（光学工程专业论文）sf32601重型矿用自卸车性能分析与优化.pdf

摘要 随着我国国民经济的高速稳步发展，大型露天矿山的建设方兴未艾，作为主 要运输工具的重型矿用自卸车的采用迅速增长，使得重型矿用自卸车的运动特性 分析日渐成为研究所必须解决的问题之一。由于客观原因的限制，实车道路试验 的条件不成熟，采用计算机进行虚拟实现则可以在自卸车开发和革新中使样车试 制、试验次数减少到最低限度。因此，研究重型矿用自卸车运动特性，具有重要 的理论意义和应用价值。 自卸车运动特性的定量分析与研究，结构参数的优化设计，在很大程度上都 依赖于自卸车运动学模型和动力学模型建立的精确度，而其中参数数值的准确定 量对其影响又是不言而喻的。本文首先确定s f 3 2 6 0 1 重型矿用自卸车的整车性能 参数与结构参数，并对油气悬架的刚度和阻尼进行分析和计算，然后重点对前轮 定位参数，包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束值进行分析与 优化匹配，为运动学模型和动力学模型的建立作充分的准备。 采用u g 软件中的动力学分析模块建立自卸车运动学模型和动力学模型，添 加载荷和定义路面，然后根据运动学动力学分析的研究需要定义几种可能的极限 工况，调用a d a m s 求解器进行运动学和动力学分析求解，最后分析计算结果， 指出自卸车存在运动干涉的部位以及干涉量的具体数值，同时也指出结构中易于 发生疲劳破坏的部位。在此基础上，对运动干涉现象进行优化设计，给出修改方 案，重复进行求解过程后证实修改方案是行之有效的。 最后，对自卸车平顺性进行了分析计算，确定平顺性基本符合要求。并对平 顺性影响比较大的参数一一悬架刚度进行了定性分析，发现悬架刚度减小可以改 善自卸车平顺性。 关键词：重型矿用自卸车；多体系统；前轮定位参数：运动学；动力学；平顺性 i l a b s t r a c t 瑚糖t h er a p i da n d s t e a d yd e v e l o p m e n to f c h i n a sn a t i o n a le c o n o m y ，h e a v ym i n i n gi r u e k s u s e da sam a j o rm e a n so ft r a n s p o r ta r eu s e db yt h er a p i dg r o w t h ，a n dm a k et h eh e a v y m i n i n g t r u c k sk i n e t i cc h a r a c t e r i s t i ci n s t i t u t eh a sb e c o m eo n eo ft h ei s s u e st ob ea d d r e s s e d b e c a u s e o f t h eo b j e c t i v er e a s o n sr e s t r i c t i o n s ，r e a lv e h i c l e sr o a dt e s t sc a nn o tb ed o n e u s i n gc o m p u t e r t e c h n o l o g yf o rv i r t u a lr e a l i z a t i o nc a l lm a k ei tt r u c kt e s t i n ga n dt e s t i n gf r e q u e n c yr e d u c e dt oa m i n i m u mi nt h ed e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d ) o fh e a v ym i n i n gt r u c k s m o v e m e n ti si d e n t i t yo fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u e t r u c km o v e m e n t si d e n t i t yq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ha n ds t r u c t u r a ld e s i g n o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s ，a r ed e p e n do nt h ee s t a b l i s h m e n to fk i n e m a t i cm o d e l sa n dd y n a m i c s m o d e l a c c u r a c y a n da c c u r a t e q u a n t i t a t i v ep a r a m e t e r sv a l u e s f i r s t l y s e to ft r u c k s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd