（光学工程专业论文）粘弹性悬架阻尼缓冲件的参数化分析与优化设计.pdf

- f漓嚣“ a 中文摘要 中文摘要 粘弹性悬架阻尼缓冲件是安装在履带式推土机行走机构中的一种减振装置；其减振 性能的好坏影响了推土机的车辆稳定性、作业可靠性和驾驶舒适性，故阻尼缓冲件减振 性能设计的好坏对履带式推土机来说至关重要。目前，我们对阻尼缓冲件的设计主要是 采用传统拼凑法，该方法不仅浪费了大量的人力和物力，而且不能保证阻尼缓冲件的各 参数取值对缓冲件耗能效果影响是否最优。伴随着数学规划及计算机技术的发展，有限 元技术已经能够很好的解决粘弹性材料的高度非线性问题；再此，本文将基于有限元技 术参数化建模和优化设计引进来，用以提高阻尼缓冲件的优化设计效果。 在本文中影响阻尼缓冲件的减振效果的参数主要有：缓冲件底部直径、总高度、顶 部圆弧半径、侧面形状角和底部高度。这些参数的取值主要影响着阻尼缓冲件的刚度和 耗能效果，就存在一个优化问题。 建立整机及单个粘弹性悬架的多自由度随机载荷输入力学模型，为后续优化设计中 载荷的选取提供力学参数。确定了阻尼缓冲件的优化参数，并运用a n s y s 参数化语言 a p d l 进行二次开发、并运用宏命令编制相关交互界面，实现阻尼缓冲件的参数化分析。 建立了阻尼缓冲件的优化数学模型，运用a n s y s 二次开发技术进行了优化分析，取得 了合理的优化结果。 在三种典型工况下对优化后的结果进行了的校核验证，验证结果表明：优化后的阻 尼缓冲件在强度、刚度、应力和应变上满足设计要求。与此同时，还对优化前后阻尼缓 冲件在三种典型工况下进行了对比分析，对比分析结果表明：优化后的阻尼缓冲件在变 形量、刚度、应力应变满足要求的前提下，较优化前阻尼缓冲件在单位周期的能耗得到 了很大提高，达到了优化设计目的。由于时间的紧迫、实验的缺乏，其真实减振效果及 可靠性如何还需在实践中进一步探讨。 关键字：阻尼缓冲件；参数化分析；二次开发；优化设计 中文摘要 a b s t r a c t a b s t r a c t v i s c o e l a s t i cs u s p e n s i o n s d a m p i n gc o m p o n e n t si sad a m p i n gd e v i c eu s e d f o rb u f f e r i n gt h ev i b r a t i o na n ds h o c ko ft r a c k - t y p eb u l l d o z e r sw a l k i n gs y s t e m t h eq u a l i t yo fi t sd a m p i n gp e r f o r m a n c ea f f e c tt h es t a b i l i t yo fv e h i c l e sb u l l d o z e r , o p e r a t i n gr e l i a b i l i t ya n dd r i v i n gc o m f o r t t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo fd a m p i n g a b s o r b e r s d a m p i n ga n dv i b r a t i o n i sc r i t i c a lt ot h et r a c k t y p eb u l l d o z e r c u r r e n t l y , w ed e s i g nt h ed a m p i n ga b s o r b e rm a i n l yr e l yo n t r a d i t i o n a lp a t c h w o r k m e t h o d ，w h i c hn o to n l yw a s t e r sal o to fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa n d c a nn o tg u a r a n t e et h a ta l ld a m p i n ga b s o r b e rp a r a m e t e r se f f e c tt h ei m p a c te n e r g y a b s o r b e ri sb e s t a l o n gw i t h m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n ga n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , f i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u eh a sb e e na b l e t os o l v et h ev i s c o e l a s t i c m a