（机械设计及理论专业论文）wc8型矿用防爆胶轮车车架的动态特性研究.pdf

太原理工大学硕士研究生论文 w c 8 型矿用防爆胶轮车车架动态特性研究 摘要 防爆胶轮车是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种具有机动灵活、牵引性 能好和爬坡能力强等特点且适用于大型机械化煤矿的高性能辅助运输车， 该车型主要承担运送井下的煤渣、煤泥、矸石、混凝土等物料、以及托辊、 电机等井下设备。由于矿井下工作环境复杂、路面情况相对恶劣、胶轮车 在行驶过程中车架的振动和冲击现象较为显著，致使车架在服役期内产生 早期断裂。为了进一步提高胶轮车的产品质量，因此很有必要对车架的结 构强度和疲劳寿命进行研究。 。 本文主要以多体机械系统动力学和弹性动力学为基础理论对矿用防爆 胶轮车行驶状态下的不同工况，对车架铰接处进行动态特性的研究。首先 应用三维造型软件s o l i d w o r k s 建立矿用胶轮车车架及车架附件的实体模型， 并进行整车装配和模型简化，然后通过s o l i d w o r k s 与a d a m s 的数据接口 将整车实体模型导入到a d a m s v i e w 环境下，建立整车刚体动力学模型。 针对胶轮车的实际工作环境，在a d a m s v i e w 环境下模拟胶轮车满载 的四种不同工况( 平路满载、满载上坡、满载下坡、平路转弯) ，分别对其 进行了整车多体系统动力学仿真，得出了车架各连接处的动载荷、车轮转 矩及转弯半径等参数。研究表明胶轮车在通过矩形坑障碍时车架连接处的 振动和冲击现象明显加强，得到的胶轮车最小转弯半径和转弯宽度，结果 基本符合理论值。 利用a d a m s 的弹性体理论和a n s y s 模态分析理论实现胶轮车前后车 太原理工大学硕士研究生论文 架弹性化，最终完成了胶轮车整车刚一弹耦合动力学模型的建立，为下一 步车架动态应力分析做准备。本文主要针对已建立的整车刚一弹耦合动力 学模型，分析其在平路紧急刹车、矩形坑路面工况下弹性车架的应力时间历 程以及应力分布云图。研究表明胶轮车以2 档速度通过矩形坑路面时前车 架铰接处的应力值超出了车架所用材料的许用应力值，极易使车架产生疲 劳破坏，因此胶轮车在井下工作时尽量避免以2 档以上的速度过坑。 车架动态特性研究方法使得整车在设计阶段就可以通过建立虚拟样机 模型、模拟实际工况进行仿真研究，得到车架动态特性时间历程，较早的 预测了防爆胶轮车车架等部件的产品质量和疲劳寿命。这样可以使企业缩 短产品开发周期，降低生产成本，提高产品市场竞争力。 关键词：胶轮车，车架，刚一弹耦合，动态特性，动态应力 太原理工大学硕士研究生论文 r e s e a r c ho nd y n a cc h a ra c t e r i s t i c so fw c 8 t y p e 剐n ee x p l o s i o n p r o o fr u b b e r t y r e d a b s t r a c t f l a m ep r o o fr u b b e r t y r e v e h i c l ei s d e v e l o p e d i n19 5 0 s ，w i t hh i g h m a n e u v e r i n g ，g o o dt r a c t i o np e r f o r m a n c ea n ds l o p ec l i m b i n g ，w h i c hi sah i 曲 p e r f o r m a n c em d e dt r a n s p o r t e rf o rm e c h a n i z e dc o a lm i n e t h i sv e h i c l et y p ei s u s e dt oc o n v e ym a t e r i a li nm i n e ，s u c ha sc i n d e r , c o a l ，g a n g u e ，c o n c r e t e ，a n d r o l l e r , m o t o r d u et oc o m p l i c a t e dw o r k i n ge n v i r o n m e n t , h a r s hr o a dc o n d i t i o n ， s i g n i f i c a n tv i b r a t i o na n di m p a c t i o no ff r a m ei nr u b b e rt y r ev e h i c l er u n n i n gm a y l e a dt ot h eo c c u r r e n c eo ft h ef r a c t u r e d u r i n gt h es e r v i c ep e r i o d s o ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d ys 仃e n g t ha n df a t i g u el i f eo ff r a m e t h i sp a p e ri sm a d ep r i n c i p a l