基于ADAMS和ANSYS的某拖車舉升結(jié)構(gòu)的研究

張積洪，杜 陽，龐 玥

（1. 中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300, 2. 南開大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，天津 300071）

0 引言

機(jī)場快速拖車的裝載及轉(zhuǎn)運(yùn)對象是機(jī)場貨運(yùn)平臺(tái)車，這種機(jī)場特種拖車的投用，提高了機(jī)場貨運(yùn)區(qū)域的運(yùn)行效率，并且為機(jī)場安全運(yùn)行提供了保障，是一種高效、實(shí)用的機(jī)場特種車輛?？焖偻宪嚨脑O(shè)計(jì)難點(diǎn)之一是其舉升結(jié)構(gòu)，在裝載平臺(tái)車時(shí)，其車身部分以拖車車頭與車身前端鉸點(diǎn)為軸心，通過舉升結(jié)構(gòu)將車身尾端放下，如圖1所示，裝載時(shí)車身與水平地面夾角為1.8度。設(shè)計(jì)研究通過實(shí)驗(yàn)及仿真來優(yōu)化舉升結(jié)構(gòu)模型[1]，分析結(jié)果并校核模型使裝載過程更加合理。

圖1 拖車裝載平臺(tái)車

1 剛?cè)狁詈戏治?/h2>

使用UG/NX建立舉升結(jié)構(gòu)的簡化模型，分別將舉升結(jié)構(gòu)主要變形部件導(dǎo)入ANSYS和將舉升結(jié)構(gòu)裝配體文件導(dǎo)入ADAMS，運(yùn)用ANSYS生成主要變形部件的柔性體文件（.m n f），替換ADAMS裝配體模型中的相應(yīng)剛性體部件，進(jìn)行既有剛性體也有柔性體的聯(lián)合仿真[2,3]，之后由ADAMS生成該柔性體的邊界載荷文件（.lod），導(dǎo)入ANSYS中施加載荷到主要變形的柔性體部件，對柔性體進(jìn)行不同時(shí)刻的靜力學(xué)分析。

1.1 柔性體文件

將簡化模型裝配體中的主要變形部件導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置35號(hào)鋼對應(yīng)的材料屬性（密度、楊氏模量、泊松比等），添加So lid 95單元，使用So lid 95單元對柔性體進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]；添加BEAM 4單元和MASS21單元，使用MASS21單元建立柔性體文件的外聯(lián)點(diǎn)，設(shè)定BEAM 4單元?jiǎng)t作為連接外聯(lián)點(diǎn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)的剛性區(qū)域；生成實(shí)體單元3304個(gè)，外聯(lián)點(diǎn)單元2個(gè)，剛性區(qū)域單元32個(gè)。

1.2 邊界載荷文件

ADAMS可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求生成主要變形部件多個(gè)時(shí)刻邊界載荷文件(.lod)。在ADAMS中點(diǎn)擊FEA Loads，F(xiàn)orm at選擇ANSYS，時(shí)刻根據(jù)需要選定，生成相關(guān)外聯(lián)點(diǎn)的柔性體邊界載荷文件；通過ADAMS Connection—Im port fr ADAMS導(dǎo)入到相應(yīng)主要變形部件的dbb文件中，進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2 舉升結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析[5]

2.1 幾何模型

簡化舉升結(jié)構(gòu)并建立其幾何模型，如圖2所示，其主要變形結(jié)構(gòu)為連接主車架結(jié)構(gòu)和從動(dòng)輪的中間鋼梁結(jié)構(gòu)，主車架與鋼梁通過液壓缸和懸臂鋼梁軸A點(diǎn)連接，鋼梁與從動(dòng)輪通過從動(dòng)輪軸B點(diǎn)連接，C、D分別為液壓缸的上、下鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為拖車車頭與車身前端的連接鉸點(diǎn)，液壓缸上、下鉸點(diǎn)之間的CD值隨舉升過程而不斷變化，ED、EA、AB、AD、BC之間為剛性結(jié)構(gòu)，其長度在各關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)定后則保持不變，設(shè)定CD為C1、BC為C2、AB為C3、AB為C4、EA為C5、ED為C6。

圖2 簡化模型示意圖

裝載準(zhǔn)備階段，機(jī)場快速拖車首先應(yīng)將車身傾斜放下，這一過程需要通過液壓驅(qū)動(dòng)的舉升結(jié)構(gòu)完成，如圖3所示，此時(shí)車身放下與地面成1.8度夾角，C1長度變?。ㄒ簤焊滋幱趬嚎s狀態(tài)）。

圖3 液壓缸驅(qū)動(dòng)舉升結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

圖4 鋼梁軸A和從動(dòng)輪軸B點(diǎn)相對位置

由于C1值不斷變化，即C、D點(diǎn)相對位置不斷變化，E點(diǎn)作為車頭與車身前端連接鉸點(diǎn)，其坐標(biāo)不變，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)中選取不同的A、B點(diǎn)作為分析對象，如圖4所示，A點(diǎn)和B點(diǎn)各選取5個(gè)不同點(diǎn)作為參考對象，其符號(hào)指代如表1，①與⑥為A和B點(diǎn)原始坐標(biāo)，分別取其上、下、左、右相鄰點(diǎn)為對比參考點(diǎn)，各點(diǎn)與原始點(diǎn)坐標(biāo)距離為100mm。