t e r i a l sh i g h l yn o n l i n e a rp r o b l e m s t h i sa r t i c l ew i l li n t r o d u c et h et e c h n o l o g y o fp a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o ni no r d e rt oi m p r o v et h e d a m p i n ge f f e c to f t h ed a m p i n ga b s o r b e rd e s i g n i nt h i sp a p e r , t h ep a r a m e t e r so fd a m p i n gc o m p o n e n tw h i c he f f e c t t h e d a m p i n ge f f e c to ft h ev i b r a t i o ni n c l u d e ：d a m p i n gc o m p o n e n tb o t t o md i a m e t e r , o v e r a l lh e i g h t ，t o pr a d i u s ，s h a p es i d ea n g l ea n dh e i g h to ft h eb o t t o m v a l u e so f t h e s ep a r a m e t e r sm a i n l ya f f e c tt h es t i f f n e s sa n de n e r g yd i s s i p a t i o no fd a m p i n g c o m p o n e n t t h e r ee x i s t sa no p t i m i z a t i o np r o b l e m e s t a b l i s h m e n to fam u l t id e g r e eo ff r e e d o mm e c h a n i c a lm o d e lo fr a n d o m l o a di n p u tf o rm a c h i n ea n ds i n g l ev i s c o e l a s t i cs u s p e n s i o n ，w h i c hp r o v i d el o a d p a r a m e t e r sf o rt h es u b s e q u e n ts e l e c t i o no fo p t i m a ld e s i g n b u f f e rc o n d i t i o n st o d e t e r m i n eo p t i m a ld a m p i n gp a r a m e t e r sa n du s i n ga n s y sl a n g u a g e o ft h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta s s o c i a t e dw i t ht h ep r e p a r a t i o no f t h em a c r oc o m m a n d i n t e r f a c e ，t o a c h i e v e d a m p i n g a n d p a r a m e t r i ca n a l y s i s o fd o c u m e n t s e s t a b l i s h m e n to fd a m p i n ga b s o r b e r so p t i m i z a t i o n m o d e lu s i n ga n s y s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tw a so p t i m i z e da n da c h i e v e dar e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o n r e s u l t s i i i 垒里璺! 垦垒里! 一 t h eo p t i m i z e dr e s u l t sw e r ec h e c k i n ga n dv i b r a t i o ni nt h et h r e e t y p i c a l c o n d i t i o n s ，w h i c hs h o w e dt h a t ：t h eo p t i m i z e dd a m p i n gb u f f e rm e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s i n s t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t r a i n a tt h es a m et i m e ，a l s o p r e 。