基于聯(lián)合仿真的大馬力拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析

劉 威，倪偉強(qiáng)，尚莉麗，許良元,2，江 慶,2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036;2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036)

拖拉機(jī)工作環(huán)境普遍比較惡劣，一般多是不平路面，在實(shí)際工作過程中，驅(qū)動(dòng)橋殼作為拖拉機(jī)主要承載部位，在行駛中經(jīng)常會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用。因此，驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度和剛度直接影響到整車的安全性能。

國外在拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的研究方向有著較為深入的分析，率先應(yīng)用有限元分析技術(shù)和試驗(yàn)方法研究拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的特性，如應(yīng)力、固有頻率、變形以及疲勞分析等[1-3]。

國內(nèi)雖然有限元技術(shù)以及動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)起步晚但發(fā)展迅速。任洪宇對拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了不同工況的靜力分析與相關(guān)載荷譜分析[4]；何莉等對大馬力拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的螺栓約束模擬以及靜態(tài)強(qiáng)度做出分析與試驗(yàn)研究[5]；劉宏新等對四驅(qū)水田自走底盤轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)與工程結(jié)構(gòu)的有限元分析[6]。

拖拉機(jī)在惡劣的道路條件下行駛，拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼不僅受到靜載荷的作用，更多是在動(dòng)載荷的作用下進(jìn)行作業(yè)。因此研究驅(qū)動(dòng)橋在動(dòng)態(tài)載荷作用下的強(qiáng)度、剛度具有重要意義[7]。隨著有限元分析和動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)成熟的條件下，結(jié)合ADAMS和ANSYS兩者進(jìn)行聯(lián)合仿真，可以大幅提高效率，得出需要的數(shù)據(jù)結(jié)果，同時(shí)進(jìn)行整車試驗(yàn)以驗(yàn)證模型的可靠性。為動(dòng)態(tài)載荷下的強(qiáng)度分析提供參考，也能為開發(fā)設(shè)計(jì)縮短周期。

1 多體動(dòng)力學(xué)模型的建立與設(shè)置

1.1 建立整車簡化動(dòng)力學(xué)模型

以某品牌大馬力拖拉機(jī)作為整車模型，主要研究內(nèi)容為拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼在不平路面行駛時(shí)，受到的垂向載荷對其強(qiáng)度的影響。因此在確保拖拉機(jī)以及驅(qū)動(dòng)橋殼的整體質(zhì)量、質(zhì)心及空間位置和各個(gè)鉸接點(diǎn)位置正確性的情況下，將其他結(jié)構(gòu)做簡化處理，降低仿真分析的處理時(shí)長。拖拉機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，通過CATIA進(jìn)行繪制得到驅(qū)動(dòng)橋殼與整車裝配的三維模型，如圖1和圖2所示。

表1 拖拉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 前驅(qū)動(dòng)橋殼三維圖 圖2 模型裝配圖

1.2 輪胎模型和隨機(jī)路面的設(shè)置

輪胎參數(shù)如表2所示。道路表面相對于理想平面的偏離程度稱為路面不平度，整車在不同路面行駛時(shí)，受到的載荷沖擊大小對驅(qū)動(dòng)橋有著不同程度的影響，同時(shí)路面不平度決定著整車的動(dòng)載荷。在ADAMS中路面是由路面節(jié)點(diǎn)(NODES)和路面單元(ELEMENTS)組成。通過MATLAB編寫基于正弦波疊加法建立的不同等級隨機(jī)路面，建立三維隨機(jī)路面生成器如圖3所示。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)路面的不平度，后續(xù)仿真采用路面等級為D級的隨機(jī)路面如圖4所示。

表2 輪胎參數(shù)

圖3 ADAMS 三維隨機(jī)路面生成器 圖4 隨機(jī)路面等級 D

1.3 創(chuàng)建多體動(dòng)力學(xué)模型

本文主要研究對象為前驅(qū)動(dòng)橋殼，對拖拉機(jī)后橋在確保模型質(zhì)量，位置以及約束準(zhǔn)確的情況下進(jìn)行簡化處理，方便計(jì)算。將CATIA 中完成裝配的拖拉機(jī)三維模型導(dǎo)入ADAMS 中，根據(jù)在CATIA 中試驗(yàn)的材料密度設(shè)置材料屬性，在 MATLAB 中編寫的基于正弦波疊加法建立的不同等級隨機(jī)路面以.rdf格式保存。采用ADAMS 中 Special force 模塊的 Create wheel and tire 添加輪胎與路面文件。根據(jù)拖拉機(jī)各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在構(gòu)件之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副約束、固定副約束、移動(dòng)副約束以及彈簧約束，完成對多體動(dòng)力學(xué)模型的約束處理。