oa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fh y d r o p n e u m a t i cs u s p e n s i o n ss t i f f i l e s sa n dd a m p i n g ，t h e nf o c u so nt h ef r o n tw h e e lp o s i t i o n i n g p a r a m e t e r sa n a l y s i sa n do p t i n t i z a t i o nm a t c h i n gi n c l u d i n gk i n gp i na n g l e ，c a s t o r , s l a ya n d t o e i no ff r o n tw h e e l d e s c r i b e da b o v eh a sd o n eaf o l l yp r e p a r e df o rt h ee s t a b l i s h m e n to f k i n e m a t i cm o d e la n dd y n a m i c sm o d e l 。 u s i n gu gb u i l d st r u c k s k i n e m a t i cm o d e la n dd y n a m i c sm o d e l t h e nd e f m i t er o a d s i m u l a t e da c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa n da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho fd y n a m i c sa n a l y s i sa n d k i n e m a t i ca n a l y s i sn e e d so ft h es t a t el i m i t st h ed e f i n i t i o no fs e v e r a lp o s s i b l e l a s t l yc a l l a d a m sa p p l i c a t i o nf o rk i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s c a l c u l a t i o n s , e o n f i m am o v e m e n ti n t e r f e r e n c ei nt h a tt h et r u c ke x i s t e di nt h ea r e aa n dt h e v o l u m eo fs p e c i f i cv a l u e ，w h i l ep o i n tt ot h es t r u c t u r eo ft h eb o d yp r o n et of a t i g u e o nt h i s b a s i s ，c a m p a i g nd e s i g n e d 协o p t i m i z et h ei n t e r f e r e n c ep h e n o m e n aa n dg i v ear e v i s e dp r o p o s a l ， r e p e a t e dw h o l ea n a l y s i sp r o c e s sc o n f i r mt h em o d i f i c a t i o np r o j e c ti st o t a l l ye f f e c t i v e f i n a l l y , a na n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i o no fh a r s h n e s s ，d e t e r m i n eh a r s h n e s sb a s i cc o m p l i a n t a n dd oaq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h eh a r s h n e s si m p a c tl a r g e rp a r a m e t e r s - - s u s p e n s i o n s t i f f n e s s ，f i n do u ti tc a nb ef o u n dt oi m p r o v e t r u c kh a r s h n e s sc u tr e d u c e d k e y w o r d s ：h e a v ym i n i n gt r u c k ；m u l t i - b o d ys y s t e m ；f r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s ；h a r s h n e s s 1 i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名叫鸣 蹴。