l yf o ri m p r o v i n gq u a l i t y , a i m i n ga tt h er e s e a r c h o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff r a m e j o i n t sd u r i n gr u n n i n gi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s b yt h et h e o r yo f t h em u l t i - b o d ym e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c sa n db a s i ct h e o r y o ft h ee l a s t o m e r f i r s to f a l l ，s e t t i n gu ps o l i dm o d e lo ff r a m ea n di t sa c c e s s o r i e s ， a n da s s e m b l i n gt h ew h o l e ，s i m p l i f y i n gm o d e l ，w i 也3 dm o d e l i n gs o f t w a r e s o l i d w o r k s ，t h em o d e lw a si m p o s e di n t oa d a m s v i e wb yd a t ai n t e r f a c e b e t w e e ns o l i d w o r k sa n d a d a m s ，a n dc o n v e n e di n t or i g i dd y n a m i cm o d e l a i m i n ga ta c t u a lw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，d y n a m i cl o a d ，t o r q u eo nt h ew h e e l ， i i i 太原理工大学硕士研究生论文 二二二= 二= = = = 一 t u r n i n gr a d i u sc a nb eo b t a i n e db ys i m u l a t i o no f m u l t i b o d ys y s t e md y n 锄i c sf o r f u l ll o a d e dv e h i c l ei na d a m s v i e w u n d e rf o u rc o n d i t i o n s ( f l a t r o a d 允1 l l o a d e d ， f u l ll o a d e dt r a c t o rd o w n h i l lo ru p h i l l ，f l a tr o a dt u r n i n g ) i ts h o w s t 1 1 a tv i b r a t i o n a n di m p a c t i o no ff r a m ei nj o i n ti se n h a n c e d o b v i o u s l y , w h e nr u b b e rt y r ev e h i c l e c r o s s i n gr e c t a n g u l a rp i t s ，t h em i n i m u mt u r n i n gr a d i u sa n dt u r n i n gw i d t hw e r e b a s i c a l l yc o n s i s t e n t 谢mt h e o r e t i c a lv a l u e s r i g i d 。e l a s t i cc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e lo ft h ew h o l ev e h i c l ei se s t a b l i s h e d f o rp r e p a r i n gf o rf u r t h e rs t u d yo nd y n a m i cs t r e s sa n a l y s i so f f r a m e ，b ya p p l y i n g e l a s t i ct h e o r i e so fa d a m sa n dm o d e la n a l y s i so fa n s y s f o rf r a m ee l a s t i c i t y a c c o r d i n gt ot h er i g i d - e l a s t i cc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e l c r o s s i n gr e c t a n g u l a rp i t s i nc a s eo f e m e r g e n c yb r a k eo nf