o p t i m i z e dd a m p i n gc o m p o n e n ta n do p t i m i z e dd a m p i n ga b s o r b e rw e r e c o m p a r e di nt h r e et y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hc o n t r a s ta n a l y s i ss h o w e d t h a t ：o p t i m i z e dd a m p i n gb u f f e rn o to n l ym e tt h er e q u i r e m e n t sp r e m i s ef o r d e f o r m a t i o n ，s t i f f n e s sa n ds t r a i n ，a n dw h i c hh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e dt h e e n e r g yc o n s u m ei nu n i tc y c l et h a nt h ep r e o p t i m i z a t i o n d u et ot h et i m ea n d e x p e r i m e n t a lw e r el a c k ，i t st r u ed a m p i n ge f f e c ta n dr e l i a b i l i t yo ft h eo p t i m i z e d d a m p i n gc o m p o n e n t n e e dt ob ef u r t h e re x p l o r e di np r a c t i c e k e yw o r d s ：d a m p i n gc o m p o n e n t s ；p a r a m e t r i ca n a l y s i s ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； o p t i m a ld e s i g n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究粘弹性悬架阻尼缓冲件优化的目的和意义1 1 2 国内外悬架优化设计的研究概况3 1 3 悬架优化的相关理论概述4 1 4 本文丌展的工作5 第二章阻尼缓冲件振动特性与耗能原理7 2 1 阻尼缓冲件的力学模型7 2 1 1 振动载荷及频率概述7 2 1 2 整机缓冲力学模型8 2 1 3 单个缓冲件力学模型1 0 2 2 阻尼缓冲件的耗能原理1 0 2 2 1 粘弹性材料特性1 1 2 2 2 粘弹性材料耗能计算1 2 2 3 本章小结1 2 第三章阻尼缓冲件参数化建模及其分析的实现1 3 3 1 参数化技术1 3 3 1 1 参数化技术介绍1 3 3 1 2 参数化设计原理及其步骤1 4 3 2 阻尼缓冲件参数的确定1 5 3 2 1 阻尼缓冲件材料特性参数的确定1 5 3 2 2 阻尼缓冲件主要参数的选定1 6 3 3 阻尼缓冲件的参数化建模及其分析的实现1 8 3 3 1 前处理程序宏2 0 3 3 2 载荷和约束处理2 3 3 3 3 阻尼缓冲件的后处理2 6 3 4 本章小结2 8 第四章阻尼缓冲件参数化优化设计2 9 4 1 优化设计概述2 9 4 2 基于a n s y s 的优化设计过程3 0 目录 4 3 优化变量的确定3 3 4 3 1 优化设计变量3 3 4 3 2 状念变量3 4 4 3 3 目标函数3 5 4 4 优化分析的a p d l 程序开发3 5 4 5 本章小结3 8 第五章阻尼缓冲件优化的实现与结果验证3 9 5 1 建立阻尼缓冲件参数化模型3 9 5 2 执行优化分析4 2 5 3 优化结果有限元验证4 4 5 4 优化前后对比分析4 6 5 4 1 静态工况下对比分析4 6 5 4 2 切土、推土工况下对比分析4 8 5 4 3 翻越障碍工况下对比分析5 0 5 5 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 本文总结5 3 6 2 本课题创新点5 3 6 3 进一步工作的建议5 3 参考文献5 5 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 1 绪论 第一章绪论 1 1 研究粘弹性悬架阻尼缓冲件优化的目f l , 0 禾n 意义 粘弹性悬架阻尼缓冲件是安装在大型履带式工程车辆行走系中的一种减振装置的 耗能元件，它能够将凹凸不平的地面传递给车辆行走系上的振动能量转化为阻尼缓冲件 橡胶材料的高分子间的内摩擦能，并以热能形式散发掉，损耗振动能量起到减振作用l 。 