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大型散装物料半挂运输车虚拟样机分析 摘要 随着经济的迅速发展，国内对散装物料运输车的需求越来越大。 然而，我国的散装运输技术起步较晚，与西方发达国家有较大的差距， 物料散装率还比较低。因此，开发研究散装物料运输车，无疑具有重 要的现实意义。 本文以汽车产品的虚拟设计、虚拟分析为手段，以多刚体系统动 力学的理论方法为基础，利用机械系统动力学仿真分析软件a d a l i s o a r 建立了该大型物料散装半挂运输车( 简称半挂车) 改进前后的整 车虚拟样机模型，进行了整车系统的动力学仿真。通过对改进前后两 车转向盘角阶跃输入试验、稳态回转试验、蛇形试验的仿真分析对比， 得出两车在操纵稳定性方面变化不大，改进后的半挂车操稳定性略好 于改进前的半挂车；并对改进后的半挂车进行了平顺性仿真试验，车 辆的平顺性符合要求。 。 该大型物料半挂运输车的虚拟样机分析，对早期设计有着重要的 指导意义，对于减少产品开发过程中物理样机的制造成本，缩短开发 时间具有重要的现实意义。 关键词：散装物料运输车操纵稳定性虚拟样机技术 a d a m s c a r 多刚体系统动力学 i h vlt u a lp r o t o t y p ea n a l y sis o nb u l k - - m a t e ria l ss e mit r ail e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , m o r ea n dm o r eb u l k - m a t e r i a l s e m i - t r a i l e r sa r en e c d e d i n o u rc o u n t r y h o w e v e r , o u r t r a n s p o r t a t i o n u n d e r t a k i n gi nb u l kb e g i n sl a t e rt h a nt h ed e v e i o p e dc o u n t r i e s a n dh b e h i n d t h e mg r e a t l y t h ep r o p o r t i o no fm a t e r i a l si nb u l ki sl o w e rc o m p a r e dw i t ht h e m t h e r e f o r e , m a k i n gr e s e a r e ho nt h eb u l k - m a t e r i a l ss e m i - t r a i l e rh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n e eu n d o u b t e d l y i nt h i st h e s i s , w i t ht h ew a yo fv i r t u a ld e s i g na n da n a l y s i s , b a s e do nt h e c l 勰s i ct h e o r yo fm u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s ，t h eo r i g i n a la n dt h ei m p r o v e d b u l k - m a t e r i a ls e m i - t r a i l e r sv e h i c l e ( a b b r e v i a t i o no fs e m i - t r a i l e r ) v i r t u a lp r o t o - t y p ea r ee s t a b l i s h e du n d e rt h ea d a m s ，c a r 一m em o s ta d v a n c e dm e c h a n i c a l s y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o ns y s t e m st oc a r r y o u th a n d l i n gs t a b i l i t yv i r t u a le x p e r i m e n t ss u c ha s ：s t