l a tr o a d , r t m n i n gw i t hs p e e do ft h ef i r s ts h i ra n d t h es e c o n ds h i f t ，t h ep a p e rs t u d i e st h et i m e s t r e s sh i s t o r ya n d s t r e s sd i s t r i b u t i o n c o n t o u ro fe l a s t i cf r a m e ，a n dl a y saf o u n d a t i o nf o rf t l r t h e rr e s e a r c ho n f a t i g u e l i f ea n a l y s i so ff r a m e r e s e a r c hp r o v e st h a ts t r e s so f f r o n tf r a m e j o i n t se x c e e d s t h ea d m i s s i b l es t r e s sv a l u eo ff r a m em a t e r i a lw h e nc r o s s i n gr e c t a n g u l a r p i t si n s p e e do ft h es e c o n ds h i f t ，w h i c he a s i l yr e s u l t si nf a t i g u ef a i l u r ef o r 丘锄e t h e r e f o r e ，i ts h o u l db ea v o i d e dt oc r o s sp i t si ns p e e do v e rt h es e c o n ds h i f ta s p o s s i b l ef o rr u b b e rt y r ev e h i c l ei nm i n e q u a l i t ya n dl i f eo ff l a m ep r o o fr u b b e rt y r ev e h i c l ef r a m ec a nb e e a r l y p r e d i c t e db yt i m eh i s t o r yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi so b t a i n e db yt h e m e a n so fb u i l d i n gv i r t u a lp r o t o t y p em o d e l ，s i m u l a t i n ga c t u a l w o r k i n gd u r i n g d e s i g np e r i o d i tc a ns h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t ，e 1 1 1 1 a n c e i v 太原理工大学硕士研究生论文 t h ep r o d u c t sc o m p e t e n c ef o rt h em a r k e t k e yw o r d s ：r u b b e r c h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cs t r e s s v e h i c l e ，f r a m e ，r i g i d - e l a s t i cc o u p l i n g ，d y n a m i c v 太原理工大学硕士研究生论文 二- 二二二一一 v i 太原理工大学硕士研究生论文 如图1 2 所示，车架在服役期内某处的破坏形式。 图1 2 胶轮车车架的破坏形式 f i g l 2 t h ef a i l u r em o d eo ft h ef r a m eo ft h er u b b e r - t y r e dv e h i c l e 在服役期内防爆胶轮车车架的断裂失效必将严重影响煤矿的工作效率，从而对企业 造成一定的经济损失。因此有必要结合现代仿真分析手段对车架失效原因进行深入探 讨。 1 2 矿用胶轮车国内外发展现状及车架的研究现状 1 2 1 矿用胶轮车国内外发展现状 2 0 世纪5 0 年代，作为矿上辅助运输设备的胶轮车在北美的一些国家己开始被推广。 1 9 5 9 年，柴油发动机胶轮车最早在英国的矿井下被使用。2 0 世纪7 0 年代初，美国、加 拿大、澳大利亚、德国等先进国家开始广泛使用胶轮车作为井下综采面设备、材料及工 作人员等的辅助运输设备n 1 。国外研制的无轨胶轮车主要有支架搬运车、铲运车、运输 车、油车、指挥车及人车等，国外制造的胶轮车按用途可分为运输类和铲运两大类。按 传动方式分为液力机械传动和电力机械传动两种，目前大部分矿用胶轮车仍以防爆柴油 机为主。国外近年来对矿井辅助运输车辆仍在不断进行开发，如铲运类和运输类的蓄电 池胶轮车。 国外对煤矿地下无轨运输设备的研究已积累了丰富的经验，生产制造无轨运输设备 的企业多数是原金属和非金属矿山车辆制造厂，他们在原有车辆的技术基础上进行改 进，研制出能满足煤矿井下要求的车型，发展很快，质量可靠。 