粘弹性悬架机构在推土机作业时伴随路面高低不平而上下摆动，从而使履带能够与地面 接触良好，提高了履带车辆的驾驶舒适性、作业平稳性及车辆的使用寿命【2 l 。一般来讲， 装有粘弹性悬架的履带车辆耳边噪声值能降低8 d b 上下，振动冲击能减小3 0 上下。 正是基于上述优点，目前在大型高端履带工程车辆上这种新装置得到了大范围的采用， 如日本k o m a t s u 公司在其新开发的大型履带推土机上采用“x ”型粘弹性悬架，美国 c a t e r p i l l a r 公司在其推向市场的新型车上安装“k ”型。以小松公司为例，经过对安装 有粘弹性悬架的d 3 7 5 a 一2 型推土机( 功率为3 8 6 k w ，机重为6 4 5 t ) 并t l 没有安装粘弹性悬 架的d 3 5 5 a 3 型推土机( 功率为3 0 2 k w ，机重为4 5 3 t ) 的性能作对比试验，前者的作 业生产率为后者的2 4 倍( 在振动波1 8 0 0m s 的岩石上作业) ，前者单价土方施工成本较 后者下降了2 8 ；振动及噪声水平成倍下降，驾驶室内耳边噪声值前者为8 2 d b ( a ) ， 而后者近1 0 0 d b ( a ) ；在驾驶座椅处测得的振动水平值前者也较后者下降了1 5 d b ( 振 动频率是4 - 8 h z ) 左右 3 1 。再者，随着国际上日益完善环保法规，激烈的国际市场竞 争，限制贸易出口技术壁垒的技术指标振动和噪声控制越来越重要。因此，大型履带式 工程车辆上粘弹性悬架的技术应用越来越重要。 图1 1 ( a ) 粘弹性悬架实物图 f i g i 1 ( a ) p h y s i c a lm a po fv i s c o e l a s t i cs u s p e n s i o n 图1 1 ( b ) 粘弹性悬架平面安装图 f i g 1 1 ( b ) f l a ti n s t a l l a t i o no f v i s c o e l a s t i cs u s p e n s i o n 粘弹性悬架阻尼缓冲件的参数化分析与优化设计 目前，粘弹性悬架阻尼缓冲件在 国内外的技术研究都不是太多。国 外，粘弹性悬架阻尼缓冲件等橡胶件 产品技术方面的研究主要是在发动 机悬置，“非路面”工程用车辆相对 较少。 日本小松公司、美国卡特彼勒公 司、a a l b o r g 大学和三菱重工公司都 在这方面都做过或多或少的研究。 k o m a t s u 公司主要是针对粘弹性悬架 的减振性能做过部分实验，对阻尼材 料的特性展开的研究；c a t e r p i l l a r 公 司针对履带式工程车辆粘弹性悬架 的结构参数及阻尼材料展开研刭4 l ； a a l b o r g 大学对阻尼减振的控制方法 进行了仿真和比较【5 1 。还有，日本三 菱公司对工程机械的振动控制做过 数字模型方面的分析【6 】。虽然世界上 图1 2 “k ”型粘弹性悬架 f i g 1 2 “k v i s c o e l a s t i cs u s p e n s i o nm e c h a n i s m a )b ) 图1 3 “x ”型粘弹性悬架 1 上橡胶减振垫2 下橡胶减振垫 3 、4 摆动平衡臂5 枢轴 f i g 1 3 “x ”v i c o e l a s t i cs u s p e n s i o nm e c h a n i s m 1 u p p e rr u b b e rs h o c kp a d2 u n d e rb u b b e rs h o c kp a d 3 、4 o s c i l l a t i n ga r m5 k i n gj o u r n a l 最大的两家工程机械制造企业美国c a t e r p i l l a r 和日本k o m a t s u 公司分别在其新开发的大 型履带式推土机上使用了“k 型7 1 和“x ”型嗍粘弹性悬架( 见图1 2 和图1 3 ) ，由于 涉及到技术的保密性，鲜见关于其结构及性能方面的研究文章。 国内情况和国外情况类似，对这方面的研究也主要集中在车辆悬置方面，如新型电 磁式减振悬架研究 9 1 ，航空航天仪器仪表的橡胶垫减振研究。1 9 9 2 年，上官文斌掣1 1 】 人从实用角度出发给出了动力总成悬置的优化设计方法。1 9 9 6 年，史文库等【1 2 】人以车 辆舒适性为指标，优化了总成悬置系统的参数，等等。 目前国内对工程车辆粘弹性悬架的研究方面，不但应用得少，而且研究得更少。在 国内目前只有上海彭浦机械厂、山东推土机工程机械厂及河北宣化工程机械厂在其研制 的大型履带式推土机上采用过粘弹性悬架。其中上海彭浦机械厂是采取和太原科技大学 合作研制的小“k 型粘弹性悬架【l 引，山东推土机厂是以引进同本小松公司的“k 型 悬架【1 4 1 ，宣化工程机械厂也是引进美国卡特公司的x ”型悬架【5 1 。