李 勉， 頓文濤， 袁 帥， 趙玉成， 蔡 鑌，鄭寶周， 馬斌強(qiáng)， 袁 超

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014；3.河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，河南 鄭州 450008)

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基于ANSYS的自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析

李 勉1， 頓文濤1， 袁 帥2， 趙玉成3， 蔡 鑌1，鄭寶周1， 馬斌強(qiáng)1， 袁 超1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014；3.河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，河南 鄭州 450008)

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對(duì)自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了三角臂在工作過(guò)程中的受力情況以及最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。這種方法實(shí)現(xiàn)了在同一界面展現(xiàn)出整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況以及其中關(guān)鍵部件的應(yīng)力分布和變化情況。

自卸車(chē)；舉升機(jī)構(gòu)；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真； ANSYS Workbench

自卸車(chē)廣泛應(yīng)用在土木工程、礦山施工等領(lǐng)域中，是中國(guó)專(zhuān)用汽車(chē)中產(chǎn)量最大的車(chē)型[1,2]。舉升機(jī)構(gòu)是自卸車(chē)的核心工作系統(tǒng)，有多種組合方式，其中前推拉桿放大式舉升機(jī)構(gòu)(T式舉升機(jī)構(gòu))具有良好的油壓特性和穩(wěn)定的舉升性能而被廣泛應(yīng)用。舉升機(jī)構(gòu)在裝卸貨物時(shí)受到作用力的大小時(shí)刻變化，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響著自卸車(chē)的使用性能和壽命。因此，對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度分析是十分必要的，尤其是強(qiáng)度分析顯得更為重要。和好學(xué)等[3]，栗燦[4]，廖芳等[5]利用ADAMS軟件對(duì)自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到其中關(guān)鍵部件受力最大的位置以及此處各鉸接點(diǎn)的載荷分布情況，并以此位置作為強(qiáng)度校核位置對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，得出強(qiáng)度分析情況；闞萍等[6]建立自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件的柔性體模態(tài)中性文件，利用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)ADAMS軟件和ANSYS軟件的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵部件的極限工況的強(qiáng)度校核。以上研究均得到了自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件在某一極限工況位置的強(qiáng)度分析情況，是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的靜態(tài)分析，而未能展現(xiàn)這些關(guān)鍵部件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力分布和變化情況。本研究以某自卸車(chē)的液壓舉升機(jī)構(gòu)為例，將三角臂作為柔性體，利用ANSYS Workbench軟件平臺(tái)中的Transient Structural模塊將瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)用于液壓舉升機(jī)構(gòu)，得到了三角臂在工作過(guò)程中受力情況以及最大應(yīng)力的變化情況。這種方法真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的強(qiáng)度分析，使整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況以及其中關(guān)鍵部件的應(yīng)力分布和變化情況在同一界面展現(xiàn)出來(lái)。

1 自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的仿真模型

1.1 舉升機(jī)構(gòu)的等效模型

本研究所述的自卸車(chē)采用平頭駕駛室，車(chē)廂尺寸為4 500 mm×1 800 mm×1 200 mm，整車(chē)質(zhì)量為3 000 kg，滿載質(zhì)量為7 000 kg，最大設(shè)計(jì)舉升角為50°。其舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。舉升機(jī)構(gòu)采用前推拉桿放大式液壓舉升機(jī)構(gòu)，主要由三角臂ABC、車(chē)廂CD、拉桿AF和液壓油缸BE組成。點(diǎn)O是車(chē)廂與車(chē)架的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)A是三角板與拉桿的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)B是三角臂與液壓油缸相連的銷(xiāo)軸的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)C是三角板與車(chē)廂的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)F是拉桿與車(chē)架的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)E是液壓油缸缸筒與車(chē)架的鉸接點(diǎn)。工作時(shí)，液壓油缸活塞桿BE伸長(zhǎng)，三角臂ABC和拉桿AF隨著點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)廂CD繞點(diǎn)O傾翻，貨物卸完后，車(chē)廂靠自重復(fù)位。圖1中ABCDEF和A’B’C’D’EF(虛線)分別為舉升機(jī)構(gòu)的初始位置和終止位置。

圖1 舉升機(jī)構(gòu)等效模型簡(jiǎn)圖(單位：mm)