e ps t e e r , s t a b l ec o r n e r i n g a n ds n a k i n g , w eg e tt h a tt h e r ei sn ot o om u c hc h a n g ei nh a n d l i n gs t a b n n y b e t w e e nt h et w om o d e l s - - - t h eo r i g i u a la n dt h ei m p r o v e ds e m i - t r a i l e r , a n dt h e i m p r o v e ds e m i - t r a i l e ri sal i t t l eb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lw e d ot h er i d ec o m f o r t v e h i c l ev i r t u a le x p e r i m e n t so nt h ei m p r o v e dm o d e l , a n dt h er e s u l ti sa e c o r d i n gt o o u rd e m a n d t h ev i r t o a n yd e s i g n i n ga n da n a l y z i n go nt h eb u l k - m a t e r i a ls e m i - t r a i l e r s ， h a s 叠ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ed u r i n ge a r l yd e s i g n a n dg r e a ts i g n i f i c a n c et o r e d u c et h em a n u f a c t u r et i m ea n dt h ec o s to fr e a lp r o t o t y p e k e y w o r d s ：b u l k - m a t e r i a l ss e m i t r a i l e rh a n d l i n gs t a b i l i t y v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g ya d a m s c a r t h e o r yo fm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：上儇劾 2 0 0 7 厂肋珀 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 黼糍：确鹕叶0 0 7 嘲溯 广西大学硕士掌位论文 大型散装物料半挂运输车虚拟样机分析 1 1 课题来源及目的 第一章绪论 本课题来源于对某汽车改制厂的l g 9 4 8 0 g f l 大型散装物料运输车的设计改 进。该汽车改制。( 股份合作制) 为从事专用汽车及各类汽车零部件生产的民营 企业。企业主要产品为粉粒物料( 散装水泥) 运输车、混凝土搅拌运输车、加油 车、重型自卸车、环卫机械专用车等各类专用牟，为东风汽车有限公司、一 汽特种汽车厂等厂家配套生产的车厢、车架以及各类结构件产品。企业年产 2 0 0 0 台罐式系列专用车、1 5 0 0 0 台各类车厢、1 0 0 0 0 台车架；并r2 0 0 0 年1 2 月 通过了i s 0 9 0 0 1 国际质量体系认证，2 0 0 3 年5 月通过了中国质量认证中心的 “c c c ”产品认证。 该大型散装物料运输车为三轴半挂车，前后共分为四仓，采用气压吹卸方式 卸料，其罐体和车架焊接在一起。其工作原理为，向容罐中通入经空压机压缩后 的高压空气，通过罐内流化床的特殊结构形成一定的气流方向，使散状物料松散 并与气体混合，处于“流态化”；打开出料口阀门时，散状物料混合气体由于压 力差便从罐体经输出管输送出来。罐体每仓都有一个出料口，每个出料口都需要 一套卸料装置，包括滑料板、流化床、通气管路等。该型号罐车的滑料板过多， 同时卸料装置过多，影响了罐体容积的利用率；罐体重量大，用材多等影响了其 使用经济性，这使得它在销售过程中并不为客户所青睐，并未达到预期的经济效 益，于是厂方提出了对其进行设计改进。