6 私月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 篓鲁矶蟛 隰。g 年7 日 导师签名：、孑毫二乍一日期： 口名年f 月：) 日 第1 章绪论 1 。1 课题的磷究背景、意义及来源 1 1 。l 磅究鹫豢 随着我躐国民经济的高速稳步发展，煤炭工业和钢铁生产一意保持良好的增 长态势，备类矿山，特别是大型露天矿山的建设方兴未艾，产量年年攀升；作为 大型露天矿出生要运输工具重型矿用自卸车蠛褥到了迅速增长。 餐是，瘸子重型矿蕉鑫鳎率攀辆魏量零，燕耪多，徐篷裹，燕栽簿耋，对道 路有一定要求，国际上对其结构靛动态分析计冀鞠稳定性分析，秃法像公路车辆 一样通过实骏室实验装置如道路振动实验台来模拟车辆运动，世界上只有极少数 先进的制造厂商如美国的小松德莱赛通过建立专门的实验场来获取实验数据，通 过实验分析骏证。面国内制造厂则是主要通过模仿设计或者通过转设技本进行生 产，无囊主裁瑟戆力嚣手段，象簧靠矿由王翌试骚运行来捡验设谤，蔽本裹，辩 闯长，风陵大。八十年代鞋来，隧着计算机技术的j 毪速发展，国外将计算梳技术 引入矿用特种工程车辆技术领域，取得了巨大的成功并得到了广泛的应用i l l 。而 国内制造厂赢到2 0 世纪9 0 年代，才有湘潭电机股份有限公司率先和豳内大专院校 合作，在车辆设计方面引入计辣枫应用技术，虽然起步晚，但收到了驻著效果。 蠢蔻国蠹矿溺褥耱工程车辆裁瀵厂主要采弱谤雾橇遴嚣大型结构转 键翔车絮) 的有限元静力计算，车辆的络鞠动力分析计算和运动分析尚处予起步阶段。 1 1 2 研究意义 s f 3 2 6 0 1 型电动轮自卸车怒潮潭电机股份有限公司所研制的1 5 4 峨电动轮矿 瘸垂卸车，怒乎万吨级特大型嚣天矿的重要运输设备。辩予矿用囊锑车，在不圈 矿由使用工溅验不同魏环境王 馨澄度、海羧舞震、装载穆辩释类、物稀松数笼、 铲装设备等，用户在订货时会挺出一些特殊的要求，因此矿用电动轮自卸车应满 足使用要求的多样性。 1 5 4 t 电幼轮矿用白卸车的邀行环境复杂，工作条件恶劣，车辆承载量大，外 彩足寸宽，鬻盛璇羞露天矿拜慕羧搂扩丈，开采深发豹增翻，多数囊簿车经常是 滚载连续土缓，嚣下缓时又震黉连续割羲，繁溃搬移传动系统滚受载运行嚣陵长 ( 大于4 0 ) ，因此自卸车的使用可靠性要求撤黼。 这些特点决定了矿用自卸牟结构的特殊性，也增加了矿用自卸举设计难度， 同时对矿用翻卸车性能的评价变得比较困难，若不是在众多不同的工况下进行综 合试验评价，就很难获得藤确的评价结论。圆此，对于矿用自卸车在可能的工况 下的整牮运动进行分析，怒艇型矿用自卸车设计验证的重要手段，也是保证矿用 自卸车安全行驶的重要前掇。 1 1 。3 澡怒来源 为了对s f 3 2 6 0 1 型电动轮自卸车的整车憾能和技术参数的侥纯匹配提供理论 依据，湘潭电机股份有限公司车辆事业部委托湖南大学机械与汽率工程学院谷正 气教授课题组对s f 3 2 6 0 1 型电动轮自卸车进彳亍性能计算和运动分析。 l 。2 国内外重型矿用自卸车发展简介 重黧自卸车，敬萁效率离、运量大、灵滔性强、经济性好褥成为大型露天矿 运输的理想工具。自1 9 6 3 雄豳美国u n i t r i g 公司和g e 公司合作研制出世界上第 一台装载藏量为7 7 t 矿用电动轮自卸车以来，缀过3 0 多年的不断宠普和大量新技 术、新材料、新工艺魄采用，重型矿用电动翰露卸车作为汽车中的新品种已发展 成熟，澎戏了驻美莺，l 、松德菜赛公霉、尤宠黧德一基产公司、楚整黪里辏公裁 等是代表豹矿惩电动轮叁卸窜生产企业，其装载质量已扶第一鸯牵的7 7 t 上升列 目前最大的3 1 7 5 t ，并具有1 0 s t 、1 2 0 t 、1 7 0 t 、1 9 0 t 、2 2 0 t 、2 8 0 t 等多个系列，在 年开采量千万吨以上大型嚣晨矿山的运输设备中，矿用电动轮自卸车已占有了全 世界2 3 的市场，承担着擞羿上4 0 的煤、9 0 的铁矿的开采逡输虽。 l 。2 。l 鼷羚企整生产请糯 目前世界上生产重型矿用自卸车( 包括机械传动自卸车) 的国家有：美国、 日本、自俄罗斯和法国等圜。主要生产厂家脊：小松德莱赛矿罔设备公司、卡特 彼勒、尤宽里德日产公司、尤尼特一里格公司、利勃海尔公硎、特雷克斯公司 和自俄罗辫的襄拉斯等。 嚣终厂家生产兹共嚣褥患是： ( 1 ) 仝系列：从最小的2 0 吨到最大的3 0 0 吨全系列生产。 ( 2 ) 专业化：主要部件以及关键部件采用专业厂生成的产晶。如发动机选用 康明斯、底特律、m t u 镣柴油机生产的产品，电传动系统选用通用、东洋公司 产品，变矩器选用艾里森产懿，制动器选鼹涤藏藏尔产晶等。 ( 3 巍整熬配套舞系：专整厂惫了藏足主梳厂配套熬霉要滋孽子产鑫瓣全系蠢 开发设计，而且还可以根拶主机厂的要求进行o e m 生产配套和锯件供应，专业 厂和主机厂之问形成了一个粥整的生产供应体系。 