由于涉及到核心技 术的保密性，对其结构形状影响对减振性能取值不太清楚。加上我们当前对阻尼缓冲件 2 绪论 的设计主要是采用传统拼凑法，不仅浪费了大量的人力和物力，而且不能保证阻尼缓冲 件的各参数取值对缓冲件耗能效果影响是否最优。且随着机型的变化，对结构尺寸的变 化就更难以把握了。因此对其结构尺寸展开优化具有重要的意义。是加速产品系列化、 提高设计生产效率的重要手段。 本文是以某4 1 0 马力的履带式推土机用的粘弹性悬架为研究对象，如图1 1 所示， 粘弹性悬架的结构是由上下钢板和与上下钢板相互粘结的阻尼缓冲件组成，其中上钢板 与台车架相固结，下钢板与一支重轮的中间筋固结，两个阻尼缓冲件的顶部圆弧相互接 触；上下钢板都是起固定支撑作用的，中间的阻尼缓冲件是橡胶类材料，耗能元件。由 于粘弹性悬架是利用阻尼缓冲件进行减振，因此设计的阻尼缓冲件性能的好坏将直接影 响到粘弹性悬架减振性能好坏，近而影响到整机的减振效果。由于阻尼缓冲件的橡胶类 高分子材料特性【l6 j ( 受力大变形、严重非线性、不可压缩性) ，受力情况相当杂，很难 对其进行精确解析计算，目前我们对其进行设计也主要是依赖于传统经验、试拼凑的方 法。该方法不仅设计周期长、损耗材料多，而且对结构尺寸取值也不容易合理、很难精 确【l7 1 。鉴于有限元方法能够对非线性特性进行很好的近似模拟计算，因此运用这种新的 数值方法进行设计将能极大的提高设计精度、缩短设计周期，提高设计水平和设计质量、 节省大量人力物力。 1 2 国内外悬架优化设计的研究概况 集合电子计算机、数学、力学及其它工程学科于一体的结构优化设计学科，是一门 的现代化设计手段，是为人们追求最优工程设计及结构新型设计的重要工具，是现代优 化设计领域的核心内容之一。其核心思想是希望追求在同等条件下，使设计的产品不但 能满足设计要求、而且达到最优性能、而且经济条件最好。同时也可能使人们得到超出 设计者经验的新型结构来，是一种很有实用价值的工具【l 引。 2 0 世纪6 0 年代以来，伴随着电子计算机技术的发展，有限元软件的进步，这两个 学科的发展给解决复杂结构的力学分析问题提供了基础，为优化设计提供物质基础【l9 。 同时，运筹学科中的数学规划也得到了很大发展，为优化设计理论提供了良好的数学基 础。再者，伴随着电子计算机技术的高速发展，使对复杂结构的有限元分析和数学规划 提供了一个高效工具。正是基于这些原因，目前结构优化设计获得了前所未有的发展。 结构优化设计一般分为两种：一种是尺寸优化，一种是结构形状优化1 2 。尺寸优化 是最低级别的结构优化，它是在给定其结构类型、拓扑形状、材料及几何御局的情况下， 使构件的各个截面达到最小，从而使结构重量减轻、经济最好。一般来说，它的设计变 量主要是惯性矩、杆的横截面积、板的厚度或复合材料的分层等。其的优化指标主要是 气 粘弹性悬架阻尼缓冲什的参数化分析与优化设计 考察灵敏度和数学规划，其设计变量和总体刚度矩阵之问是简单的线性关系，是优化设 计的最低级别，但是它对你加深对结构优化问题的认识和不同类型优化算法的选择具有 重要的指导意义。结构形状优化是较高级别的优化，具有可动的边界问题，设计变量是 所研究问题的微分方程的定义区域。其核心是通过研究结构内部几何形状和边界条件来 改善结构特性。如在水工工程大坝体形的设计中，设计的目的就是在满足大坝工程要求 的前提下，使大坝耗材最省，同时通过改变内部开孔结构的尺寸和形状来降低大坝的局 部应力集中和改善内部的应力分布状况。我们都知道好多重要构件的损坏都是源于局部 应力集中或者局部疲劳破坏引起的，因此对其进行结构形状优化将是有效解决这类问题 的有效途径之一。目前在这个方面的研究成果相对较少，其主要原因有二：一是在优化 过程中，有限元分析模型随着迭代步数而变化，每一次变化都会导致网格重新划分。二 是在优化过程中，单元刚度矩阵和设计变量及结构形状之间是非线性关系，使得优化分 析计算比尺寸优化复杂很多。 目前国内外在这方面的研究主要有：1 9 7 3 年，g a l l a g h e r 和z i e n k i e v e t 2 i 】在形状优化 领域发表过第一篇文章，由于采用了边界有限元网格节点为设计变量，设计变量繁多， 同时边界条件无法保持连续光滑，产生了锯齿状。就是因为出现了这些问题，为后来研 究者做了很多有益的思考，如尝试采用二次曲面、二次曲线、样条曲线、柱面、圆弧和 直线等来模拟复杂边界条件，从而有效解决了边界条件的连续光滑问题。 1 9 8 2 年，i m a n l 2 2 】首次捧出了设计法的概念。该方法的核心思想是通过把结构划分 成为若干个小块，针对每个小块对应于一个设计单元，每个设计单元设计控制该单元的 节点数，再通过一组设计单元来控制节点，从而减少了设计变量的个数。但是这样也容 易在设计工作中导致网格畸形。 目前，随着技术的发展，结构优化设计应用领域已经从高端的航空航天扩展到中级 的船舶、汽车、桥梁、水利建筑，再到平民的普通机械领域了，解决的问题也从最简单 的减轻结构重量、最少控制成本扩展到了改变结构性能、降低应力应变集中和提高产品 安全寿命的方面来了【2 3 1 。