劉彪杰,劉攀,祁孟偉
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基于路面隨機輸入的大伸縮比車載轉(zhuǎn)運平臺的動態(tài)分析*
劉彪杰,劉攀,祁孟偉
(成都師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610000)
在分析路面頻率與時間頻率功率譜密度關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立了路面隨機信號生成模型,仿真生成C級路面譜;在SOLIDWORKS中建立車載轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺的參數(shù)化有限元模型,分析各工況下輪胎接地點的載荷譜大小,利用傳遞函數(shù)等相關(guān)公式得到路面隨機輸入下的平臺動態(tài)響應(yīng)特征,最后在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析、隨機振動分析得到其應(yīng)力大小,分析轉(zhuǎn)運平臺的結(jié)構(gòu),給出模型改善建議,提高其可靠性以達(dá)到預(yù)期效果。
功率譜密度;路面譜;預(yù)應(yīng)力模態(tài);隨機振動
隨著專用汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展,對車載轉(zhuǎn)運平臺性能的需求有所增加?,F(xiàn)有轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺多為液壓系統(tǒng)作業(yè),動態(tài)特性欠佳、工作變形大,且其在調(diào)平過程中難以實現(xiàn)定比傳動,影響運載設(shè)備穩(wěn)定性,考慮到液壓件制造精度及裝配要求高,且易受環(huán)境影響,發(fā)生故障不易檢查和排除等因素[1]。針對現(xiàn)有車載轉(zhuǎn)運平臺設(shè)計出大伸縮比電機升降式車載轉(zhuǎn)運平臺,使該設(shè)備具有以下功能:(1)作為升降平臺,采用大伸縮比二級復(fù)合式支腿,其安裝空間小,且可使車載平臺重心偏低,同時滿足車載儀器快速精準(zhǔn)升到一定高度;(2)作為轉(zhuǎn)運平臺,其在多工況下轉(zhuǎn)運時表現(xiàn)出較好的動態(tài)特性,譬如轉(zhuǎn)運時車架變形小,運載設(shè)備受路面沖擊小等;(3)大伸縮比轉(zhuǎn)運平臺在運載特殊精密儀器時,機動性和抗干擾能力強。
該升降轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺是一款有針對性的實用型綜合性能良好的車載轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺,既具有底盤功能,又可作為穩(wěn)定工作平臺使用[2-3]。
路面不平度作為汽車的激勵,受到國內(nèi)外專家的關(guān)注,1984年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在文件ISO/TC108/SC2N67中提出了“路面不平度表示方法草案”,中國也參照制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn),由長春汽車研究所起草制定了GB/T7031—1986《車輛振動輸入路面不平度表示方法標(biāo)準(zhǔn)》。兩份文件中均建議路面功率譜密度Gq(n)用(1)式作為擬合表達(dá)式:
式中n 為空間頻率,n0參考空間頻率,Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值[4]。
本文采用濾波白噪聲生成路面譜。即:
式中q(t)為路面位移,依照GB/T4970—2009,C級瀝青路面時,Gq(n0)=256*10-6m-3,u=40km/h,即11.11m/s,W(t)為均值為零的高斯白噪聲,f0為下截止頻率,取值0.1Hz。
Simulink仿真圖樣如圖1所示,汽車所受地面激勵輸入的仿真信號如圖2所示。
圖1 Simulink仿真圖樣
圖2 汽車所受地面激勵輸入時域仿真信號
(橫軸為時間/s, 縱軸為位移/mm)
模型的建立以及激勵的頻域化處理是接下來分析的基礎(chǔ)。模型的簡化有利于建模,但過于簡化往往導(dǎo)致分析結(jié)果誤差偏大,因此模型的建立至關(guān)重要。車架的隨機振動分析,激勵源于路面,經(jīng)懸掛系統(tǒng)作用于車架,頻域化處理便于對車架動態(tài)分析。
本文采用solid works軟件對轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺進(jìn)行三維建模,其相關(guān)性能設(shè)計參數(shù)如下:
①微型車載轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺載重約為2t,長3m,寬1.2m;
②轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺升降最大行程為1300mm,升降時間小于4分鐘;
③支腿和平臺總成材料主要是Q235,其驅(qū)動部分選用型號為SJA200的螺旋升降電機。
車載轉(zhuǎn)運平臺總成如下圖3所示:
圖3 大伸縮比車載轉(zhuǎn)運平臺總成
轉(zhuǎn)運平臺簧下質(zhì)量m1=36Kg,簧上質(zhì)量m2=400Kg,輪胎剛度k1=170000,懸掛剛度k2=13000,對應(yīng)阻尼c=1000。所建Simulink仿真如下圖4所示。
圖4 1/4轉(zhuǎn)運平臺懸掛系統(tǒng)建模
將路面時域激勵信號輸入懸掛系統(tǒng)的Simulink模型,求解出作用于車架節(jié)點的緩沖后的時域激勵,然后通過傅里葉變換,換算出作用于車架節(jié)點的激勵的頻域響應(yīng),以便于對車架作隨機振動分析。換算后激勵的頻域響應(yīng)如下圖5所示。
圖5 作用于車架節(jié)點處位移的頻域響應(yīng)
結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)的影響。與靜力學(xué)不同,動力分析要考慮隨時間變化的力載荷及它對阻尼和慣性的影響[6]。本文針對車架作以下分析, 在分析靜力學(xué)的基礎(chǔ)上,對車架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,然后將Simulink 仿真出的位移頻域響應(yīng)作為激勵,對車架進(jìn)行隨機振動分析。