本文就是在原车改进的基础上，利用动 力学仿真软件a d a m s 对原始模型和改进模型进行了虚拟样机分析，分析比较改进 前后整车的操纵稳定性能变化情况，节约了制造实车的生产试验成本和缩短研发 周期，并为下一步整车改进设计提供参考。 汽车是现代十分重要的现代交通运输工具之一，运货经济性是所有重型车车 士的梦想，要降低运输单位成本，重型车就应该朝大型化发展，追求大功率、重 吨位。2 0 世纪5 0 年代，国际载货车的最大功率约1 5 0 千瓦，现在已提高到约4 4 0 干瓦，汽车总质量可达7 0 吨。而我国载重车还停留在中量级_ i ，3 0 吨以上的卡 车寥寥无几。工业发达国家在6 0 年代就己普及了重型半挂车列车运输；工业发 达国家的散装物料运输车主要以半挂车为主，特别在欧洲基本j ! 全部采用半挂车 广西大掌硕士学位论文大型散蓑物嗣辈挂噩$ 自车虚拟样机分析 运输散装物料，包括卧罐散装半挂、集装箱敏装半挂和举升式散装半挂，其装载 容积从2 0 m 3 到7 6 m 3 ，以4 0 m 3 以上居岁”。我国的汽车拖挂运输，也是随着国 民经济的发展和运输量的增长、运输商品品位的提高以及高速公路的普及而相应 发展的。 由于采用散装运输有诸多优点，各国都比较重视发展散装运输事业，重视开 发应用散装运输车技术。目前，西方发达国家的散装运输水平较高，而我国的散 装运输起步较晚，散装物料运输率还比较低，中国高新技术含量专用车缺口严重， 国内大部分专用车企业开发能力较弱。国外无论是客车还是载重车都已经比较普 遍采用空气悬架系统，而国内却处于刚刚起步阶段，只应用在一些豪华客车和小 部分重型载货车上自6 0 年代末期以来，国内一些科研单位和企业在散装运输 车研制方面取得了可喜的成绩，汽车工业正在迅速发展的国民经济支柱产业，这 些年来，中国汽车工业已经具有一定的基础，并正在快速发展。随着国民经济的 迅速发展，特别是改革开放以来，我国对基础建设的投入不断加大，高速公路通 车里程的迅速增长，对汽车的专业化、高速化、重型化的要求越来越迫切，专用 汽车的需求逐年增加，专用载货车销量己经连续几年呈现出上升态势。目前我国 专用车的市场份额只占全部货车的2 0 左右，与发达国家专用汽车6 0 以上的 市场份额有很大差距，中国专用汽车市场有很大的上升潜力，这个市场的重要性 丝毫不亚于轿车市场口胡。 因此，用计算机虚拟仿真技术进行散装物料半挂运输车设计研究，无论从经 济效益上讲，还是从社会效益上说，都具有重要意义。 1 2 课题研究的内容和方法 ( 1 ) 采用a d a m s ，c 盯对改进前后的大型散装物料半挂运输车进行虚拟样 机仿真分析，通过对牵引头、悬架、钢板弹簧、车轮、挂车等进行建模，建立了 改进前后整车虚拟样机模型。 ( 2 ) 编制合理仿真控制文件，建立虚拟汽车试验场，进行虚拟样机仿真试 验，根据仿真结果对比分析改进前后散装物料半挂运输车的性能变化情况，对其 操纵稳定性和平顺性进行分析，为设计提供依据，节约研发成本，缩短研发周期。 2 广西大掌硕士掌位论文 第二章大型散装物料半挂运输车综述 2 1 大型散装物料半挂运输车的总体结构 l g 9 4 8 0 g f l 型散装物料半挂运输车，为三轴半挂式专用汽车，由牵引车、 罐体、半挂车车架、行驶系统、气路系统以及其它附属装置组成 6 - 9 1 ，如图2 1 所示 图2 - 1l g 9 4 8 0 g f l 型散装物科半挂运输车外形图 f i g 2 it h es h a p eo f t h el g 9 4 8 0 g f lb u r - c e m e n ts e m i - t r a i l e r l 一牵引车；2 - 气路系统；3 一罐体；4 - 行驶系统；5 半挂车车架 半挂汽车列车定义为：半挂牵引车与一辆半挂车的组合。牵引车是动力来源， 半挂车是被拖挂车辆，本身不带动力源。半挂牵引车专用来牵引半挂车，与普通 载货汽车的区别是车架上没有货箱，只作牵引作用，车架上放置有马蹄鞍( 也称 为第五轮) ，通过第五轮联结来承受挂车前部载荷并带动半挂车行驶。罐体共分 为四仓，它和挂车车架焊接在起。挂车放置在牵引车的第五轮上，并通过牵引 销和牵引车连接在一起。当挂车和牵引车分离时，挂车以支腿作为支撑。气路系 统由车载空压机供气，空压机放置在半挂车车架的前端。行驶系统采用三轴结构 形式，气力制动。 l g 9 4 8 0 g f l 型散装物料运输车，由国内某汽车改制厂设计，牵引车及富华 三轴悬挂f w 8 8 0 3 0 1 b 为外购件。