目前，国外具备批量生产能力的胶轮车辆制造厂约几十家。据相关资料统计，1 9 8 8 太原理工大学硕士研究生论文 年美国各大中型煤矿就拥有胶轮车5 0 0 0 多台，之后大批量辅助运输设备陆续推广到英、 法、德等煤矿技术先进国家嘟。 与先进采煤技术国家相比我国的煤矿井下辅助运输设备相对落后，仍处于2 0 世纪 中期的发展水平。近年来，很多煤矿仍然使用小绞车、无极绳、小蓄电池机车等多段分 散的传统辅助运输方式，严重的制约着综掘综采技术的发展。据统计，我国煤矿井下辅 助运输人数约占煤矿井下工人总数的1 3 以上，有些煤矿甚至达到5 0 以上，用工量相 当于先进采煤国家的十几倍晦1 。直至2 0 世纪7 0 年代后期，我国才开始将这一科研工作 列入议事日程。到8 0 年代，将”煤矿井下辅助运输设备”列入国家科技攻关项目中。的 辅助运输胶轮车。 1 9 8 8 年以后，国内车辆市场涌入了大量进口矿用胶轮车。大同矿务局从1 9 8 8 年以 后先后引进了2 0 吨和2 5 吨级液压支架搬运胶轮车各一辆。潞安煤矿在1 9 9 4 年引进了 四台e m c 0 8 8 0 型胶轮车口1 。神华集团神东等矿区从9 3 年到现在先后引进了客运、铲运、 液压支架搬运等十几种车型的矿用防爆胶轮车阳3 。由于胶轮车是国外进口设备，车辆在 恶劣的矿井环境下作业时其结构件磨损程度较高，再加上进口零部件不能得到及时的供 应最终导致停机待修，从而降低了胶轮车的工作效率。因此，国内的一些科研单位很有 必要结合国外胶轮车的先进技术，再根据我国煤矿的实际生产情况去研制、开发符合我 国煤矿井下要求的辅助运输设备。煤科总院太原研究院从1 9 9 2 年至今，已经研发、生 产了多种车型的防爆柴油胶轮车。常州研究所等一些国内科研单位都在胶轮车进行不断 的改进。 通过对国内外胶轮车发展趋势的研究可以看出，煤矿井下胶轮车这一市场有很大的 发展前景，目前国内研制、生产的防爆胶轮车虽然能满足我国现代化矿井的生产、运输 需求，但质量和工作效率尤其是中小型产品与国外胶轮车相比还相差甚远。 1 2 2 矿用防爆胶轮车车架的研究现状 2 0 世纪7 0 年代，国外一些发达国家已经采用c a d 、c a e 技术对胶轮车车架进行 研究，如日本五十菱汽车公司已将c a e 技术推广到车架设计当中，从最初设计的简化 模型到设计中、后期的模型细化，分析的内容包括强度、刚度、结构等四1 。美国f o r d m o t o r 公司也将c a e 技术新车的研发中以提升其n v h 性能n0 1 。2 0 世纪9 0 年代，i m i b r a h i m 、 d a c r o l l a 和d c b a r t o n 3 等利用c a e 技术研究了车辆在颠簸行驶过程中对柔性体车架 3 太原理工大学硕士研究生论文 的影响。 早些年，我国依靠传统经验法对车架进行强度校核，即结合力学知识对车架进行简 化，再进行分析设计，最后利用试验来验证所分析的结果正确性n 2 j 。 传统方法的优点是简单易行，目前在车架的设计中仍有一定的作用。但也有其不足 之处，具体如下： 1 、传统的经验设计具有一定程度的盲目性，在每次设计中车架的强度和刚度问题 得不到合理的解决。而且设计周期较长，严重影响了车架更新换代的速度。 2 、传统的设计方法会造成车架结构刚度、强度的不合理匹配。有的部位强度不足、 有的部位强度富裕，从而提高了车架的设计成本。 综合以上设计方法的不足，各企业需要找出一种能与现代化市场竞争相适应的新型 设计方法。随着计算机技术的不断发展，c a e 技术已经广泛应用于工程设计当中，但对 于胶轮车车架的设计而言，主要还是采用静态工况分析，以静强度作为设计准则，以动 载系数来考虑其在工作时所受的动载荷作用，而车架实际受到的载荷则多为动载荷，其大 小和方向也是随着时间的变化而变化的，因而这种做法是不全面的而在国内对胶轮车车 架的动态特性研究还较少n 引。 1 3 本论文的研究内容和意义 1 3 1 本论文研究的主要内容 本文主要以某型矿用防爆胶轮车车架为研究对象，针对矿用防爆胶轮车行驶状态下 的不同工况，对车架铰接处进行动态特性的研究。 本文研究的主要内容如下： 1 、利用s o l i d w o r k s 三维造型软件建立矿用防爆胶轮车实体模型，然后进行整车装 配。 2 、将装配好的整车模型导入到机械系统动力学分析软件a d a m s 中，并建立虚拟 样机整车模型，对整车进行动态仿真分析，提取各种路况下车架铰接点、各附件与车架 铰接处的动态载荷曲线以及胶轮车的转矩。 3 、应用有限元分析软件a n s y s 完成防爆胶轮车车架的模态分析，将车架的模态中 性文件m n f 通过a n s y s 和a d a m s 的数据接口进行导出，为得到防爆胶轮车整车刚 太原理工大学硕士研究生论文 一弹耦合动力学模型再将车架的模态中性文件m n f 导入到多体动力学软件a d a m s 中，是进行动态应力分析的前提。 4 、利用该刚一弹耦合动力学模型对防爆胶轮车在典型工况下车架动态应力进行模 拟研究，提取典型工况下车架危险点的应力时间历程和动态应力云图，为其以后进行的 疲劳分析奠定了基础。 