將之前建立好的三維模型導(dǎo)入至ANSYS分析模塊中,修改材料參數(shù)后,網(wǎng)格劃分共有117911個節(jié)點,42123個單元。邊界約束條件為約束車架懸掛節(jié)點的橫向和縱向的自由度,對其垂向自由度不作限制,然后對車架進(jìn)行加載,除自重外,加載1t 均布力于車載臺面。先對車加靜力學(xué)分析,然后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)和隨機振動分析。具體分析流程如下圖6所示。
圖6 動態(tài)分析流程圖
車架預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析中的邊界條件模擬真實工況,能準(zhǔn)確的求解出車架在具體工況下的動態(tài)性能[5]。其結(jié)果不僅可用來分析車架的性能,還可以通過固有頻率和振型直接對車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價。此處考慮的預(yù)應(yīng)力情況,是在C級路面上勻速行駛時,由自身質(zhì)量和承載質(zhì)量而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果如下圖7所示。
圖7 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果
由于C級路面激勵頻率小于30Hz,從分析結(jié)果來看,車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,避開了源于路面激勵而引起的共振等災(zāi)害滿足車載平臺的運輸需求。
隨機振動分為單點和多點,單點隨機振動分析時要求在結(jié)構(gòu)的一個點集上指定一個功率譜密度;多點隨機振動分析時,則要求在模型的不同點集上指定不同的功率譜密度[6-7]。本文采用單點隨機振動對車架進(jìn)行分析,分析結(jié)果如下圖8,圖9所示。
圖8 隨機振動位移云圖
圖9 隨機振動應(yīng)力云圖
由云圖7可知,車架在位移頻域激勵下,兩前支腿中部和轉(zhuǎn)向支架處出現(xiàn)位移變形最大,但仍小于1mm,變形較小,不影響車載平臺的使用性能;云圖8分析可知,車架應(yīng)力最大處出現(xiàn)在懸掛支撐處以及四個支腿安裝支架附近,最大應(yīng)力為14.186MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,車架的安全系數(shù)極高,結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材滿足設(shè)計需求。
本文針對以電機作為驅(qū)動的車載轉(zhuǎn)運平臺模型,仿真出在C級路面激勵下,經(jīng)懸掛系統(tǒng)后作用于車架的位移頻域激勵 ,通過對車架靜力學(xué),預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析得到了平臺的應(yīng)力、應(yīng)變變化情況及預(yù)應(yīng)力模態(tài)相關(guān)參數(shù),并對其進(jìn)行PSD位移隨機振動分析。結(jié)果表明設(shè)計的轉(zhuǎn)運平臺具有動態(tài)變形小,運載設(shè)備受路面沖擊小,且受力良好,安全系數(shù)高等優(yōu)點,符合設(shè)計要求,同時這也為轉(zhuǎn)運作業(yè)平臺的前期開發(fā)研究提供依據(jù),縮短了設(shè)計周期,降低了設(shè)計成本。
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A Large Scale Magnification Ratio of Car Transport Platform Dynamic Analysis Basedon the Random Road Input
Liu Biaojie, Liu Pan, Qi Mengwei
(Chengdu Normal University, College of Physics and Engineering, Sichuan Chengdu 610000)
Based on the relationship between the analysis of pavement frequency and the frequency-time spectral density function, set up a model of random signal generative model, and generate a C level road spectrum; establish a car transport work platform Parametric finite element model in SOLIDWORKS . Analyzing the size of the tire ground under the condition of load spectrum, then using the transfer function and relevant formulas to get the platform for the dynamic response under road random input and proceeding the modal analysis in ANSYS, then doing the random vibration analysis to get its stress, at last analyzing the structure of transport platform and giving the improvement suggestions of the model to improve the reliability to achieve the desired effect.
power spectral density; Road surface spectrum; pre-stressed modal; Random vibration
A
1671-7988(2019)03-118-03
U462
A
1671-7988(2019)03-118-03
U462
劉彪杰,(1986-),男,碩士研究生,就職于成都師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院,研究方向,汽車性能測試與仿真。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.037