基于整車剛-柔耦合多體動(dòng)力學(xué)模型的車架動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

□ 田惺哲 □ 姜 勇

北京礦冶研究總院 北京 100160

車架是整車的基體，承受著來自路面及裝載的各種載荷作用，成為一個(gè)承受著復(fù)雜空間力系的框架結(jié)構(gòu)［1,2］。礦用汽車在工作過程中，由于路面條件惡劣，車輛使用工況非常復(fù)雜，車架產(chǎn)生的交變應(yīng)力，容易使車架疲勞，繼而使其發(fā)生疲勞破壞。從某種程度上講，礦用車車架的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度可以通過計(jì)算得到保證，而車架在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下的疲勞強(qiáng)度，只能在制造完成以后通過疲勞試驗(yàn)來進(jìn)行測定。對于車架這種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，疲勞試驗(yàn)成本大且周期長，要準(zhǔn)確地預(yù)測車架的疲勞壽命，就必須精確而高效地預(yù)測其動(dòng)態(tài)應(yīng)力的時(shí)間歷程［3,4］。因此，綜合考慮車架的彈性變形和仿真的經(jīng)濟(jì)性，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(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真分析，得出車架的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-時(shí)間歷程是十分必要的。

1 鉸接式自卸車基本結(jié)構(gòu)

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(dòng)機(jī)、貨箱、輪胎等構(gòu)成（如圖1所示）。它采用前、后車架鉸接式轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)裝置為對稱的2個(gè)雙作用液壓缸，車輛原地轉(zhuǎn)向的折腰角度為±45°。前、后車架鉸接相連，能實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)。鉸接式自卸車的前懸架采用獨(dú)立式斜置縱擺臂式牽引結(jié)構(gòu)，同時(shí)承擔(dān)縱向力和側(cè)向力，垂直方向的力由油氣彈簧承擔(dān)。中、后懸架采用獨(dú)立式斜置縱擺臂平衡梁式結(jié)構(gòu)，車架與車橋剛性連接，考慮到車輛速度較低，垂直方向彈性變形完全由子午線輪胎承擔(dān)。6個(gè)車輪全部采用獨(dú)立懸掛系統(tǒng)及斷開式車橋，保證車輛能夠在復(fù)雜路面條件下得到較高的通過性能，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都與地面充分接觸，減少驅(qū)動(dòng)輪之間的相互影響，使每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都能發(fā)揮最大的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。鉸接式自卸車采用電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)兩種制動(dòng)方式。

2 鉸接式自卸車整車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

▲圖1 60 t交流電傳動(dòng)鉸接式自卸車基本結(jié)構(gòu)圖

▲圖2 整車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

整車模型由前后車架、鉸接體、懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、貨箱、輪胎等構(gòu)成。該模型的主要特點(diǎn)是前、后車架用鉸接體相連，前車架以鉸接體的上、下鉸點(diǎn)為中心，可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸接體后部的轉(zhuǎn)動(dòng)部分允許前、后車架獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，以減小車架扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。根據(jù)拓?fù)湓恚?］，建立該車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)鉸接車各部件之間的實(shí)際關(guān)系，在ADAMS/View中對該車各剛體施加約束和連接，如圖2所示，圖中R代表旋轉(zhuǎn)副，F(xiàn)代表固定副。制動(dòng)裝置、減速器、電機(jī)總成等固定在縱擺臂上組成前橋，同時(shí)固定在平衡梁上組成后橋。油氣懸架用柔性連接件-彈簧來模擬，它的一端連在前橋縱擺臂的懸掛缸支座上，另一端連在前車架的懸架缸支座上。整車中其它使用柔性連接的部件采用軸套力（bushing）模擬，bushing通過定義連接處的剛度、阻尼和預(yù)載荷，計(jì)算出兩構(gòu)件之間的柔性力，表達(dá)構(gòu)件間的空間柔性鏈連接，如駕駛室與前車架的連接。貨箱與后車架處的連接。在鉸座處由旋轉(zhuǎn)副約束，貨箱與縱梁之間的橡膠減振墊用bushing模擬。

▲圖5 前車架動(dòng)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線

▲圖6 鉸接體動(dòng)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線

▲圖3 多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型（隱去前后車身）

▲圖4 剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型

3 鉸接式自卸車車架動(dòng)應(yīng)力分析

3.1 整車多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立

根據(jù)整車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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［6-8］。先利用SolidEdge軟件建立鉸接式自卸車的裝配模型，將SolidEdge實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成Parasolid文件格式導(dǎo)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(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

3.2 剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型的建立

將鉸接式自卸車中的柔性體模型導(dǎo)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(jié)構(gòu)法對車架進(jìn)行模態(tài)分析，生成模態(tài)中性文件，在ADAMS/Flex中讀入柔性部件的模態(tài)中性文件，替換多剛體動(dòng)力學(xué)模型中的剛性車架［9,10］，進(jìn)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(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖4所示。

3.3 車架動(dòng)應(yīng)力仿真分析

通過加載ADAMS/Durability模塊對柔性車架進(jìn)行動(dòng)載荷、動(dòng)應(yīng)力分析，實(shí)現(xiàn)車架動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布的可視化，并為下一步對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測和分析奠定基礎(chǔ)。選用鉸接車常用工況，即GB_C級路面，滿載60 t，以40 km/h的車速勻速行駛的工況進(jìn)行仿真分析。該工況下，鉸接式車架各部件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力-時(shí)間歷程如圖5～圖7所示。

▲圖7 后車架動(dòng)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線

▲圖8 前車架瞬時(shí)（13.85 s時(shí)刻）最大應(yīng)力云圖

▲圖9 鉸接體瞬時(shí)（27.55 s時(shí)刻）最大應(yīng)力云圖

表1 鉸接式車架各部件動(dòng)態(tài)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力－時(shí)間歷程統(tǒng)計(jì)值

該工況下，鉸接式車架各部件動(dòng)態(tài)應(yīng)力最大時(shí)刻的Von Mises應(yīng)力云圖如圖8～圖10所示。

鉸接式車架各部件動(dòng)態(tài)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力－時(shí)間歷程統(tǒng)計(jì)值見表1。從仿真結(jié)果可以看出：該工況下，前車架在13.85 s時(shí)刻的最大動(dòng)應(yīng)力為154.89 MPa，鉸接體在27.55 s時(shí)刻的最大動(dòng)應(yīng)力為291.82 MPa，后車架在25.75 s時(shí)刻的最大動(dòng)應(yīng)力為148.63 MPa，車架各部件在該工況下動(dòng)應(yīng)力的最大值均小于其所用材料的屈服極限，因此各部件強(qiáng)度均符合要求。

4 結(jié)論

（1）分析了鉸接式自卸車各部件之間的拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)拓?fù)湓?，確定了整車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（2）基于 SolidEdge、ANSYS和 ADAMS聯(lián)合仿真的方法，建立了鉸接式自卸車剛－柔耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型。

（3）通過加載ADAMS/Durability模塊，對車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真分析，獲得了各部件各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力－時(shí)間歷程及每一時(shí)刻車架的應(yīng)力云圖，指出了車架各部件的應(yīng)力最大部位，評價(jià)了其動(dòng)強(qiáng)度，為進(jìn)一步對車架乃至鉸接車其它零部件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

（4）為鉸接式車輛的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算分析提供了一種新方法，具有重要的工程實(shí)際價(jià)值。

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