1 3 1 本论文研究的意义 车架动态特性研究方法使得整车在设计阶段就可以通过建立虚拟样机模型、模拟实 际工况进行仿真研究，得到车架动态特性时间历程，较早的预测了防爆胶轮车车架等部 件的产品质量和疲劳寿命。这样可以使企业缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产 品市场竞争力。同时可为车架动态优化、结构改进提供一定的理论依据。这些方法还可 以被广泛应用到工程机械、建筑机械等领域的动力特性及动态应力研究中n 引。 1 3 本章小结 矿用防爆胶轮车是煤矿井下短距离运输设备，由于井下路况复杂、环境恶劣，胶轮 车车架在服役期内经常发生破坏失效，本文采用现代设计方法中的刚一弹耦合动力学方 法进行研究。本章总结了选题背景、矿用防爆胶轮车的发展现状、车架研究现状以及本 文的研究内容和意义。 5 太原理工大学硕士研究生论文 二二= = 二二= = = = 一 6 太原理工大学硕士研究生论文 第二章多体机械系统动力学基础理论 本文应用a d a m s 软件对矿用防爆胶轮车进行动力学仿真研究，a d a m s 是美国 m d i ( i m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的多体机械系统动力学仿真分析软件，该软 件在全球市场占有率较高，逐渐成为热门的研究方向。a d a m s 软件包括a d a m s v i e w ( 界面模块) 和a d a m s s o l v e r ( 求解器) 两个核心模块。a d a m s v i e w 模块包含大量 的元件库和各种约束库等，它是使用以用户为中心的交互式图形环境，建立参数化机械 系统模型。总之，a d a m s 软件是一款可以创建复杂的机械系统动力学模型的m a c e 软件。下面就本文涉及到的理论基础进行阐述。 2 1 多刚体动力学基础理论 2 1 1 建立系统动力学方程 采用条件极值法建立系统运动方程口刀 旦d t 斛c o q ) 一7 坳培q _ 0 s ( q ，f ) = 0 ( 2 1 ) g ( g 训= o 式中， 丁一系统能量，丁= 圭v v + w - ，w ) s ( q ，f ) = o 完整约束方程 g ( g ，弓，) = o 一非完整约束方程 q 一广义坐标列阵 q 一广义力列阵 p 一对应于完整约束的拉氏乘子列阵 一对应于非完整约束的拉氏乘子列阵 鲈 2 ) 若系统速度、加速度的自由度为零，则可以进行机械系统动力学分析，只需求解的 约束方程为： 矽( g ，r ) = o ( 2 3 ) 求解该约束方程的有效方法是g e a r 运算法。用泰勒级数根据 当前状态矢量值来估计下一时刻系统的状态矢量值。 一 誓厅+ 三挚h ( 2 - 4 ) 心一2 少一十音壶等2 + ( 2 4 ) 式中，时间步长厅= f 。一f 。 这种预估算法通常得到有误差的系统状态矢量值，需要进行校正。上述等式右边不 8 太原理工大学硕士研究生论文 为零，可由g e 婵法k - i - 1 阶积分积分进行预估一校正。 t y 。= 一嘏y 。+ 口；y 一。 ( 2 5 ) 式中，y 。是少o ) 在f 一。时的近似值；屈，a ，为g e a r 积分系数值；式( 2 5 ) 也可以写作： 多一- - 一击卜扣刊儿l 一面卜一各蟹刊j 则约束方程( 2 5 ) 在f = f 。时刻展开，得： 矽q + 。，t + ) = 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 任一时刻f 位置的确定，可由约束方程的n e w t o n r a p h s o n 迭代方法求得： 考池叫 ( 2 - 8 ) 式中，匈，= q 川一q j , j 表示第j 次迭代； r 时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数z 。一1 0 ： 扛警 像9 ， 三= 节+ 喜喜茜籼。+ 采鹇( 别 亿 r 时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日第一类方程求解得到： 2 1 3 动力学分析 ( 考) 7 力= 一丢( 薏 + ( 詈) 7 + q ( 2 1 1 ) 多体动力学模型中的动力学方程一般为非线性的微分一代数方程，通过g e a r 算法 有效地处理该类动力学方程，能够得到机械系统动力学模型中的边界条件( 力、速度、 加速度) 。 求解微分一代数方程组的步骤： 9 太原理工大学硕士研究生论文 ( 1 )高斯消元。在进行消元时为了防止求解失败，需判断矩阵的主元。 ( 2 ) l u 分解。在高斯消元完成后，进行l u 分解以此得到解。 在进行机械系统动力学仿真分析时，其微分方程可依据动力学特性来选取积分算 法。就刚体来说首选变系数的( b d f ) 刚性积分程序，它的阶数和步长是不断变化的， 在每一步积分求解时采用n e w t o n - r a p h s o n 迭代算法；就高频系统而语言，宜采用a b a m 方法。a d a m s s o l v e r 模块提供刚性与非刚性两种主要的积分器。下面将对该算法进行 说明： 微分一代数方程的求解算法 用泰勒级数根据当前状态矢量值来估计下一时刻系统的状态矢量值。