例如，陈汝训等对火箭发动机壳体封头结构，运用数值的方法 进行形状优化。k o e t s uy a m a s a k i 等运用边界元法对三维连杆和边界形状进行优化。g a t e s 等人对航天器的内丁字型托架和外支撑三为壳体结构进行了形状优化。顾云宪等对平面 薄板的开孔形状运用计算机辅助优化设计系统进行形状优化。宋天虎等运用形状优化技 术优化了水轮机项盖的板壳。张海南、朱伯芳对双曲桥梁结构进行了有效的形状优化。 1 3 悬架优化的相关理论概述 目前对粘弹性橡胶材料的理论研究，主要还是唯象理论和分子统计理论1 2 4 1 。 4 绪论 ( 1 ) 唯象理论无需考虑材料分子结构，它能为一切大变形材料提供一个理论数学 公式。事实上，它也只在小变形范围内有效，主要是针对经典的小变形弹性理论。此法 最早是m o o n e y 于1 9 4 0 年创立，是r i v i l i n 将其推广，使之应用范围更广、更合理。 生 w = q ( i t 一3 ) ( 2 3 ) 7 ( 1 1 ) t = o 。0 式中c j ，材料常数 厶= 彳+ 碍+ 舒，厶= 1 矸+ 1 鸳+ 1 鸳，矸刀名= 1 ( 橡胶材料不可压缩性， ，五，以 为3 个方向上的拉伸率，厶为应变恒量) 由于m o o n e y - r i v i l i n 应变函数的复杂性，在有限元方法出现前，利用m o o n e y r i v i l i n 对变形的描述算式很复杂，难以求解，在工程上很难得到运用。随着有限元方法出现， 它是将复杂的部件分割为有限小的单元来处理，这样就避免了数学上求解的繁琐性，使 得其实际应用得以实现，且随着后来学者根据结果对m o o n e y r i v i l i n 应变函数的不断修 正，使其不断完善，现已在工程上得到广泛应用。 ( 2 ) 统计理论是基于熵的改变，结合橡胶分子结构，从而推导出来的橡胶变形通式。 它最早由m e y e r 等人提出，后来经过t r e l o a r 等人将其完善。该方法是基于对单一典型 分子末端几何距离的概率统计，由分子链接的热运动推导出的。 橡胶分子是柔性长链，一般由1 0 4 到1 0 6 个单元组成。它的分子链术端距离是著名 的任意射靶统计问题。1 9 7 5 年t r e l o a r 证实橡胶分子链末端距离与分子链节数的平方成 正比，运用高斯近似法可得出橡胶分子自由应变能函数w 与3 个方向伸长比a ，五，五的 关系为： w = g 2 ( 丑z + 麓+ 宙一3 ) ( 1 2 ) 式中g 橡胶材料剪切弹性模量 研究结果表明：该方法得到的只是橡胶材料的弹性部分，对于其粘性部分却不能加 以计算，且其在橡胶材料拉伸变形超过5 0 、剪切变形超过8 0 时，所得结果就出现 偏差较大的情况，故该方法得到的分子统计理论只限于小变形情况。 综合以上两种橡胶材料弹性理沦知：对于本文研究的粘弹性悬架阻尼缓冲件，属于 大变形分析，故在选取分析函数时取唯象理论算法。 1 4 本文开展的工作 综合以上研究背景可知，由于涉及技术保密性，国外在这方面研究很少供之于众， 我们很难得到其详细技术资料，更不会知道其阻尼缓冲件的各个参数之问的联系。目前， 国内厂商在这方面还主要是仿制。当阻尼缓冲件的性能不能满足新机型时，往往采取凑 5 粘弹性恳架阻尼缓冲件的参数化分析与优化设计 试法，简单的改变尺寸大小来试制，这往往带来很大的弊端，不仅浪费了大量的人力物 力，而且设计的产品还不一定满足要求。运用先进的a n s y s 有限元软件来展开优化设 计将能很好的解决这类问题，而且节约了大量的人力物力。 针对上述情况，本文将开展以下工作： ( 1 ) 首先分别建立其整机和单个粘弹性悬架的力学模型，然后分别对其模型进行 分析，了解整机的受力情况和单个粘弹性悬架阻尼缓冲件的受力状况，为后续优化设计 奠定基础。 ( 2 ) 对阻尼缓冲件的结构进行参数分析，了解各个参数之间的联系，然后建立其 的有限元法优化设计的数学模型。然后，根据优化数学模型，运用a n s y s a p d l 语言 编制优化算法程序，实现优化分析。 ( 3 ) 对优化后的结果，运用a n s y s 软件对其在各种工况下进行校核验证、应力 应变分析、检验优化后的结果是否符合要求。 6 第二章阻尼缓冲件振动特性与耗能原理 第二章阻尼缓冲件振动特性与耗能原理 粘弹性悬架阻尼缓冲件优化的目的是为了提高其减振性能，在对其结构参数展丌优 化前，很有必要对整机及单个粘弹性悬架的振动特性和耗能原理作个了解。因此，本章 将建立整机及单个粘弹性悬架在多自由度随机载衙输入下的减振力学模型，并对阻尼缓 冲件的耗能原理进行了推导计算，为后续的优化设计提供了理论基础。 2 1 阻尼缓冲件的力学模型 2 1 1 振动载荷及频率概述 振动不仅会引起机械产生疲劳破坏，而且会使机械设备产生安全隐患。无论是飞机、 轮船或者各种机械设备，还是大型土木工程，振动都是其主要考虑因素。