半挂车部分的技术参数如下： 车辆长( m m )1 3 1 0 0 车辆高( 咖)3 8 5 0 罐体有效容积( m 3 ) 4 6 3 车辆宽( 咖) 罐体长度( 硼) 剩料率( ) 2 5 1 2 1 1 9 5 0 o 2 广西大掌司仕掌位论文丈型散蓑物孛p # 挂运输车虚拟样和曙 析 平均卸料速度( 水平5 m ，垂直高1 5 m ) t m i n 1 2 牵引销中心距车尾长度( 珊) 1 1 4 5 0 牵引销平面高度( 衄) ( 适用于单双桥拖头) 1 3 2 0 前悬后悬( m m ) ( 1 6 5 0 ) 1 0 5 0 轮距( 咖) 1 8 4 0 轴距( n u n ) 7 8 0 0 + 1 3 0 0 + 1 3 0 0 前回转半径( 皿n ) 1 7 2 0 整备质量( k g ) 1 2 8 0 0 送料口直径( 咖) 5 0 0出料口直径( 棚) 1 0 0 牵引销直径( n u n )# 9 0 在保持基本尺寸不变的前提下，将l g 9 4 8 0 g f l 型散装物料运输车由四仓改 为三仓，以达到既节约了成本，又不失可靠实用的目的。结构改进后的车型与原 始车型基本相同，其外形效果图如图2 - 2 所示。 图2 - 2l g 9 4 8 0 g f l 型散装物料车改进效果图 f i g 2 - 2t h es h a p eo f t l mi m p r o v e dl g 9 4 8 0 g f l b u l k - c e m e n ts e m i - t r a i l e r 2 2 散装运输车挂车的改进介绍 2 2 1 罐体和车架分析介绍 散装物料车的罐体一般由碟形封头、滑料板、滑板支撑板、流化床、隔仓板、 圆柱筒等组成，如图2 3 所示。在本文中，水泥车的罐体采用6m m 的q 2 3 5 a 钢 板卷制焊接而成，两端封头及出料口封头均采用标准碟形封头。滑料板采用1 2 m m 的q 2 3 5 a 钢板材料，其下部有支撑板来进行支撑，以防止由于过度变形而 影响卸料：其下端经锥形板与流化床相连接，流化床外接气路系统。滑料板、过 度下锥、流化床和气路系统共同组成卸料装置。挂车罐体共分为四个仓，每仓均 以隔仓板相隔，且配备有一套卸料装置。【l o 】 1 1 1 4 ，1 尊大掣颂士掣啦论丈 大型散袭物辛陴挂琏输车虚拟掉审吩析 圉2 - 3 散装物料车罐体结构 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r eo f t a n kf o rt h eb u l k - c e m e n ts e m i - t r a i l e r 1 - 碟形封头；2 滑板支撑板；3 一下锥；4 流化床：5 一滑料板： 岳过度锥筒；7 隔仓板：舡圆柱筒 l g 9 4 8 0 g f l 型散装物料车为承载式三轴半挂车，挂车底盘用来支撑承受半 挂车自重及其装载物料的重量。挂车底盘主要由车架、悬挂系统、车轴、轮辋和 轮胎等组成。挂车底盘中除车架外，其余均为外购件，采用三轴f w 8 8 0 3 0 1 b 型 富华悬挂。 车架按照结构形式可分为纵梁式、三段式、隔栅式三种类型。纵梁式车架具 有结构简单、对车身设计要求低、易于改装的特点，因此，该类型的车架目前广 泛应用于专用汽车的底盘中。本课题所研究的车架就属于纵粱式车架，它由两根 纵梁和若干横梁焊接而成。该车架大部分采用q 2 3 5 a 材料，在易产生危险的前 段支撑、过度纵梁和尾段纵梁处采用1 6 m n l 材料。同时在上述易发生危险之处 的下部还添加了加强板或加强梁，材料仍为1 6 m n l 。整个车架的宽度与底盘保 持一致。在重新设计车架时，除尾段宽度须与底盘保持一致外，中、前段宽度可 根据需要适当加宽。车架和罐体焊接在一起，车架最前端置有空压机，空压机工 作时引起的振动有助于卸料。 由于散装物料车的使用条件复杂，因此其车架的受力情况也十分复杂。车架 除了承受自重、罐体重量及装载重量外，还要承受行驶过程中所产生的各种动载 荷及其它载荷。通常要求车架有足够的疲劳强度、足够的弯曲强度和适当的扭转 刚度，在保证强度的条件下，还应尽量减轻车架重量。1 1 2 1 ( t 3 l 广西大掌硕士掌位论文 大型舅滚物 斗挂墨i 糖车童拭稃哲l 分析 2 2 2 改进后的模型 改进后的模型采用三仓设计，仍采用滑科板结构，如图2 - 4 所示：图2 6 为 原四仓结构模型。最前端的滑料板部位，采用双层结构，两层问有加强筋板，并 用斜板来支撑前封头和滑料板；另外，在每个隔仓板上也设有加强筋板。