把式( 2 - 2 ) 在f = ，。时刻展开，得： f ( g ：+ ，z - ，。+ ，：。+ t ，t + ，乙+ ，) = ：o g ( 甜训蠹卅i _ _ u n + l - - 丸剃一陆h 。一缸刊) 协 矽q 。“，f 槲) = 0 预估算法获取的新时刻系统状态矢量值若能满足方程( 2 1 2 ) ，就不需要进行修正。 在a d a m sn 8 1 中，通过使用n e w t o n - r a p h s o n 程序来求解上述方程，非线性方程组 矽( x ) = o 进行解算时，其非线性方程为痧= 矽如，织一谚) r ，共有n 个。n e w t o n - r a p h s o n 算 法的关键是选取合适的变量x 初值，变量x 为n 阶列阵，若矩阵为非奇异，则解唯一。 通过该算法求解上述方程，其迭代校正公式为： c + 考幻，+ o 抛fa u ，+ o a f “甜，+ 筹皑= 。 g ，+ 娑幻，+ o _ q g 甜，：0 ( 2 1 3 ) j a q u 加 j 一 谚+ 考蚣。 式中，j 表示第j 次迭代，g ，= q 川一g ，a u ，= 甜川一z ，m = x j + l 一乃； 太原理工大学硕士研究生论文 由式( 2 1 6 ) 可知： 由式( 2 1 1 3 ) 可知： 将式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 带入式( 2 一1 3 ) 转换成矩阵形式： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 参( 等一去i 詈 ( 考0 广1 薹 ：仨寻( 2 - 1 6 ) ( 毒弘 。 。l 薹 2 二吾 公式左边的系数矩阵为系统的雅可比矩阵，i o f 是刚度矩阵，罢是阻尼矩阵，o f 是 d g 抛 a 甜 质量矩阵。 通过j a e o b i 矩阵符号分解算法分解矩阵求解幻，l f ，丝；计算出 q j + l 甜川，乃+ ，g 川，蚧，兄川；重复上述步骤直至满足收敛条件，若预估值和校正值两者间 的差值满足积分误差限，认可该解，继续进行，= f + 办下一时刻的求解。否则重新对积 分步长进行减小修改，再求解。 2 1 3 静力学分析 若系统进行静力学分析时，相对应于系统动力学方程的求解分析过程，分别设速度、 加速度为零，由式( 2 1 6 ) 得到如下的系统静力学方程： | | l i a 矽一l _ | l 鲁) ，= 二；) ， 。c 2 1 7 ) 2 2 弹性体动力学基础理论 多体系统一般由相互作用的刚性体与可变形的弹性体组成，系统中的每个构件都可 叶 g g 如， 塑上嘏办矗上碱 一r 1 ” n 口一g 如 丝却 太原理工大学硕士研究生论文 能有空间的平动和转动。弹性体系统动力学理论就是关于分析由刚性体与弹性体组成系 统的理论。与多刚体系统动力学理论相同，弹性体系统动力学的研究也有着众多研究方 法n9 j 。 2 2 1 离散化方法 离散化方法创建柔性体模型与刚体建模方法的理论方法一样，即将整个刚体分成若 干个小刚性体，刚性体之间采用柔性梁连接。其基本思想是化整为零、化大为小，通过 每个小刚性体来反映整体的特性。使用柔性连接件的优点可以帮助用户直接计算横截面 的属性，比直接使用柔性梁连接更方便呦1 。 2 2 2 模态集成法 模态集成法n 司是将弹性体看作有限元模型的节点集合，相对于局部坐标系有小的线 性变形，每个节点的线性局部运动近似为模态振型或模态振型向量的线性叠加。如果局 部坐标系的位置用它在惯性参考系中的笛卡尔坐标石= ( 石，只z ) 和反映方位的欧拉角 沙= 妙，见痧) 来表示，用9 = g ，g ：，g 。 r ( m 为模态坐标数) 来表示模态坐标，可以 得到弹性体的广义坐标系： h 乒防 x y z 沙 1 9 矽 g 置1 ( 2 1 8 ) x ，y ，z 是局部坐标系相对于整体坐标系的空间位置；妒鼠是局部坐标系相对于 整体坐标系原点的欧拉角；g ，是射阶模态振幅的振型分量。 那么弹性体上任一节点( 如第i 点) 的位置向量可表示为： r = x + a ( s + 纪g ) ( 2 1 9 ) 式中，a 一物体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵； 1 2 太原理工大学硕士研究生论文 s 一节点i 在物体坐标系中未变形的位置； 仍一对应于节点f 的移动自由度的模态矩阵子块； 对式( 2 2 2 ) 的时间进行求导，得出节点的速度： v = 鲁= 面d x + i d a ( t + 够g ) + 彳坐去趔 = 二一彳( 二，+ 易，g ) 国+ 么纪； ( 2 2 0 ) = e - a ( s , + 易，g 户+ 么仍j 孝 式中，国一物体坐标系的角速度向量； b 一欧拉角的时间导数与角速度向量之间的转换矩阵； ”一向量对应的对称矩阵； 节点f 的角速度用物体的刚体角速度与变形角速度之和来表示： 够= 国- i - 矽。q 式中，矽一对应于节点f 的转动自由度的模态矩阵子块 则弹性体的动能和势能可表示为： r = 三喜聊。