姜 勇,顧洪樞,張文明
(1.北京礦冶研究總院,北京 100160;2.北京科技大學 機械工程學院,北京 100083)
多剛體動力學系統(tǒng)仿真時認為零部件不會產(chǎn)生變形,而車輛行駛過程中,由于其零部件本身具有彈性,它一方面繞固定坐標系運動,另一方面相對自身局部坐標系做彈性變形,因此當零部件的變形對整車動態(tài)特性的貢獻不可忽略時,為了使模型更接近真實系統(tǒng),使仿真結果更為準確,就必須要從多柔體系統(tǒng)動力學角度來進行分析[1-4]。目前有很多學者從模型精確性和仿真經(jīng)濟性兩方面考慮,建立系統(tǒng)的剛柔耦合模型。
本文以60t鉸接式自卸車為研究對象,建立以車架為柔性體,其它零部件為剛性體的整車剛柔耦合多體動力學模型,對不同行駛工況下的動態(tài)特性進行仿真分析,得到了車架關鍵位置處的加速度響應及加速度功率譜密度曲線,仿真數(shù)據(jù)可為鉸接式自卸車的設計改進、車架的疲勞壽命預測分析提供重要參考依據(jù)。
鉸接式自卸汽車(Articulated Dump Truck,簡稱“ADT”)是駕駛室和車體之間具有鉸接點和擺動環(huán)的自卸汽車[5-6]。它起源于20世紀60年代末的歐洲,是適應惡劣天氣及空間受限制的工作條件的一種界于傳統(tǒng)剛性后卸式運輸汽車和鏟運機之間的鏟土運輸設備。
鉸接式自卸車主要由前車架、后車架、鉸接體、懸架系統(tǒng)、發(fā)動機、貨箱、輪胎等構成(圖1所示)。該車輛的主要特點是前、后車架用鉸接體相連,前車架以鉸接體的上、下鉸點為中心可以左右轉動,鉸接體后部的轉動部分允許前、后車架獨立轉動以減小車架扭轉應力。
圖1 鉸接式自卸車基本結構Fig.1 Basic structure of articulated dump truck
本文采用SolidEdge、ANSYS和ADAMS聯(lián)合仿真的方法建立鉸接式自卸車剛柔耦合仿真模型。先利用SolidEdge軟件建立鉸接式自卸車的裝配模型,將SolidEdge實體模型轉換成Parasolid文件格式導入ADAMS中,并添加材料屬性、剛體約束和載荷,得到鉸接式自卸車多剛體動力學仿真模型如圖2所示[7]。
圖2 多剛體動力學仿真模型(隱去前后車身)Fig.2 Multi-rigid-body dynamics simulation model
將鉸接式自卸車中的柔性體模型導入ANSYS中,定義單元類型、材料屬性,劃分單元求解并建立剛性區(qū)域,采用修正的Craig-Bampton固定界面子結構法對車架進行模態(tài)分析,生成模態(tài)中性文件,替換多剛體動力學模型中的剛性車架[8-10],進而建立以車架為柔性體,其它部件為剛性體的鉸接式自卸車剛柔耦合動力學仿真模型,如圖3所示。
選取C級和D級路譜,分別對鉸接式自卸車在40km/h、30km/h和20km/h滿載狀態(tài)行駛下的動態(tài)響應特性進行仿真分析。
圖3 剛柔耦合動力學仿真模型Fig.3 Rigid-flexible coupling dynamics simulation model
1)對鉸接式自卸車在C級路面上,以40km/h的速度滿載勻速行駛工況進行仿真,獲得車架的加速度響應及加速度功率譜密度曲線如圖4所示。
圖4 加速度響應及加速度功率譜密度曲線(VC=40km/h)Fig.4 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density(VC=40km/h)
由圖4可知:前車架質心的垂直加速度響應功率譜密度最大值為6.7324m2/s3,其對應點的頻率(優(yōu)勢頻率)為2.3926Hz,加速度最大值為7.8229 m/s2,加速度響應均方根值為2.7387m/s2;后車架質心的垂直加速度響應功率譜密度最大值為3.291 m2/s3,其對應點的頻率(優(yōu)勢頻率)為2.4902Hz,加速度最大值為5.5019m/s2,加速度響應均方根值為1.9619m/s2。
2)對鉸接式自卸車在C級路面上,以30km/h的速度滿載勻速行駛工況進行仿真,獲得車架的加速度響應及加速度功率譜密度曲線如圖5所示。
圖5 加速度響應及加速度功率譜密度曲線(VC=30km/h)Fig.5 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density(VC=30km/h)