1.2 舉升機(jī)構(gòu)的仿真模型

根據(jù)圖1所示自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的位置約束尺寸以及三角臂ABC和拉桿AF的尺寸：AC=1 098 mm，BC=866 mm，AB=317 mm，AF=1 705 mm，利用Pro/E軟件建立自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的三維模型[7]，并將其無(wú)縫導(dǎo)人ANSYS Workbench軟件中，與Transient Structural模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的仿真模型，如圖2所示。其中，設(shè)置三角臂的材料為16MnL，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度σs=325 MPa，強(qiáng)度極限為500 MPa，其余部件均采用系統(tǒng)中的structural steel材料。

1．車(chē)廂；2．銷(xiāo)軸；3．三角臂；4．活塞桿；5．拉桿；6．缸筒；7．車(chē)架。

1．Wagon box；2．Pin；3．Triangular plate；4．Cylinder rod；5．Tie rod；6．Cylinder；7．Frame.

圖2 自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)仿真模型

Fig.2 The simulation model of lifting mechanism of a dump truck

1.3 運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的建立

在仿真模型建立之后，各構(gòu)件之間必須通過(guò)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)(Joint)建立連接，這樣才能使整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行仿真分析。在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析中，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的選取是否合理，決定了計(jì)算分析過(guò)程能否順利進(jìn)行和計(jì)算結(jié)果是否可靠。在Transient Structural模塊中建立各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接方式時(shí)，需根據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)的自由度和軟件自身對(duì)冗余約束的分析結(jié)果，修改運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的連接方式以消除冗余約束。另外，還要注意局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的設(shè)置，保證構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況與未約束的自由度相符。在本文中，自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)建立的連接方式：JointD、JointE、JointF1 和JointF2均采用Body-Body中的Revolute連接；JointA1和JointA2均采用Body-Body中的Cylindrical連接；JointB1采用Body-Body中的Spherical連接；JointB2、JointC1和JointC2均采用Body-Body中的General連接；JointG采用Body-Body中的Fix連接；液壓油缸缸筒與活塞桿之間的連接采用Body-Body中的Translational連接。

2 自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 仿真分析設(shè)置

在仿真模型運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)建立之后，需要設(shè)置合適的仿真分析的時(shí)間和環(huán)境，使機(jī)械機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。本研究首先設(shè)置仿真分析的時(shí)間為30 s，最小時(shí)間步為0.01 s，最大時(shí)間步為0.05 s，接著設(shè)置自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的重力加速度，然后在液壓油缸缸筒和活塞桿的Translational關(guān)節(jié)上加載Joint Loads，類(lèi)型為速度，速度在第10秒加速到0.041 m·s-1，接著勻速運(yùn)動(dòng)到第20秒，在第30秒減速到0 m·s-1。

2.2 仿真分析結(jié)果

將自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的仿真模型中的三角臂設(shè)置為柔性體，其余均設(shè)置為剛體，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對(duì)自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到在工作過(guò)程中三角臂在JointA1、JointB1和JointC1處受到的作用力以及最大應(yīng)力的變化情況。

2.2.1 三角臂的受力分析 在局部坐標(biāo)系xAAyA中，三角臂與拉桿的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接JointA1對(duì)三角臂的作用力隨時(shí)間變化的情況如圖3所示。在工作過(guò)程中，xA方向三角臂始終受到拉桿向左的推力作用，在1～3 s這段時(shí)間推力達(dá)到最大值且變化不大，此后推力近似線性減小，在27 s大小近似為0；yA方向三角臂最初受到拉桿的拉力作用，在6 s之后，三角臂受到拉桿的推力作用，在20 s前后達(dá)到最大。

在局部坐標(biāo)系xBAyB中，在JointB1處與液壓油缸相連的銷(xiāo)軸對(duì)三角臂的作用力隨時(shí)間變化的情況如圖4所示。在工作過(guò)程中，xB方向三角臂始終受到銷(xiāo)軸向左的推力作用，在1～25 s期間推力近似線性減??；yB方向三角臂受到銷(xiāo)軸的推力作用，在15 s前后達(dá)到最大。

圖3 JointA1處的作用力隨時(shí)間變化曲線

圖4 JointB1處的作用力隨時(shí)間變化曲線

在局部坐標(biāo)系xCAyC中，三角臂與車(chē)廂的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接JointC1對(duì)三角臂的作用力隨時(shí)間變化的情況如圖5所示。在工作過(guò)程中，xC方向三角臂最初受到車(chē)廂向左的推力作用，在4 s左右推力達(dá)到最大值，在14 s后，由于車(chē)廂在運(yùn)動(dòng)中的慣性作用，三角臂受到車(chē)廂向右的拉力作用；yC方向三角臂始終受到車(chē)廂的壓力作用，在3 s前后，三角臂受到的壓力最大。