一个设备减振 效果好不好，不仅关乎该设备或工程的可靠性和耐久性，而且还关乎到安全问题。但是， 振动有时候也能为我们所利用【2 5 1 ，例如，振动压路机等，我们就是运用其振动的原理来 为工程服务。因此，对振动问题的研究和探讨具有重要的现实意义。 履带式推土机大多是工作环境中工作的，一般说来就是所谓的“非路面环境。其 受到的振动大多都是些随机的，但归纳一下无外乎以下几种特点： ( 1 ) 振动的周期不固定，不能用简单的函数组合来描述； ( 2 ) 在规定的时间内，振动三要素也是不能确定的，具有随机性； ( 3 ) 即使在同等条件下，测试时间点不同，测得的结果也不同。 虽然推土机作业环境比较恶劣，振动情况比较复杂，但是也无外乎以下几种情况【2 6 】： ( 1 ) 地面不平随机振动波的影响； ( 2 ) 行走系各运动部件的相互碰撞； ( 3 ) 工作装置工作时的影响。 查阅文献资料【2 7 1 1 2 引，了解到履带式推土机在几种作业工况下，测得其垂直载荷和 水平载荷的情况是： ( 1 ) 引导轮下部履带受到的作用力最小； ( 2 ) 在这几种工况中，推土机翻越障碍时，某一单侧履带销上受到的载荷最大， 甚至超过车辆本身的重量； ( 3 ) 在履带链缠绕过程中，其驱动轮下部与履带链接触，卷起的瞬间受到的驱动 力为最大。 履带式推土机的“非路面 作业性质，其振动频率范围较宽，不但随着路况的不同 而不同，而且还随着作业工况不同而不同。通过对3 5 吨级别的履带式推土机进行振动 7 粘弹性悬架阻尼缓冲干1 ：的参数化分析与优化没计 测试知，其一阶振动频率分布在4 5 h z 上下，二阶振动频率分布在1 0 5 h z 上下，且以 4 5 h z 为主，其中对车辆影响最大的主频段在1 5 h z 以下。根据对本文研究的某4 1 0 马 力履带式推土机为例，查阅有关资料，对其在软岩石上的作业测试得出，其主振动频率 分布在4 到8 h z 之间【2 9 1 3 们。通过以上测试数据知，_ 般来说，履带式推土机的主振动 频率分布在l o h z 以下。 2 1 2 整机缓冲力学模型 在力学性能上为了能较好的研究单个粘弹性悬架，整机力学模型有必要先建立。在 本文的整机力学模型中，某4 1 0 马力履带式工程车辆被选为研究对象，其底盘两侧各有 7 支重轮及6 个粘弹性悬架。竖直方向的随机振动和前后方向的摆动冲击使读者只需考 虑z 方向和z y 平面内的振动。简易化处理力学模型，使其更加简明易懂，本文假定方 式如下： ；j 一一 卜j 圭_ l 一_ j 二，羞k1 f ：耳 心窜k 二_ k r l 3 jk 审k 5 ：k , 。f l t j - - q 。i q 、l jq 3 。，i ，q 彳、iq 5 。lq 6 。i ， z l ：- j z l 3 一 z l 4 一 一 z l s 一 z l 6 一一一一一一 模型 f i 9 2 1 “r o a d d o z e r r a n d o mv i b r a t i n gs y s t e m ( 1 ) 履带两侧所受的地面激励相同、关于其纵轴线对称，简化为平面振动问题。 ( 2 ) 地面和履带板、履带板和支重轮之间接触良好，没有弹跳现象。 ( 3 ) 车身、台车架的刚度都较大，且是刚性连接。分析时不考虑其各阶振型、将 其视为一体。 ( 4 ) 可以用功率谱密度函数对地面的随机不平振动进行描述。 ( 5 ) 车辆匀速行驶，各个支重轮都重复前一个支重轮的时间历程。 简化后的“路面一车辆”的模型3 1 1 如图2 1 所示。为两自由度六输a - - 输出的随机 振动系统。 图中参数意义：m 表示行走机构承受的重量( k g ) ；q ，表示第f 支重轮垂直位移；1 8 第二章阻尼缓冲件振动特性与耗能原理 表示整车惯性矩；秒表示车体质心纵轴角位移；f 表示第j 粘弹性悬架的复刚度( n m ) ； t 表示车体质心到第f 粘弹性悬架系统与车体连接处的距离；z 表示车体质心垂直位移； 气，表示第f 粘弹性悬架与车体连接处垂直位移；z 厶表示第f 支重轮与第一支重轮轴距。 非独立自由度与独立自由度问的换算关系为：缈= 9 0 。一9( 2 1 ) 矽表示车体质心绕横轴角位移( r a d ) ； z 0 2 一缈3 一刍妒( 2 2 ) z 0 52 z 一，5 缈z 0 62 z - - 1 6 妒 根据达朗贝尔原理【3 2 】，建立该系统的运动微分方程为： m 2 + k t * z o ，= 巧g ， 6 扛l f _ 6 i j + 砰z = 砰g z m 2 + k 7 2 + 砖缈= 砰吼 6 9 16 扛1 信6 ( 2 3 )、， 膨+ f z t + 砰乎伊= k , q ，t 令【kj2 【向岛乜镌吒尼7j ，【，j2 【l l1 2乞1 5，6，7j 【q 】= 【q lq 2q 3q 4q 5q 6 口7 】；则，式( 2 2 ) 可表述为： ( m 。