_ 7 一= m 偌) 手 y ：k g ) 孝 最终的运动方程是采用拉格朗日乘子法创建的： 瞎罅三曙弘k 4 小睹褂枷 式中， k ，d 一分别为模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵： k 4 ，d 4 - 分别代表物体内部由于弹性变形和阻尼引起的广义力： z 一广义重力； 五一对应于约柬的抽格朗日乘子： ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 太原理工大学硕士研究生论文 q ，沙一对应于外力的广义力。 方程式( 2 2 2 ) 中的质量矩阵是变形和方向的复杂函数，可以通过确定惯性常量来提 i m 。 心以l m ( 孝) = lm ，7 以以l ( 2 - 2 5 ) im 7m 7 ml 式中， m = i e ，坂= 一彳【，2 + l 3 q ，】口，朋o = 以3 ； m = b 7 【，+ t 5 吼lm 。= i 6 ； 丝= b 7 【，7 一亿。+ j ， b ，一l 吼g ，p 以上各子块均采用模态坐标、欧拉角和九个惯性时不变矩阵，1 ，9 ( 表2 1 ) 来表示， n b2 1i n e r t i a lt i m ec o n s t a n tm a t r i x 惯性时不变矩阵维数 ，1 ：ym ， 标量 一 ，# l 1 2 ：ym 置3xl z 一 。 ，3 = 聊，痧j = l ，2 ，棚 3 m 卜喜( 镌；和磁) 3 m ，5 = 所，矽，谚歹= 1 2 ，m 3 所 ，t ：主m ，谚7 谚+ 磁 m ，竹 ，：y ms ，7 s j + ， 3x3 一 一 ，。= m ，s t 矽，f ，歹= 1 , 2 ，m 3 3 _ ，9 且= m ，矽。，k = l 一2 ，m 3 3 太原理工大学硕士研究生论文 2 2 3 有限元模型理论分析 在有限元模型中，惯性坐标系一般都位于模型的一端，坐标系的任意一个坐标轴应 位于模型的轴线上。有限元中的弹性体模型通过做相对位移才能够进入多体系统中，即 将有限元中弹性体方程乘以转换矩阵，最终完成了从局部坐标向整体坐标的转换。 多体系统动力学的有限元方程是由拉格朗日法所建立的： 阻 长j + 【c 略；+ 医k ) ：抚) ( 2 - 2 6 ) 有限元模型分析方程一般建立在模型局部坐标系下，要想完成从有限元方程转换到 多提系统动力学运动方程，必须借助于多体系统动力学理论中的转换矩阵b 。对于上面 所建立的有限元方程，其刚度、阻尼、质量矩阵都是相对于惯性坐标而言的，它是由局 部坐标乘上多体动力学理论中的转换矩阵得到的。即上式可表示为： 胁。】访r 三j + 陬。】访rx j + s k1 召r x ：以) ( 2 - 2 7 ) 式中，m = b m 。b 7m 。为静止状态下的单元质量矩阵；c = b c 。b 7c 。为静止状态下的单 元阻尼矩阵；k = b k 。b ，t 为静止状态下的单元刚度矩阵。其中式( 2 2 7 ) 的右边还可以 用位移、速度、加速度来表示： 罂o u 厶二) + 堡o q 厶； + 鼍阳 = 征) c 2 乏8 ) 当单元的位移很小时，转换矩阵不需要更新，描述方程最简单可行的方法是采用惯 性坐标。但当单元位移变化很大时，从局部坐标转换到整体惯性坐标的转换矩阵也必须 更新，从而大大降低了系统的求解效率。 在机械系统动力学软件a d a m s 中，所有刚体使用的浮动局部坐标与所有弹性体使 用的浮动局部坐标是同一个坐标，当对a d a m s 环境下的模型进行仿真求解过程中，必 须要更新坐标系间转换的相关矩阵，但不需要更新位于惯性坐标下的矩阵，以致大大提 高了系统的运行速度。当弹性体的变形应力在材料限定的取值范围内，弹性体的总位移 可以通过局部坐标系中的相邻的单元变形叠加得到。对于求解集成了有限元模型的多体 动力学，需要以弹性体与多体系统作用点的力、力矩、速度、加速度等为边界条件进行 求解，需要求得力、力矩、变形量等相关数据，并将结果与多刚体模型的结果进行比较。 若误差未能达到规定范围，则需将时得到的力、力矩等作为已知条件进一步求解；若误 太原理工大学硕士研究生论文 差达到限定取值范围，则求解结束汹儿矧。 总之，有限元分析与机械系统多体动力学仿真分析都是基于相同的动力学求解基 础。为了在有限元分析中更好地满足较小位移分析的需求需在分析中使用惯性矩阵。而 在a d a m s 环境下使用局部坐标系下的局部单元矩阵，能及时有效地描述系统内不同构 件的位置几何关系。 2 3 本章小结 本章总结了多刚体机械系统动力学基础理论，其中重点介绍了动力学仿真软件 a d a m s 多刚体机械系统动力学的理论及计算方法；在阐述多弹性动力学基础理论方法 中，就弹性体的离散化方法、弹性体模态集成法及集成有限元模型的多体基础理论。 1 6 太原理工大学硕士研究生论文 第三章整车模型及多体动力学模型的建立 3 1 整车模型建立 3 1 1s o l i d w o r k s 软件介绍 s o l i d w o r k s 软件公司是世界著名的m c a d 供应商，它是达索系统( d a s s a u l ts y s t e m e s s a ) 下设的一家子公司，主要负责机械设计软件的研发与销售。目前达索的c a d 产品 具有较高的市场占有率，其中c a t i a v 5 就出自于该公司。 