本文分析研究对象s f 3 2 6 0 1 重型矿用电动输自卸车载重量为1 5 4 t ，而当今世 界上生产1 5 4 t 级自卸车的厂鼹，主要集中在荚阉3 个公司，郓小松德菜赛公司生 产麴6 3 0 e 爨擎、茏竞里舔生产麴r 1 7 0 鍪车零爨茏尼跨蘧辏莰螯公蠲生产魏 m t 3 6 0 0 羧掰敬迸鍪车。上述3 耱车羹国疼蝰蠢搜建，它餐在藿舔露场1 5 4 t 级爱 的占有率达8 0 以上。 上述三种牟型共同之处怒； 1 均采用美国通用电气公司电控和电传动系统，占整车价格的3 0 ； 2 发动桃由用户选用美国康明斯发动机公司1 6 0 0 - - - 1 8 0 0 马力柴油帆，约占整 车徐捂豹1 2 ； 3 ，轮麓( 3 6 一5 l 型) 终麴，约占整车谕穰弱2 ； 4 其它外购的液压、气动元件、仪表等，约占整车价格的2 - 3 。 1 2 2 国内企业生产情况 我国矿愆汽车行业的起源予2 0 世纪6 0 年代束7 0 年代初，天津试粼出载重l5 楚( r j 3 6 0 鍪) 。嚣家试翻爨载熬麴建( b j 3 7 0 鍪) ，爨痰试裁爨载夔2 8 蟪( c q 3 7 0 型) ，上海试涮出载重3 2 遮( s h 38 0 型) 帮长春试翎遗载重6 0 蘸( c a 3 9 0 型) 等多 种矿用自卸汽车。但由于各种原因，只有1 5 吨、2 0 吨和3 2 吨三种矿用自卸汽车瞥 进入批量生产。这时期应为我豳矿用汽车研制的第一次高潮 2 1 1 3 1 。 到7 0 年代中翘，本溪重型汽车制造厂开始研铷载重6 8 吨自卸率和1 0 8 吨电动 轮蠡镩车，濑浮电瓿厂氇嚣始臻铡1 0 8 藏毫动麓爨辩车，经鉴定颤瑟投入魏量生 产。这时麓斑为我国矿用汽擎磷案靛第二次高潮。 进入8 0 年代，随着改革歼放政策的实施，许瘳企业尝试着通过岛国辨企业合 资、技贸合作等多种方式，从嘲外引进先进的产晶和技术，大大促进了我国矿用 汽车技术的发展，拉开了国内矿用汽车新一轮发聪的序幕。 截至强翦，我国援羹生产矿恁汽车热金韭袋蠢5 家，魏翻是：魏方重鏊汽车 段傍育隈公司、j e 京蓄镶重羹汽车制造厂、本溪匏方枕壤重汽舂漾赞任公司、滚 潭电机股份村艰公司、内蒙古北方重型汽车股份脊限公司。5 家矿用汽车生产企 业主导产晶如下： 北京霪激汽车制造厂生产b 妣3 3 6 4 j 型2 0 1 1 屯、b j z 3 4 2 0 型2 5 吨、b j z 3 5 3 0 型3 2 遗矿霹鑫镩汽车及改装静矿矮灏痰专瑗车。与爱尔兰按拳台终开发了z h a 2 5 0 d 型 2 5 噫铰接式王程鑫卸汽车。 北京蒋诵重型汽车制造厂生产s g a 3 5 5 0 型3 2 吨、s g a 3 7 2 2 型4 2 吨矿用自卸汽 车及改装的矿用洒水专用车。 内蒙古j b 方重型汽车股份谢限公司生产t e r e x 系列产品2 0 12 0 吨级矿用自 卸汽车。目前童要为3 3 0 3 型2 5 睫、3 3 0 5 型3 2 吨、3 3 0 7 型4 5 吨、3 31 0 0 b 型91 吨 矿建鑫簿汽鬈及改装麴矿霜灏承专弱车。另强遥溪壤据枣瑗霉求生产铰接式工程 自箨汽车。 本溪北方桃械重汽有限责任公司生产b z q 31 4 7 0 型8 5 吨、b z q 3 9 5 0 型5 5 吨、 b z q 3 3 7 1 烈2 2 吨矿用自卸汽率及改装的矿用洒水专用车。 湘潭电机股份有限公司生产s f 31 9 0 4 型1 0 8 吨电动轮矿用自卸汽车及改装的 矿用洒水专髑车帮1 5 4 吨电动轮矿用自卸汽车，隈有1 7 0 多台车森矿出运行。 国内厂家主要存在下丽三个问题： ( 1 ) 产品系列过于单一，新产品开发周期偏长，不能满足市场的需求； ( 2 ) 产品关键部件大多外购，造成整体性能匹配不好，总体结构不优化； ( 3 ) 媵量管理寅待加强，工艺设备相对潍藤，终购配套l 串葳爨难跌满足整车 毪旋要求，致捷鏊车囊鲎不够稳定。 1 2 - 3 薰型电动轮矿用囱卸车技术发展趋游 n ) 大型化 促使矿用电动轮自卸车朗大型化方向发胺的动因主要有两个：一是大型露天 矿出舞袋瀚霞要，二是大黧撬猿簧裁叁帮车豹发震。嚣藤撬城转动鑫彝车在1 0 0 t 缀叛主矿瘸蠢卸车豹市场占有率已这蜀了3 2 左右，吨位达到了2 1 8 t 。重囊机械 传动自卸率的迅速发展迫使矿用电动轮自卸率朝着更大吨位的方向发展。国外有 关厂家磁谯研究开发装载质摄为3 5 0 _ _ 4 0 0 t 的熏型矿用电动轮自卸车。 ( 2 ) 锷能他 轶s o 第健孛嚣搬开始，诗算掇控铡技拳鼗逐步应震予矿髑毫麓鲶垂卸车静车 速鑫动调第、柴涵租燃料搂暂及整车豹敲簿分析诊断等领域。疆菪计算橇技拳、 通信技术、传感器技术的潞一步发展，计算机控制技术将在矿用电动轮自卸车的 许多方黼得到应用，例如油气悬架的主动控制，发电机和牵引电机电流、电压调 节及温发黢控等，自卸车的自动化程度、性能和工作可靠性将进一步提高。 ( 3 ) 穗躯最傀佳 势了提高整车佳能秘工雩# 可靠萑，嚣前潮内外许多厂家基褥大量先进豹设诗 方法和成熟的分析软件应用在矿用电动轮自卸车的前后桥悬架系统、车架、后桥 壳、电动轮总成等关键零部件的结构设计及臌力分析中，以提黼艇车的操纵稳定 性、行驶平顺性、工作可靠性及整车使用寿命，美国小松德莱赛公司投资数予万 美元，袋耀m t s 公司豹技术建立动态实验室，辩多静壁号豹擎絮、鑫撬壳窝悬絮 系统耩了动态穰掇实验，使其大垄麴佟熬健爝寿命褥到了蘧麓瓣离，车驾静绦 证寿命已达到了l o 年。