表1 A、B各優(yōu)化坐標(biāo)點(diǎn)

根據(jù)A、B點(diǎn)組合不同，結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷變化，但ED長度C6值固定，其值為4890mm，由于CD長度不斷變化，故定義拖車車身放下與水平地面夾角為0.9度時(shí)作為中間過程，選取此時(shí)的幾合模型各參數(shù)進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 A、B點(diǎn)組合參數(shù)

選取中間過程時(shí)刻，CD長度接近中間值，更利于結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，數(shù)據(jù)篩選根據(jù)平行四邊形法則[6]與液壓缸行程要求：1）邊AD與邊BC處于接近平行狀態(tài)；2）對邊C1與C3、 C2與C4值接近；3）(C1+C3)/2與(C2+C4)/2值接近；4）液壓缸行程短；平行四邊形法則可以避免各關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)速度矢量突變和應(yīng)力值陡增，即連桿機(jī)構(gòu)中的急回點(diǎn)和死點(diǎn)。

以5個(gè)不同B點(diǎn)分類，將25組參數(shù)分為5個(gè)小組，每小組根據(jù)平行四邊形法則篩選一個(gè)最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合，即A4B0、A1B1、A2B2、A0B3、A4B4；分別對5組模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[7,8]；由于5組模型E點(diǎn)合力值差異明顯，故施加滿載拖車自身和平臺(tái)車重力作用力在D點(diǎn)上方車身處以擴(kuò)大A、B 及液壓缸驅(qū)動(dòng)合力值，易于篩選最優(yōu)模型。

表3 優(yōu)化結(jié)果選擇

優(yōu)化要求：舉升過程液壓缸行程小于350mm，液壓缸驅(qū)動(dòng)合力小于1.5×103N、A點(diǎn)峰值小于1.0×105N、E點(diǎn)峰值小于5.0×103N，如表3所示，通過ADAMS仿真分析，選取A1B1舉升結(jié)構(gòu)模型，相對于其他4組參數(shù)，A1B1使多邊形模型ABCD更趨于平行四邊形結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)仿真

3.1 動(dòng)力學(xué)分析

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)合力曲線圖

在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校┘幼饔昧υ跐M載拖車重心處，設(shè)置液壓缸伸縮驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(tim e , 0 , 0 , 2 , -0.32366 )+STEP( tim e , 2.2 , 0 , 4.2, 0.32366 )，即0-2秒為車身放下過程，2-2.2秒維持放下狀態(tài)不變，2.2-4.2秒車身升起，放下和舉升過程液壓缸行程均為323.66mm，過程互逆，如圖5所示，各關(guān)鍵點(diǎn)合力值處于同一數(shù)量級(jí)范圍（1.0×105~1.0×106區(qū)間），且舉升或放下過程合力變化平緩。

3.2 靜力學(xué)分析

表4 最大位移和應(yīng)力最大值

不同時(shí)刻舉升結(jié)構(gòu)最大位移和最大應(yīng)力值如表4所示，舉升過程各時(shí)刻應(yīng)力最小位置都在鋼梁與從動(dòng)輪軸連接處（B點(diǎn)），應(yīng)力最大位置都在鋼梁與液壓缸下鉸點(diǎn)連接處（C點(diǎn)），其值都小于35號(hào)鋼屈服強(qiáng)度315MPa結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

舉升結(jié)構(gòu)依照平行四邊形法則進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過聯(lián)合仿真確定出舉升結(jié)構(gòu)的最優(yōu)模型，優(yōu)化在舉升過程中關(guān)鍵點(diǎn)的合力值，使結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)受力更為平均，合力值變化平緩，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)某點(diǎn)應(yīng)力過于集中以及舉升過程不平穩(wěn)等現(xiàn)象。

[1] 董立立,趙益萍,梁林泉,等.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法研究綜述[J].機(jī)床與液壓,2010(15):114-119.

[2] 吳慶鳴,梅華鋒,張志強(qiáng).基于ADAMS的連桿機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2005(6):344-347.

[3] 解德乾,丁武學(xué),王栓虎,等.基于ADAMS和ANSYS的高速?zèng)_床導(dǎo)軌仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(4):182-184.

[4] 時(shí)虹,袁境,嚴(yán)厚明.淺談?dòng)邢拊治鲋袆澐志W(wǎng)格的技巧[J].裝備制造技術(shù),2010(11):143-167.

[5] 張毅,馬力,李鵬飛.基于ADAMS的自卸車舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].專用汽車,2005(3):21-23.

[6] 王忠.平行四邊形機(jī)構(gòu)的拓展及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2005(12):57-58.

[7] 胡曉樂,吳曉,羅薇,等.基于ADAM S和ANSYS的液壓舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)分析[J].機(jī)械和設(shè)計(jì)與制造,2012(4):192-194.

[8] 趙麗娟,王乘云.復(fù)雜剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別與振動(dòng)分析研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009(4):105-108.