基于ADAMS的鉸接式自卸車剛柔耦合動力學建模與仿真分析

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)。

1 鉸接式自卸車基本結構

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

2 剛柔耦合動力學建模與仿真分析

2.1 整車多剛體動力學模型的建立

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

2.2 剛柔耦合動力學模型的建立

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。

2.3 仿真及結果分析

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。

3 結論

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

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