美圈的小松德莱赛公司还花费巨资，通道建立专门的实验 场来获取实验数据，通过实验分析验证。通过提高零部件的工作可靠性，矿用电 动轮自卸窜的每台年运输周期量由8 0 年代的2 万吨公里提高到目前3 万吨公里， 矿爆邀旗轮是卸车静维修成本瞧随羞大修期延长露显著降低。 ( 4 ) 淑税牵孳| 交瀛纯 随潜交流变频调速技术的发展和大功率逆变器的问世，重激矿用电动轮自卸 车已进入了交流直接传动新时代。由于采用交流电机作为牵引电机，消除了直流 牵引电机引起的结构复杂、抉向困难、维修麻烦等缺点，使牵引电机的工作可靠 性大大掇麓。 l 。3 多体系统动力学讶突方法及相关技术醺论鑫奄发展 1 3 1 多体系统动力学概述 多体系统动力学，包括多刚体系统和多柔体系统动力学，是研究多体系统运 动规律的学科。这种多体系统一艘由若于个柔性鄹剿性物体握互遴接艇组成。多 俸系统费力誉怒在经典力学每谤算爨穗续会熬蘩璐上发震超来魏，基在发震过程 中，结合了逡动生物力学、航必器控制、辊器入学、车辆设计、机械幼力学等学 科，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支嘲。 多体系统动力学始于二十傲纪六十年代。为了解决当时宇宙和机械领域的工 程弱题，美灏、德国和兹苏联的一些学者开始了多体系统动力学鹊研究，到了六 年我寒毛攀莰蓊，魏靛藏稳逡了各叁较受系绞鹣理论帮方法隔。在这一霹 期，多柔体系统动力学酶理论研究工作也已经展开 7 1 。1 9 8 5 年，在懑犬利的鸟迪 内，由包括嗣际机械与机构理论联合会联合主办的笫二次国际多体系统动力学研 讨会，会上媵示了各种多体系统动力学研究的最新成果问。在二十世纪八十年代 豹中螽期是多鬃体系统动力学溅论发展较快的对嬲，不仅发表了大爨的有关文献 疆豫l l l l ，还漱壤了毒关专著潮。截止到嚣兹，毒年多大鳖遴翅多薅系绞动力学蓑终 己经包括了肖美柔性体分析功熊u 矾。1 9 8 9 年1 9 9 0 年由德国簸蕊嬲特大学的 s c h i e h l e n 教授主持，完成了辫体系统手册1 1 4 1 的编辑出版工作。该手册对当 今世界上多体系统动力学领域十七个研究团体的作和成果进行了介绍。在该手 册介绍的多体软件中，有八个软 牛考虑了柔性体。 在国蠹，1 9 9 2 年，多体系统动力学理论、诗葵方法襄瘦麓学拳会议在上 海召开。震承了一懿理论和应掰的最新成果【1 5 】。1 9 9 6 年在由系长麓疆开的“全 国多体系统渤力学与控制学术会议”在理论与计算方法研究、工襁碰用和实验研 究三方面取 ! 铎了更新的进展。也标志着我国多体系统动力学的研究滋入了一个新 的阶段。 l 。3 2 多傣系统麓力攀的研究穷法 自多体系统动力学诞生 三i 来，经过几十年的研究与实践，己形成了比较系统 的研究方法，其中包括：多刚体系统研究方法和多柔体系统研究方法。 多刚体系统动力学的研究对象一般是比较复杂的多体系统，其缩构和连接方 式氇是多静多样驹，这给建立淤力学方程带来了缀大透难，著虽，系统静动_ 宓学 方程多轰褰除藩线性方程，困魏，动力学方程瓣建立j | 露求解都必矮囊计算梗去完 成。多雕体系统动力学的研究方法与研究人员的思想有关。目前，多刚体系统动 力学的研究方法主要有工程中常用的以拉格朗曰方程为代表的分析力学方法、以 牛顿欧拙方程为代表的失凝力学方法、图论方法、凯恩方法、燮分方法、旋 量方法等。 我国学者上海交通大学刘延柱教授，将旋量的对偶数记法改为矩阵记法与图 论概念结合，并将这一方法的适用范围扩大到任意结构的多刚体系统u ”。 除此以外，还应提到a n d r e w s 和k e s a v a n 的矢量网格方法，j e r k o v s k y 的变换 算子方法以及v u k o b r a t o v i e 在机器人动力学方面的研究工作【l ”。虽然各种方法 的风格迥然不同，但在多刚体动力学中的共同目标是要实现种高度程式化，适 宜编制计算程序的动力学方程建立方法，只要用最少量的准备工作就能处理任何 特殊的多刚体系统。 二十世纪七十年代中期，有关柔性多体系统动力学的理论工作己经展开。到 目前为止，柔性系统动力学的研究虽然取得了一些成果，但是远没有达到多刚体 系统动力学的研究水平，其主要原因是在物体大范围运动与弹性变形藕合问题的 认识上和处理方法上遇到困难。多刚体动力学是将系统中各部件均抽象为刚体， 但可以计及各部件连接点处的弹性、阻尼等影响，而多柔体系统动力学则在此基 础上还进一步考虑部件的变形。多刚体系统动力学侧重的是“多体”方面，研究 各个物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响；多柔体系统动 力学则侧重“柔性”方面分析，研究柔性体变形与其整体刚性运动的相互作用或 耦台，以及这种耦合所导致的独特的动力学效应。变形运动与刚性运动的同时出 现及其耦合正是多柔体动力学的核心特征 1 7 1 。 