2 多體動(dòng)力學(xué)模型的分析與試驗(yàn)

在ADAMS中對建立好的模型進(jìn)行兩種受力工況的動(dòng)力學(xué)仿真分析，分別是驅(qū)動(dòng)橋殼基于路面譜隨機(jī)載荷工況以及驅(qū)動(dòng)橋殼受最大沖擊載荷工況下的仿真分析。

2.1 驅(qū)動(dòng)橋殼基于隨機(jī)路面譜下的工況分析

根據(jù)路面實(shí)際情況相似度采用D等級隨機(jī)路面，根據(jù)構(gòu)建好的多體動(dòng)力學(xué)模型，針對研究對象驅(qū)動(dòng)橋殼左右兩側(cè)受到的隨機(jī)載荷進(jìn)行仿真分析，將測試點(diǎn)選在驅(qū)動(dòng)橋與輪轂連接處，讓拖拉機(jī)模型在隨機(jī)路面上直線行駛25 s，獲得相對多的數(shù)據(jù)，選取5-15 s時(shí)間段載荷數(shù)據(jù)變化劇烈的10 s時(shí)間作為分析參數(shù)，得到該10 s內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋殼左右兩側(cè)的隨機(jī)載荷。驅(qū)動(dòng)橋左側(cè)受力峰值為18 800 N，驅(qū)動(dòng)橋右側(cè)受力峰值為19 707 N。

2.2 拖拉機(jī)整車試驗(yàn)與驗(yàn)證

針對實(shí)際路況中拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼受到的隨機(jī)載荷，進(jìn)行拖拉機(jī)試驗(yàn)測試系統(tǒng)的搭建，對隨機(jī)路面譜載荷的信息進(jìn)行收集。采用型號(hào)為CA-YD-185TNC壓電式單軸加速度傳感器；NIUSB-6215數(shù)據(jù)采集卡；通過LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，單軸加速度傳感器分別安裝在前驅(qū)動(dòng)橋左右兩端靠近輪轂處，12 V蓄電池和HLY-3電源調(diào)理器為傳感器提供恒流源。對驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行垂向加速度的測量，完成拖拉機(jī)試驗(yàn)測試平臺(tái)的搭建[7]，拖拉機(jī)試平臺(tái)如圖5所示。

圖5 拖拉機(jī)試驗(yàn)測試平臺(tái)

表3 拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋垂向載荷仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與整車試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)對比如表3所示，可以得到驅(qū)動(dòng)橋殼左右兩側(cè)仿真與試驗(yàn)的垂向載荷峰值以及平均值，其相對誤差值均在10%內(nèi)，驗(yàn)證了在ADAMS中建立的多體動(dòng)力學(xué)模型的正確性，與此同時(shí)得到了加載于驅(qū)動(dòng)橋殼上的基于路面譜的隨機(jī)載荷，可以更真實(shí)的反映出拖拉機(jī)行駛在實(shí)際路面工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的受力情況，從而對驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)據(jù)加載的動(dòng)態(tài)分析。

2.3 驅(qū)動(dòng)橋沖擊載荷工況下的分析與仿真

當(dāng)拖拉機(jī)行駛通過不平路面時(shí)，橋殼除承受靜止?fàn)顟B(tài)下的滿載載荷G外，還承受了附加的沖擊載荷。驅(qū)動(dòng)橋殼受到動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，載荷分布在驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)，大小，方向相同。拖拉機(jī)滿載工作重量為m1=7 300 kg，前橋承重m2=3 500 kg，此時(shí)不考慮側(cè)向力和切向力。得到驅(qū)動(dòng)橋殼左右兩側(cè)分別加載的最大沖擊力為51 450 N，即驅(qū)動(dòng)橋殼受到的最大沖擊力為102 900 N。