期惦玑怒砌= 懈恐， 亿4 ， 令m = ( 列，k = “搿小乩2 ，z = 嘲， q = 蕊黝忙1 ，2 ，7 ) 删，加3 ) 聩姚 磁+ k z = q( 2 5 ) 根据“路面一车辆”模型，由运动微分方程( 2 3 ) 知，系统对位移的频率响应 函数h ( j c o ) 为： h ( j c o ) = 【z 纠r q lq 2q 3q 4q 5 q 6 q 7 】7 1 = d 】。1 足】 ( 2 6 ) 一伽叫箭聊弛：j 所犏 = 南 避舞纠 亿7 ， 式( 2 6 ) 知： h ( ，国) ：i 1 1 ( 缈) h t 2 ( 缈)h ，( 国)日l 。( 缈)1 5 ( 缈) 日t 6 ( 缈l( 2 8 ) ”7 i 卫l ( j c o ) h 2 2 ( j c o ) h 2 3 ( j c o ) h 2 4 ( j c a ) h 2 5 ( j c o ) h 2 6 ( r i o ) j 、。 9 枷枷 一 一 z z = = l 4气 r、【 粘弹性悬架阻尼缓冲件的参数化分析与优化设计 结合式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 得： ( 川2 南( 毛矿矿地+ ( _ w ( 2 9 ) 其中，口= 1 , 2 ，= 1 , 2 ，3 ，4 ，5 ，6 在工程应用中一般以h z 为频率单位，只要将h ( j m ) 中的国换成2 x f 即可，而 缈= 2 x f 时，则有： 。= 主秒l 砰泓， 2 1 3 单个缓冲件力学模型 为了更好的指导粘弹性悬架的优化，有必要建立单个粘弹性悬架的力学模型，如图 ( 2 2 ) 所示是第i 减振模型，这是一个简单的单 自由度一阶减振系统。厂 图( 2 2 ) 中各参数意义：茸表示第f 粘弹性 l - f 百一旦可一 一jz ， 悬架复刚度( n m ) ；所j 表示第f 粘弹性悬架承担 k i ：二：一l 一j q f 车辆的质量( 姆) ；z ，表示车辆的位移响应( i t i ) ；图2 2 单个粘弹 生悬架力学模型 g f 表示车辆受到位移激励( m ) 。 f i g 2 2m e c h a n i c a lm o d e lo f s i n g l e 其运动微分方程【3 3 1 为： v 1 8 c 。e 1 缄1 c5 u 5 p e n 8 1 。n 幔艺o ) + 可毛= f = 砖吼j ，吩艺o ) + 巧( 1 + ) 毛= f = 砖g ， ( 2 1 0 ) 7 z r 频率特性为： g ( j r a ) 2 石= i 薪 ( 2 j 1 ) i 庀一， 缈l + ，庀 因为有国2 础27 朋聊，所以g ( 缈) 2 f 万i 丽 ( 2 1 2 ) 令孝：c ( 2 0 瓦) ，：2 店，则传递率为： 2 2 阻尼缓冲件的耗能原理 h ( 缈) = 1 0 ( 2 1 3 ) 第二章阻尼缓冲件振动特性与耗能原理 阻尼缓冲件的耗能原理就是利用橡胶材料的耗能特性，橡胶材料属于高分子粘 弹性材料，兼顾弹性和粘性特征。弹性部分能够将橡胶类高分子材料作用在它上面 的功，以弹性能储存起来；力去除后，弹性能又以动能形式释放出来，恢复到原来 的形状；粘性部分是损耗能量的部分，将作用在它上面的功转化为橡胶分子的内摩 擦能，并以热能形式散发掉，从而起到减振作用。 o j 1 。l 彩 、一 1 口 彳、 力 1 c - ，一 w t 图2 3 粘弹性材料的迟滞曲线 图2 4 粘弹性材料的滞后角 f i g 2 3h y s t e r e t i cc u r v eo fv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l f i g 2 4l a ga n g l eo fv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l 2 2 1 粘弹性材料特性 粘弹性橡胶材料与一般弹性材料相比具有如下特性： ( 1 ) 迟滞特性与迟滞角 橡胶材料在力学性能上的表现为应变滞后于应力，在外界作用力下，迟滞曲线如图 2 3 所示，曲线包围的面积就是橡胶材料在一个周期内交变应力作用下所损耗的能量。 图2 4 所示是滞后角，是橡胶材料在交变力作用下应变与应力的夹角。 ( 2 ) 复弹性模量与损耗因子 b 。 n a o， q 2 s 1 ，。 f 7 x ； 1。 ，rr s 2 q 1 _ c ：p l一红一 d 图2 5 动态应力一应变曲线 f i g 2 5d y n a m i cs t r e s s s t r a i nc h iv e s 橡胶材料的复弹性模量f 是应力与应变 的复数形式之比，即 e + ：竺：e ( c o s c r + j s i n o r ) s ( 2 1 4 ) 式中e c o s a 一储存弹性模量( 动态弹性模 量) ，e s i n 口一损耗弹性模量 损耗因子是橡胶材料减振性能重要指 标，是损耗弹性模量与储存弹性模量的比值。 = 器一口 ( 2 1 5 ) 粘