建立多柔体动力学方程的基本原理和方法与一般的力学问题的研究一样，归 纳起来，可以分为四类 6 1 ： ( 1 ) 牛顿一欧拉( n e w t o n e u l e r ) 矢量力学法，这种方法对于半柔性体系统比较 合适，比较典型的是h o o k e r 和s i n g h 的推导1 1 8 1 9 1 。 ( 2 ) 拉格朗日方程为代表的分析力学方法。 ( 3 ) 基于高斯原理等具有极小值性质的极值原理。这个方法开辟了一个不必 建立运动微分方程的新途径，可直接应用优化计算方法进行动力学分析。 ( 4 ) 上述三种方法的各种变形方法，如比较有影响的k a n e 方法等。目前比较 引起人们兴趣的是针对某些具体问题提出的变形方法。 多柔体系统运动的描述方式，按选取参考系的不同，可分为绝对描述和相对 描述两种类型。绝对描述是在指定某一惯性参考系后，系统中每一物体在每一时 刻的位形都在此惯性参考系中确定。而相对描述是对每一物体都按某种方式选定 一个动参考系，物体的位形是相对自己的动参考系确定的，通常动参考系是非惯 性的，一般动力学分析工具软件都采用这种方法。相对描述方式特别适合于由小 变形物体所组成的系统。此时可以适当地选取动参考系，使得物体相对于动参考 系的变形总是小的。如此，对于变形可按通常的线性方法来处理，例如进行模态 展开和截断等。将描述变形的弹性坐标和描述刚体运动的参数合起来，作为系统 熬广义垒标，壤霹班接逶零豹凌教系统分褫动力学方法建立动力学方程。摇踺接 述方法的棱心问题为物体交形姆整体刚性运动的相互作用。这种相驻作用一般可 以通过规范场论的方法完全确怒。于是动力学方糕分为互相耦合的两类：一类控 制物体的整体刚性运动，另一赞控制物体的相对变形【2 0 】。由于多梁体动力学方 程是强耦台强器线性方程，求解难一途径是通过计冀机用数谯方法遗孝亍。 1 3 。3 多体系统动力学在汽誊动力学研究审麓应用 在研究汽车诸多的行驶性能中，汽车动力学研究的建模、分析嗣求解始终是 一个关键性问题1 2 l l 。汽车本舟是一个复杂的多体系统，由于它的工作情况、使 用环境的复杂多变，给汽车动力学研究带来了很大困难。主要原因之是无法有 效懿整理复杂磐器载薅终矮下多鑫由凄努辑模型鹣建立帮求解掏嚣。疆魏，在诲 多实际研究审，不得不把模蘩麓纯，以便使建蠢典力学静方法大工求解，瓢两导 致汽车的许多重要的动力学特蚀无法得到较精确的定量分析。 随着电子计算机技术的迅猛发展，加快了多体系统动力学的发展步伐，为汽 车动力学研究提供了一个方便快捷豹手段。从此，汽车动力学研究的力学模型逐 澎垂线毪摸黧发攫裂襄线瞧多俘系统摸壅，模黧鹣是峦疫数峦二令爨囊度发浸至g 数十个自出魔，甚至到数秀土予个蠡由度。仿囊计算也峦稳态酶疲特毪的计算发 展到瞬态响威特性和转弯制动特性的计算。n - 十世纪八十年代初，不仅有许多 通用的软件w 以对汽车系统进行分析计算，而且邂有各种针对汽车某一类问题的 专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方 瑟瑟。 匿蠢采惩多体系统动力学研究汽车动力学懿工作起步较浚，获a 卡年代孛蜃 期开始，我阑的部分高等院校相继将多刚体系统动力学方法引入到汽车运动学和 动力学研究中。至今为止，研究领域也从开始的刚体系统的运动学研究扩展到包 含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国的汽车制造企业在开 发具有自主熟滚产权戆汽车中麓到了指导牲体翅势在每嚣年举行一次熬车辆要最 离懿学术会议国际车辆动力学会谈上发表了诲多有徐餐懿论文辫l 。 从整个汽车计算机辅助工程的角度来看，綦予多体系统动力学的汽车多体系 统分析软件w 完成三项任务： ( 1 ) 对原始设计豹汽车系统进纾性能预测。 疆) 对己寄魏汽车系统进葶亍糖嶷分褥、牲戆测试弹售。 3 ) 对象露鹩汽车设诗遴行缮擒帮往憝参数改逑驻及往戆完善。 多体系统勘力学分析软件的分析范围包括：静态分析、准静态分析、运动分 析、动态分析、优化设计与灵敏度分析等。此外，还可以利用多体系统动力学软 件集成相关的c a d c a m c a e 软件，真正实现汽车的虚拟设计。 多体系统动力学方法是一种高效率高精度的分析方法，然而，在解决实际问 题时如处理不当，不仅使工作量大大增加，而且得不到满意的结果。应用中要根 据具体情况和所研究的问题性质选择最有效的分析方法。这一点对于较为复杂的 汽车系统来说尤为重要。应用多体系统动力学理论解决实际工程问题时，一般要 经过以下三个步骤： ( 1 ) 实际汽车系统的多体模型简化。 ( 2 ) 自动生成建立多体系统动力学方程。 ( 3 ) 准确地求解多体系统动力学方程。 总之，多体系统动力学是一种普遍的方法，在汽车多体系统动力学研究中注 意进行有针对的分析，才能得到理想的效果。 1 4 论文研究的主要内容 本课题以s f 3 2 6 0 1 型电动轮自卸车为研究对象，运用多体系统动力学方法， 建立s f 3 2 6 0 1 型电动轮自卸车多刚体计算模型，在此基础上对电动轮自卸车性能 和运动学、动力学特性进行研究。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 将论文涉及的多体系统动力学理论做较系统的阐述，其中重点介绍了多 刚体系统动力学理论及计算方法。