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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

多剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真時(shí)認(rèn)為零部件不會(huì)產(chǎn)生變形，而車(chē)輛行駛過(guò)程中，由于其零部件本身具有彈性，它一方面繞固定坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，另一方面相對(duì)自身局部坐標(biāo)系做彈性變形，因此當(dāng)零部件的變形對(duì)整車(chē)動(dòng)態(tài)特性的貢獻(xiàn)不可忽略時(shí)，為了使模型更接近真實(shí)系統(tǒng)，使仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確，就必須要從多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度來(lái)進(jìn)行分析［1－4］。目前有很多學(xué)者從模型精確性和仿真經(jīng)濟(jì)性?xún)煞矫婵紤]，建立系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

本文以60t鉸接式自卸車(chē)為研究對(duì)象，建立以車(chē)架為柔性體，其它零部件為剛性體的整車(chē)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)不同行駛工況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，得到了車(chē)架關(guān)鍵位置處的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)，仿真數(shù)據(jù)可為鉸接式自卸車(chē)的設(shè)計(jì)改進(jìn)、車(chē)架的疲勞壽命預(yù)測(cè)分析提供重要參考依據(jù)。

1 鉸接式自卸車(chē)基本結(jié)構(gòu)

鉸接式自卸汽車(chē)（Articulated Dump Truck，簡(jiǎn)稱(chēng)“ADT”）是駕駛室和車(chē)體之間具有鉸接點(diǎn)和擺動(dòng)環(huán)的自卸汽車(chē)［5－6］。它起源于20世紀(jì)60年代末的歐洲，是適應(yīng)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(yùn)輸汽車(chē)和鏟運(yùn)機(jī)之間的鏟土運(yùn)輸設(shè)備。

鉸接式自卸車(chē)主要由前車(chē)架、后車(chē)架、鉸接體、懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、貨箱、輪胎等構(gòu)成（圖1所示）。該車(chē)輛的主要特點(diǎn)是前、后車(chē)架用鉸接體相連，前車(chē)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(chē)架獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)以減小車(chē)架扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

圖1 鉸接式自卸車(chē)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of articulated dump truck

2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模與仿真分析

2.1 整車(chē)多剛體動(dòng)力學(xué)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(chē)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?。先利用SolidEdge軟件建立鉸接式自卸車(chē)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(chē)多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖2所示［7］。

圖2 多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型（隱去前后車(chē)身）Fig.2 Multi－rigid－body dynamics simulation model

2.2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的建立

將鉸接式自卸車(chē)中的柔性體模型導(dǎo)入ANSYS中，定義單元類(lèi)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(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，生成模態(tài)中性文件，替換多剛體動(dòng)力學(xué)模型中的剛性車(chē)架［8－10］，進(jìn)而建立以車(chē)架為柔性體，其它部件為剛性體的鉸接式自卸車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

2.3 仿真及結(jié)果分析

選取C級(jí)和D級(jí)路譜，分別對(duì)鉸接式自卸車(chē)在40km／h、30km／h和20km／h滿(mǎn)載狀態(tài)行駛下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。

圖3 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型Fig.3 Rigid－flexible coupling dynamics simulation model

1）對(duì)鉸接式自卸車(chē)在C級(jí)路面上，以40km／h的速度滿(mǎn)載勻速行駛工況進(jìn)行仿真，獲得車(chē)架的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)（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(chē)架質(zhì)心的垂直加速度響應(yīng)功率譜密度最大值為6.7324m2／s3，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率（優(yōu)勢(shì)頻率）為2.3926Hz，加速度最大值為7.8229 m／s2，加速度響應(yīng)均方根值為2.7387m／s2；后車(chē)架質(zhì)心的垂直加速度響應(yīng)功率譜密度最大值為3.291 m2／s3，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率（優(yōu)勢(shì)頻率）為2.4902Hz，加速度最大值為5.5019m／s2，加速度響應(yīng)均方根值為1.9619m／s2。

2）對(duì)鉸接式自卸車(chē)在C級(jí)路面上，以30km／h的速度滿(mǎn)載勻速行駛工況進(jìn)行仿真，獲得車(chē)架的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)（VC＝30km／h）Fig.5 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VC＝30km／h）

3）對(duì)鉸接式自卸車(chē)在C級(jí)路面上，以20km／h的速度滿(mǎn)載勻速行駛工況進(jìn)行仿真，獲得車(chē)架的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)（VC＝20km／h）Fig.6 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VC＝20km／h）

4）對(duì)鉸接式自卸車(chē)在D級(jí)路面上，以40km／h的速度滿(mǎn)載勻速行駛工況進(jìn)行仿真，獲得車(chē)架的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)（VD＝40km／h）Fig.7 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VD＝40km／h）

5）對(duì)鉸接式自卸車(chē)在D級(jí)路面上，以30km／h的速度滿(mǎn)載勻速行駛工況進(jìn)行仿真，獲得車(chē)架的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)（VD＝30km／h）Fig.8 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VD＝30km／h）

6）對(duì)鉸接式自卸車(chē)在D級(jí)路面上，以20km／h的速度滿(mǎn)載勻速行駛工況進(jìn)行仿真，獲得車(chē)架的加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 加速度響應(yīng)及加速度功率譜密度曲線(xiàn)（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(chē)在不同路面、不同車(chē)速下行駛，仿真得出的車(chē)架質(zhì)心垂直加速度響應(yīng)功率譜密度的最大值，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率（優(yōu)勢(shì)頻率）、加速度的最大值以及加速度響應(yīng)均方根值如表1所示。

3 結(jié)論

1）當(dāng)鉸接車(chē)路面激勵(lì)和裝載質(zhì)量相同時(shí)，車(chē)輛行駛速度越大，車(chē)架質(zhì)心的垂直方向加速度及加速度均方根值越大，車(chē)架振動(dòng)越劇烈。

2）當(dāng)鉸接車(chē)的車(chē)速及裝載質(zhì)量相同時(shí)，路面激勵(lì)不同，路面狀況越惡劣，車(chē)架質(zhì)心的垂直方向加速度及加速度均方根值越大，即車(chē)架振動(dòng)越劇烈。

3）功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過(guò)仿真分析得出的時(shí)域信號(hào)的功率譜密度（PSD）曲線(xiàn)，準(zhǔn)確獲取了激勵(lì)信號(hào)在感興趣頻率范圍內(nèi)的能量分布情況。

4）車(chē)架的各階模態(tài)的固有頻率應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離激勵(lì)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(duì)車(chē)架的激勵(lì)能量多集中在20Hz以?xún)?nèi)，且在2Hz附近具有明顯的峰值，表明在這些頻率下激勵(lì)能量較大，但這些頻率均遠(yuǎn)離了車(chē)架的固有頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

表1 不同工況下鉸接式自卸車(chē)車(chē)架仿真結(jié)果Table 1 The simulation results under different working conditions

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