對建立好的整車仿真模型進(jìn)行沖擊載荷工況的分析，從而得到驅(qū)動(dòng)橋殼的受力情況。動(dòng)力學(xué)仿真通過采用三角形凸塊來模擬脈沖輸入。驅(qū)動(dòng)橋殼沖擊工況理論數(shù)值與信真數(shù)值對比如表4所示。通過仿真結(jié)果可以得到該車型進(jìn)行沖擊載荷工況仿真時(shí)，實(shí)際的動(dòng)載荷系數(shù)為2.8。相對以往的經(jīng)驗(yàn)取值方法取值，忽視實(shí)際車型之間的區(qū)別。在以后的試驗(yàn)研究中在針對不同車型的動(dòng)載荷系數(shù)取值時(shí)，可以參考動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果來獲取車輛相對真實(shí)的動(dòng)載荷系數(shù)。

表4 驅(qū)動(dòng)橋殼沖擊工況理論數(shù)值與仿真數(shù)值對比

3 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析

3.1 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型的建立

驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在過渡曲面，有限元模型是進(jìn)行有限元計(jì)算的基礎(chǔ)。根據(jù)某品牌大馬力拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用CATIA三維建模軟件建立驅(qū)動(dòng)橋殼的幾何模型。首先將CATIA建立好的殼體模型導(dǎo)入ANSYS中清理模型中的自由邊，尖銳點(diǎn)以及不必要的其他線和面。殼體材料屬性如表5所示。在ANSYS中對模型進(jìn)行屬性設(shè)置，前后擺座采用QT600-3，驅(qū)動(dòng)橋殼體采用QT450-10。隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對螺栓孔，過度圓角等局部結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。模型共有單元數(shù)526 515個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)822 595個(gè)。驅(qū)動(dòng)橋殼有限元模型如圖6所示。

表5 殼體材料屬性

圖6 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析模型

3.2 結(jié)果分析

驅(qū)動(dòng)橋殼最大變形為0.697 11 mm，橋殼輪距為1.55 m，換算后每米輪距為0.45 mm，小于JB/T 8582.1-2001《農(nóng)用運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)橋》要求的每米輪距不超過1.5 mm的變形量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋殼受到?jīng)_擊載荷時(shí)，隨時(shí)間的變化，載荷不斷加大，殼體受到的應(yīng)力不斷變大，當(dāng)受到最大沖擊力載荷時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)橋殼左右兩端的加強(qiáng)肋處，因?yàn)樵诼访鏇_擊時(shí)，輪胎上下沖擊使輪轂沖擊轉(zhuǎn)向節(jié)導(dǎo)致此處應(yīng)力過大；過渡曲面也存在較大的應(yīng)力。驅(qū)動(dòng)橋殼的應(yīng)力最大值為210.19 MPa，小于材料QT450-10的屈服強(qiáng)度310 MPa，安全系數(shù)大于1。說明該驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)符合使用需求。

4 結(jié) 語

(1)通過CATIA建立三維模型，在ADMAS中導(dǎo)拖拉機(jī)裝配模型，通過輪胎設(shè)置，以及MATLAB隨機(jī)路面程序的導(dǎo)入建立了后續(xù)進(jìn)行仿真的多體動(dòng)力學(xué)模型。

(2)利用多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋殼最大沖擊載荷工況以及基于路面譜隨機(jī)載荷的兩種工況仿真，獲得了驅(qū)動(dòng)橋殼兩種工況的受力時(shí)間曲線，并通過理論分析和實(shí)車試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比驗(yàn)證了仿真結(jié)果以及模型的可靠性，根據(jù)結(jié)果對比得到了目標(biāo)車型的動(dòng)載荷系數(shù)為2.8，相比經(jīng)驗(yàn)取值動(dòng)載荷系數(shù)為3更符合實(shí)際情況。

(3)在ANSYS中通過得到的載荷譜，對驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行兩種工況的有限元分析，得到驅(qū)動(dòng)橋殼各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置受到隨時(shí)間變化載荷的應(yīng)力大小和位移變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。驅(qū)動(dòng)橋殼在最大沖擊載荷工況時(shí)，橋殼受到的最大應(yīng)力為210.19 MPa,最大位移為0.697 11 mm，驅(qū)動(dòng)橋殼基于路面譜隨機(jī)載荷工況時(shí)，橋殼受到的最大應(yīng)力和位移為122.56 MPa和0.107 2 mm，且變化相對穩(wěn)定。驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。該方法可為其他工況下的動(dòng)態(tài)分析提供參考意見，也可為以后驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，疲勞分析以及輕量化處理提供參考依據(jù)，對簡化設(shè)計(jì)周期，節(jié)約試驗(yàn)成本也具有一定的工程實(shí)踐意義。