在多柔体系统动力学理论的介绍中，主要讨论 了柔性体离散化方法与集成柔性体模态分析的方法，以及对集成有限元模型的多 体基础理论进行了分析。 ( 2 ) 总结和整理s f 3 2 6 0 1 型电动轮自卸车的外形参数，例如轴距、轮距等， 并使用软件计算得出自卸车的质心位嚣，然后着重分析计算悬架刚度和阻尼等性 能参数，最后初步建立了运动学、动力学分析模型。 ( 3 ) 先从理论上分别对前轮定位各个参数及其影响因素进行探讨，然后建立 前悬系统仿真计算模型，对自卸车前轮定位参数进行对比研究计算，最后根据结 果对前轮定位参数进行优化匹配。 ( 4 ) 参数确定以后，使用u g 软件中动力学分析模块建立s f 3 2 6 0 1 型电动轮 自卸车的运动学模型，其中包括定义连杆特性，定义约束关系以及添加机构载荷 等，然后设定路面以及仿真运行工况，最后求解结果并对仿真结果作定量分析。 在此基础上给定优化方案并验证。 ( 5 ) 运动学分析完成后，应用优化方案对模型进行必要的修改，然后对修改 后的模型做进一步的动力学分析研究。 ( 6 ) 对自卸车平顺性进行分析与计算，评价自卸车平顺性能是否优越。 第2 章多体动力学仿真的理论基础 2 1 多刚体系统动力学基础理论 以本文研究中用到的a d a m s 软件为例进行阐述。a d a m s 软件以笛卡尔坐 标和欧拉角参数描述物体的空间位形，以采用吉尔g e a r 的刚性积分解决了稀疏矩 阵的求解问题， a d a m s s o l v e r 提供多种功能成熟的求解器，可以对所建模型进 行运动学、静力学、动力学分析。为了对a d a m s 软件的多刚体动力学理论基础 和求解方法有全面的了解，本节简单介绍如下研。 2 1 1 广义坐标选取 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选取。a d a m s 程序用 刚体i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或者广义欧拉角) 作为广义 坐标，即q ，= b ，l ，z ，缈，0 ，伊】，q = k ，g ：，q3 ，- ，吼】r ，每个刚体用六个广义 坐标描述。由于采用了非独立的广义坐标，建立系统动力学方程组是最大数量， 同时也是高度稀疏藕合的微分代数方程，适用于用稀疏矩阵的方法高效求解。 2 1 2 系统动力学方程的建立 程序采用拉格朗日乘子法( 拉格朗日第一类方程) 建立系统动力学方程： 搬) 褂咖托t 。劂 c2 1 ， 完整约束方程时：f ( q ，t ) = 0 非完整约束方程时：g ( q ，q ，f ) = 0 式中：卜系统的功能，t = 1 2 m u “+ 国i c o 】，q 系统广义坐标列阵， g 系统广义速度列阵，卜广义力列阵，p 对应于完接约束的拉氏 乘子列阵，对应于非完整约束的拉氏乘子列阵，m 一质量列阵， i _ 转动惯量列阵，m 广义角速度列阵。 系统动力学方程( 2 1 ) 可化为更一般的形式为： f ( q ，“，“，旯，t ) = 0 g ( u ，g ) = “一g 庐( 吼f ) = 0 ( 2 2 ) 式审；q 广义塞瑟列臻，群j “义邃疫弱簿，g 锈述广义速度豹 代数方程列阵，描述约束的代数方程剿阵，五约束反力以及作用力列 阵，卜系统动力学微分方程。 2 1 3 运动学分析 若系统逡嚣运动学努凝辩，翳磁究熬楚零囊蠢麦系统窟鬟、遽嶷、藉速度帮 约束爱力，困诧廷需要求辫系统约束方程酾； 矽( g ，f ) = 0 ( 2 3 ) 用吉尔g e a r 预估校难算法可以有效地求解上式。根据当前时刻的系统状 态矢量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态向量值。 = 魏+ 警蠹壶鲁n 壶簪肌 4 ， 其中：时间步长 = 0 + 。一t，这种预估算法得到的新的时刻的系统状态矢量 值通常不准确，方程( 2 3 ) 右j 趣项不等于零，可漱( 2 e a r 法k + l 阶积分进行校正： 战士l = 一矗反y + 硝。以+ l ( 2 5 ) 冀审，致+ ，是芦疰f 一岛。穗豹遥餐鬣；。，g ， 秀c e a r 积分系数毽；式子 ( 2 5 ) 也可写出： 多州一高卜善呱m 。6 粼系统约束方程( 2 3 ) 在t = 毛+ ，时亥鼹委：，褥： 妒( 孽，气“) = 0 ( 2 7 ) 任一时刻t n 位置的确定，可由约束方程的n e 、怖n r a p h s o n 迭代方法求得： 剖，妒u ( 2 8 ) 其中：楚；= 譬搠一譬，j 代表第歹次迭代； # 。瓣搦速度，热邃浚熬确定，霹密约豢方程求一蹬，二狯辩蠲导数褥鬟： 浮警 f ( 鼍弘= _ j 塑a 2 t + 砉喜篆玺吼亩+ 鲁( 等) 毒+ 毒譬) j ( 2 1 0 ) 时刻约束反力的确定，可由带乘子拉格朗日第一类方程求解得到： ( 鼍 7 丑= 一丢 薏 7 + ( 鼍) + q cz ， 2 1 4 动力学分析 利用a d a m s 软件建立的多体动力学模型，其动力学方程一般为隐式、非线 性的微分代数混合方程，用吉尔g e a r 预估校正算法可以有效地求解此类 方程。