2.2.2 三角臂的應(yīng)力分析 在工作過(guò)程中，三角臂的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況如圖6所示。三角臂的最大應(yīng)力在1～5 s期間達(dá)到最大，在0～2 s出現(xiàn)一定的波動(dòng)，2～5 s期間變化不大，基本在90 MPa左右，在5 s之后近似線性減小。

圖5 JointC1處的作用力隨時(shí)間變化曲線

圖6 三角臂的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

在整個(gè)工作過(guò)程中，三角臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第3秒，三角臂應(yīng)力分布云圖和三角臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置如圖7所示。由圖7可知，車(chē)廂的舉升角度大約為5°，最大應(yīng)力出現(xiàn)在三角臂與車(chē)廂的鉸接處，并且三角臂在與車(chē)廂鉸接的兩邊的邊緣也出現(xiàn)較大應(yīng)力。

圖7 三角臂的應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

借助ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊對(duì)某自卸車(chē)的舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，在分析中將舉升機(jī)構(gòu)的三角臂作為柔性體處理，得到了在整個(gè)工作過(guò)程中，三角臂的應(yīng)力變化情況。其中，當(dāng)車(chē)廂傾斜角度為5°時(shí)，三角臂在與車(chē)廂的鉸接處出現(xiàn)最大應(yīng)力。這種方法不僅得到了在工作過(guò)程中三角臂在鉸接處的受力情況和三角臂的最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，而且還直觀地展現(xiàn)了在整個(gè)工作過(guò)程中，在不同時(shí)刻，車(chē)廂舉升到不同位置，三角臂的應(yīng)力分布情況。這種仿真分析方法只需要一個(gè)軟件平臺(tái)，不需要將分析數(shù)據(jù)在不同分析軟件之間相互交換，就能完成機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)分析和強(qiáng)度分析，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分析。

[1] 徐 達(dá)，蔣崇賢．專(zhuān)用汽車(chē)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1998．

[2] 徐格寧，左一凡，王敬川．自卸車(chē)前推連桿式舉升機(jī)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．建筑機(jī)械，2008(5)：82-83．

[3] 和好學(xué)，李尚平，李 冰，等．自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的失效原因分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，26(2)：81-82．

[4] 栗 燦．基于虛擬樣機(jī)的自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2014．

[5] 廖 芳，王 承．基于虛擬樣機(jī)與有限元技術(shù)的自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(3)：96-97．

[6] 闞 萍，錢(qián)立軍，黃 偉．自卸車(chē)舉升結(jié)構(gòu)件改進(jìn)設(shè)計(jì)及分析[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31(1)：143-145．

[7] 馬斌強(qiáng)．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某機(jī)動(dòng)型雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2011．

(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

Transient dynamics simulation of lifting mechanism of a dump truck based on ANSYS

LI Mian1， DUN Wentao1， YUAN Shuai2， ZHAO Yucheng3， CAI Bin1，ZHENG Baozhou1， MA Binqiang1， YUAN Chao1

(1.Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya′an 625014,China; 3.Henan Agricultural Mechanical Test Appraisal Station, Zhengzhou 450008, China)

The transient dynamics simulation of lifting mechanism of a dump truck is conducted by means of the transient structural module of ANSYS Workbench software in the paper. In the process of the simulation analysis, the two triangular plates are set as flexible bodies. As the results, the curves of force reaction over time on the joints of the triangular plate are obtained, so is the curve of maximum stress of the triangular plate over time. By this means, both the motion of the mechanism system and the time-varying stress distribution are showed in real time in the same simulation platform.

dump truck； lifting mechanism； transient dynamics simulation；ANSYS Workbench

2014-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31100067)；河南省科技廳科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目 (112102210212)

李 勉(1979-)，男，河南南陽(yáng)人，講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)和信息技術(shù)方面的研究。

馬斌強(qiáng)(1979-)，男，河南靈寶人，實(shí)驗(yàn)師；袁 超(1961-)，男，河南開(kāi)封人，副教授。

1000-2340(2015)03-0353-04

TH132

A