,对式(4)中的t 求导,得到式(5)和式(6)。

(5)(6)结合给定的初始条件式(7)求解方程解。

(7)
针对完全笛卡尔法建模,目前也有多种求解方法。

1.4ADAMS 的理论基础
多体动力学软件ADAMS 采用了拉格朗日方法来建模,来求
解结构的加速度、速度和位移响应,整个系统采用了广义坐标[5]:
i=1,2,…,n.
(8)为了分析结构在自由度为零下的结构响应参数,建立运动学约束方程:(9)
(10)根据式(9)和(10)得到:
(11)运用牛顿-拉夫森迭代方法经过第j 次迭代,得到t n 时结构的速度、加速度和约束反力。

(12)(13)(14)根据以上方程,进行求解,ADAMS 的动力学方程即变为式
摘要:随着国家倡导低碳出行的要求,电动自行车因其节能、轻便等优点受到了人们的喜爱。

但由于市场上的电动自行车质量参差不齐,影响着人们行驶的安全性,为此提高电动自行车的性能至关重要。

目前来说,电动自行车的整车动力性能对提高产品的质量至关重要,常规使用测功机等检测设备来提升产品的动力学性能的好差存在着设计成本高、周期长的问题。

为此,本文提出基于ADAMS 的电动自行车多体动力学仿真方法,浅析仿真的基本步骤,望能够为相关专家及学者对这一课题的深入研究提供有价值的参考或者依据。

关键词:ADAMS;电动自行车;动力学;分析中图分类号:U469.72文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)17-0188-02
基金项目:浙江省市场监督管理局NQI 项目(计划编号:20190133),项目名称:《电动自行车自动化检测技术及CAE 仿真与测试联合平台研究》。

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2021.17科学技术创新(15)和式(16),ADAMS 的动力学分析变成个式(15)和式(16)的求解,目前ADAMS 采用了两种算法:一种是积分求解程序,另一种是ABAM 积分求解程序。

(15)(16)
2基于A D A M S 仿真的电动自行车的多体动力学分析2.1电动自行车ADAMS 模型建立在电动自行车多体动力学研究过程中[6],首先需要建立电动自行车三维模型,再导入到ADAMS 软件中,为了使得导入的模型具有一定的物理特性,为此准确设置结构的转动惯量、质量和边界条件,以期符合工程实际结果。

通过收集电动自行车的主要参数如下:(1)产品尺寸参数。

电动自行车结构模型相对复杂,其尺寸和零部件之间的装配关系非常复杂,产品尺寸参数直接影响着分析结果的精度,产品的三维建模可以在SolidWorks 、Proe 或Ug 等三维软件中建立,按照实际要求建模,但为了节省时间,简化模型,导出x_t 格式文件将其导入到ADAMS/VIEW 模块中。

(2)质量特性参数。

电动自行车的质心、转动惯量等参数直接影响着整车多体动力学仿真结果,为此在设置三维模型参数时,在软件中需要根据实际工况定义结构的力、力矩等,准确施加载荷的作用点、方向和大小。

(3)施加部件的约束关系。

目前对于空间上的点有六个自由度(三个平动,三个转动),主要的运动副有平面副、旋转副、螺旋副等12种,主要的约束有虚拟约束、限制约束、理想约束和运动产生器等,建立多体动力学模型时需要准确施加载荷。

2.2电动自行车ADAMS 模型求解
通过ADAMS/View 前处理模块对电动自行车模型进行处理后,运用ADAMS/Solver 求解器求解,并在ADAMS/Postprocessor 后处理中分析仿真的数据。

在求解时设置步骤如下[7]:
2.2.1设置仿真步数和步长
设置仿真步数和步长对模型的求解结果至关重要,合理的步长不仅可以提高求解效率,而且可以提高求解稳定性。

步长太长计算效率底且对计算机性能要求较高,步长太校会导致求解失败,一般电动自行车多体动力学仿真设置仿真步长为0.001s 。

2.2.2系统输入条件设置
电动自行车的系统输入条件包括所受的载荷。

电动自行车在道路行驶中,受到了地面的摩擦力、人为的制动力等,这些载荷可能随着时间变化,因此在ADAMS 的输入设置中可通过时间与力之间的关系曲线,实现边界条件的输入。

2.2.3ADAMS/Solver 求解及ADAMS/Postproce ssor 后处理在完成模型导入并施加边界条件后,采用ADAMS/Solver 求
解模块求解,并通过ADAMS/Postprocessor 查看仿真数据结果,
如果仿真结果不满足要求,重新回到建立电动自行车ADAMS 模型。

3结论综上所述,文章首先分析讨论多体动力学理论基础与ADAMS 建模,指出了目前常用的建模方法和求解方法,说明了ADAMS 采用了拉格朗日方法,并通过ADAMS 自带的两种算法求解。

然后分析讨论基于ADAMS 仿真的电动自行车的多体动力学仿真步骤,即建立ADAMS 模型,再设置ADAMS 模型求解参数,并用ADAMS/Solver 求解器求解,最后通过ADAMS/Postprocessor 后处理查看仿真结果。

通过文章的浅析,为相关专家及学者对这一课题的深入研究提供参考。

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科技大学,2019.[5]江守波.刮板输送机多工况动力学特性仿真与试验研究[D].济南:山东科技大学,2018.
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