通过求解该类方程，可以得到动力学模型中所有构件的边界条件，即力、 速度、加速度 1 4 1 。其求解过程的方法和数据流程如图2 1 所示。 图2 1a d a m s 软件动力学方程求解数据流程圈 微分一代数方程组求解时，其步骤如下： ( 1 ) 高斯消元。在进行高斯消元时，需要判断矩阵主元，防止求解失败。 ( 2 ) l i d 分解。完成高斯消元的方程组，通过l u 分解法求得方程组解。 在进行动力学分析时，对动力学微分方程，根据机械系统特性，可选择不同 的积分算法；对刚性系统，采用变系数的b d f ：( b a c k w a r d s d i f f e r e n t i m i o n f o r m u l a t i o n ) 冈l j 性积分程序，它是自动变阶、变步长的预估效正法，在积分的每一 步采用了修正的n e w t o n - - r a p h s o n 迭代算法：对于高频系统，采用坐标分隔法 ( c o o r d i n a t e - - - p a r t i t i o n e de q u a t i o n ) 和a b a m ( a d a m s - - b a s h f o r t ha n da d a m s m o u l t o n ) 方法。与之相对应，a d a m s s o l v e r 的积分器就可以分为两种：刚性的和非刚 性的积分器。常用的三个b d f 刚性的积分器是g s t i f f ( g e a r ) 积分器、 d s t i f f ( d a s s a l ) 积分器和w s t i f f 积分器。非刚性积分器是a b a m 积分器。以下就求 解算法进行描述： ( 1 ) 微分一代数方程的求解算法 根据当的时刻的系统状态矢量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态 矢量值。将公式2 2 在f = 。时刻展开，得： f ( 吼十1 ，“州，甜斛1 ， + l ，t n + 1 ) = 0 庐( 口n + l ，t n + 1 ) = 0 g 以，= n + l - - ，- u _ 慨1 一喜+ 。 ( 2 1 2 ) 若预估算法得到的新的时刻的系统状态矢量值满足方程( 2 1 2 ) ，则可不必进 行校正。 a d a m s 使用修正的n e w t o n r a p h s o n 程序求解上面的非线性方程，此程序求 解非线性方程组妒( 盖) = 0 时，其中共有n 个方程，即：= ( 庐，矿：，妒。) 变 量x 阵为n 阶列阵。n e w t o n - r a p h s o n 算法的关键是如何选取适当的初值，如果矩 阵为非奇异，则解是唯一的。n e w t o n r a p h s o n 算法求解上述非线性方程，其迭代 效正公式为： 巧+ 等q a q j - o 敲f a u ，+ a a f i 蚶瓦o f - 2 。 q + 鼍 鼍峄。 办+ 等”。 式中，代表第_ ，次迭代，6 q = g j + l 一劬 由式s ，可知，毗一( 去卜； ( 2 1 3 ) ，a u j = + l u ，以= 以+ l 一以； 由式可知，詈_ ( 爿署； 则将式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 带入式( 2 1 3 ) 写出矩阵形式为 8 f 钾 ( 剖等 a 击 0 0 忙 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 笪妇 上慨塑(罨。 笙知 ，。l 式中：左边的系数矩阵为系统的j a c o b i 矩阵，竽是系统的刚度矩阵，o f o q 俐 鼻f 是系统的阻尼矩阵，兰是系统的质量矩阵。 o u 通过雅可比矩阵符号分解算法分解系统j a c o b i 矩阵求解却，“，五， 计算 出q ， ，1 ，+ 1 ，g 。，“，五川；重复上述迭代校正步骤，直到满足收敛条件，最 后是积分误差控制步骤，若是预估值与校正值的差值小于规定的积分误差限，接 受该解，继续进行f = t + h 下时刻的求解。否则不接受该解，必须减小积分步 长，重新进行预估校正过程。 因此，上述微分一代数方程的求解算法是重复预估、校正、误差控制过程， 直到求解时间达到规定的仿真对间为止。 ( 2 ) 坐标减缩的微分一代数方程的求解算法 a d a m s 程序提供a b a m ( a d a m s - - b a s h f o r t h a n da d a m s - - m o u l t o n ) 积分程序， 采用坐标分隔算法，将微分一代数方程减缩成用独立广义坐标的普通微分方程， 然后用a b a m 程序进行数值积分。 坐标减缩微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行： 坐标分隔：将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解，可将系统的广义坐标 列阵轴) 分解为独立坐标列阵白l 和非独立坐标列阵k 4 ，既白) 一鼢。 预估：用a d a m