3)對鉸接式自卸車在C級路面上,以20km/h的速度滿載勻速行駛工況進行仿真,獲得車架的加速度響應及加速度功率譜密度曲線如圖6所示。
圖6 加速度響應及加速度功率譜密度曲線(VC=20km/h)Fig.6 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density(VC=20km/h)
4)對鉸接式自卸車在D級路面上,以40km/h的速度滿載勻速行駛工況進行仿真,獲得車架的加速度響應及加速度功率譜密度曲線如圖7所示。
圖7 加速度響應及加速度功率譜密度曲線(VD=40km/h)Fig.7 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density(VD=40km/h)
5)對鉸接式自卸車在D級路面上,以30km/h的速度滿載勻速行駛工況進行仿真,獲得車架的加速度響應及加速度功率譜密度曲線如圖8所示。
圖8 加速度響應及加速度功率譜密度曲線(VD=30km/h)Fig.8 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density(VD=30km/h)
6)對鉸接式自卸車在D級路面上,以20km/h的速度滿載勻速行駛工況進行仿真,獲得車架的加速度響應及加速度功率譜密度曲線如圖9所示。
圖9 加速度響應及加速度功率譜密度曲線(VD=20km/h)Fig.9 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density(VD=20km/h)
由圖4至圖9可知:鉸接式自卸車在不同路面、不同車速下行駛,仿真得出的車架質心垂直加速度響應功率譜密度的最大值,其對應點的頻率(優(yōu)勢頻率)、加速度的最大值以及加速度響應均方根值如表1所示。
1)當鉸接車路面激勵和裝載質量相同時,車輛行駛速度越大,車架質心的垂直方向加速度及加速度均方根值越大,車架振動越劇烈。
2)當鉸接車的車速及裝載質量相同時,路面激勵不同,路面狀況越惡劣,車架質心的垂直方向加速度及加速度均方根值越大,即車架振動越劇烈。
3)功率譜密度是結構在隨機動態(tài)載荷激勵下響應的統(tǒng)計結果,通過仿真分析得出的時域信號的功率譜密度(PSD)曲線,準確獲取了激勵信號在感興趣頻率范圍內的能量分布情況。
4)車架的各階模態(tài)的固有頻率應盡可能地遠離激勵頻率,以避免共振的發(fā)生。從圖4至圖9以及表1可以看出:路面不平度對車架的激勵能量多集中在20Hz以內,且在2Hz附近具有明顯的峰值,表明在這些頻率下激勵能量較大,但這些頻率均遠離了車架的固有頻率,因此不會發(fā)生共振現(xiàn)象。
表1 不同工況下鉸接式自卸車車架仿真結果Table 1 The simulation results under different working conditions
[1] 洪嘉振 .計算多體系統(tǒng)動力學[M].北京:高等教育出版社,1997.
[2] 陳立平,張云清,任衛(wèi)群 .機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京:清華大學出版社,2005.
[3] 張越今 .汽車多體動力學及計算機仿真[M].長春:吉林科學技術出版社,1998.
[4] 姜 勇 .基于ADAMS的復合輪式海底車動力學建模與仿真[J].機械設計,2012,29(4):48-51.
[5] 王國彪,劉 丹 .國外鉸接式自卸汽車的發(fā)展與技術現(xiàn)狀[J].國外金屬礦山,2001(2):54-61.
[6] 王國彪 .國外礦用汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展(Ⅱ)——鉸接式自卸汽車[J].礦山機械,2000(2):6-11.
[7] 劉篤喜,李 浩,趙小軍,等 .拖錐收放裝置傳動系統(tǒng)剛柔耦合動力學建模與仿真[J].制造業(yè)自動化,2012,34(9):108-110,137.
[8] 張 婧.HY360J鉸接式自卸車車架的設計與研究[D].北京:北京科技大學,2011:71-77.
[9] 殷學綱,陳 淮,蹇開林 .結構振動分析的子結構方法[M].北京:中國鐵道出版社,1991.
[10] 俞武勇,季林紅,閻紹澤,等 .彈性構件的模態(tài)選擇對機構動力分析的影響[J].清華大學學報:自然科學版,2002,42(2):175-178.