s o l i d w o r k s 是当今世界上最先进的集c a d i c a e c a m 】m m 于一体的三维造型软 件，它是全球第一个以w i n d o w s 系统为平台开发的三维c a d 系统，由于技术创新顺应 了c a d 技术的发展趋势，其被广泛应用于航空航天、机械、国防、汽车、造船等工业 领域。由于使用了w i n d o w so l e 技术和先进的p a r a s o l i d 内核以及良好的集成技术， s o l i d w o r k s 成为全球销售量最大、用量最好的软件乜。国内外一些著名高校已经把 s o l i d w o r k s 列入机械制造专业的主修课程。 s o l i d w o r k s 软件提供了产品设计环境，能够真正实现产品从开发设计到制造的数据 化集成。该软件不仅具有强大的实体建模、装配设计、钣金设计、曲面设计及生成工程 图等功能，而且在产品的研发设计阶段还可以进行机构运动仿真、动画模拟、有限元强 度分析及数控加工，从而提高产品的可靠性。以下是该软件的一些特点： 1 ) 真正实现了c a d c a e c a m 的数据无缝集成，各模块间的数据得以转换。 2 ) s o l i d w o r k s 操作简便的w i n d o w s 中文界面，支持特征的基本操作( 如：复制、 粘贴、剪切) 3 ) 在机构运动仿真中能够直接模拟接触式机械运动干涉的情况。 4 ) 具有双向关联的尺寸驱动 5 ) 提供了a p i 二次开发工具接口，通过高级语言( 如v c 、v b 、o l e ) 对其进行 二次开发。 在s o l i d w o r k s 设计过程中，它采取了自顶向下的设计理念创建零件盒装配体，图3 1 所 示了这种设计过程。 1 7 太原理工大学硕士研究生论文 图3 - 1 自顶向下的设计方法 f i 9 3 - 1 t o p - d o w nd e s i g nn l 础o d 在s o l d w o r k s 软件设计过程中，草图设计是基础、特征设计是关键、零件设计是核心乜4 | 。 3 1 2 整车零件的实体建模 虚拟样机进行动力学仿真分析的关键正确建立其实体模型，建模的前期工作应全面 了解各个零部件外观造型，尤其是他们之间的相互位置关系及装配顺序，在建模时应严 格按照设计图纸的实际尺寸建立模型以提高后期仿真分析的精度。 矿用防爆胶轮车是一个结构复杂的车种，考虑到s o l i d w o r k s 软件所建整车实体模型 导入到a d a m s 中零部件的丢失、自由度的数量以及仿真分析所需的时间，所以在 s o l i d w o r k s 中建模时应略去一些不重要的零部件，这样可以缩短在a d a m s 中进行仿真 分析的时间，从而提高了仿真分析的成功率。 通过综合考虑，最终将整车实体模型分为五大部分：前机架、后机架、油缸、车轮、 驱动桥及钢板弹簧。其中，前机架上的附件分别为燃油箱、废气处理箱、液压油箱、发 动机、变矩器、变速箱、覆盖件、驾驶操纵、电源箱、补水箱、人和座椅等；后机架上 的附件分别为货厢、气罐等；油缸有两对，分别为前后机架间的转向油缸、后机架上的 举升油缸；车轮有四个，分别位于前后驱动的两侧；钢板弹簧分别位于前后机架的两侧。 1 r 太原理工大学硕士研究生论文 3 1 3 整车关键零部件的建模 胶轮车整车零部件数比较多，所谓的关键零部件是针对具体的研究对象而言的，由 于本文重点的研究对象是胶轮车车架，所以车架是严格按照设计图纸的实际尺寸来建模 的，其余零部件只建出类似事物的外观造型即可。 下图为胶轮车前后车架模型，其他零部件就不一一展示了。 图3 - 2 前车架模型 f i 9 3 2 t h em o d e lo f t h ef r o n tf f a m c 3 1 4 整车实体模型简化 图3 3 后车架模型 f i 驴- 3 t h em o d e lo f t h er e a l f i a m l e 考虑到该整车模型在a d a m s 环境下进行仿真分析，将整车模型在s o l i d w o r k s 环 境下简化为：前机架、后机架、油缸、车轮、驱动桥及钢板弹簧以及前后机架上的一些 附件。胶轮车简化后的零部件如表3 一l 所示，对应简化后的实体模型如图3 4 所示 表3 - 1 胶轮车模型筒化后零部件表 t a b 3 1m o d e ls i m p l i f i c a t i o nc o m p o n e n tf i s to f t h er u b b e r - t y r e dv e h i c l e 部件名称 安放部件 散热器、驾驶操纵、覆盖件、燃油箱、废气处理箱、液压油箱、补水箱、电源箱、 前机架 座椅、发动机、变速箱、前驱动桥、轮胎、前板簧 后机架 后驱动桥、货厢及货物、轮胎、后板簧、气罐( 2 个) 油缸转向油缸( 2 个) 1 9 太原理工大学硕士研究生论文 图3 4 胶轮车简化后实体模型 f i 够- 4 s i m p l i f i c a t i o ns o l i dm o d e lo f t h er u b b e r - t y r e dv e h i c l