车架也 做了相应改动，改进后的车架如图2 5 所示。车架总体布局是前宽后窄。由于受 半挂车轮距不能变动，因此车架后段与原来相同。车架前半段则不受此限制，为 适应滑料板外扩予以加宽。在车架前后段过度处，改变了以往的斜线过度，采用 圆弧过度，有效地降低了此处应力集中的程度。 图2 _ 4 半挂车改进模型 f i g 2 - - 4t h ei m p r o v e dm o d e lf o rt h es e m i - w a i l e r 图2 - 5 半挂车改进车架 f i g 2 - 5 t h ei m p r o v e dc h a s s i sf r a m cf o rt h es e m i - t r a i l e r 图2 - 6 原四仓模型 f i g 2 - 6t h eo r i g i n a lm o d e lf o rt h es e m i - t r a i l e r 6 广西大掌硕士掌位论文大型散装物牟拌挂运输车虚拟样审份析 根据计算结果，将改进模型中易产生应力集中之处采取加厚、加筋板、倒角 等措施，应力较小之处则减小钢板的厚度。这样以来，既可降低最大应力，又可 使应力分布更为均匀，还可能使结构趋于优化，降低结构自重，节约成本。此改 进模型的重量为9 8 4 5 k g ，有效容积为4 8 4 4 一。 改进后的三仓模型匀速行驶时的应力( s e q v ) 分布如图2 - 7 所示，图2 8 为原四仓模型匀速行驶时的应力图。由于结构、载荷及约束均对称，故取一半结 构显示。 图2 - 7 匀速行驶时改进模型应力云图 f i g 2 - 7t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h ei m p r o v e dm o d e lw o r k i n g u n d o rl h ec o n d i t i o no f u n i f o r mv e l o c i t y 图2 - 8 匀速行驶时应力图 f i g 2 - 8t h es t 端d i s t r i b u t i o no f t i | 峙o r i g i n a lm o d e lw o r k i n g u n d e rt i l cc o n d i t i o no f u n i f o r mv e l o c i t y 由图可知，改迸后的挂车最大应力为1 1 0 0 2 m p a ，出现在第三吊耳( 由前至 7 广西大掌硕士学位论文大型散蓑物科半挂霉输车虚拟样机分析 后) 支撑处；在前部斜板和车架的结合部，应力为8 6 7 9 m p a 。由于车架材料为 1 6 m n l ，其应力屈服点为3 4 3 m p a ( 厚度直径1 6 r a m ) ，可见挂车强度满足要求。 通过计算对比，与原始模型相比，改进模型的结构更为合理，主要具有以下 特点； 1 原始模型的部件多采用传统方法或经验进行设计，为安全可靠起见，选取 了较大的安全系数，使得某些部件结构尺寸过大，浪费不少材料；而改进模型则 采用先进的计算机仿真技术进行设计，基本解决了原始模型中存在的问题，因此， 与原始模型楣较，改进模型的应力分布比较均匀，结构更趋合理。 2 ，改进模型与原始模型的自重和有效容积均有所变化。表2 - 1 为两模型具体 的差异性描述。从表中可以看出，改进模型的自重比原始模型大为减少，减少了 2 1 4 ，可以节省不少材料：丽有效容积却增大了6 4 ，可以增加一次装载质量； 罐体容积利用率有所提高，从8 5 8 提高了1 0 6 。 表2 1 ：改进模型和原始模型的差异性描述 t a b l e 2 - l ：t h e d i f f e r e n c e b e t 3 k f , e l l t h e i m p r o v e d m o d e la n d t h e o r i g i n a l m o d e l 2 3 散装运输车简化数学模型 为了便于分析散装车系统的基本特性，将半挂车系统简化为图2 - 9 所示模型 来建立系统运动学方程。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮的转角作为输 入：忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的平面运动；另外，还假定汽车 的侧向加速度在o 锯( g 为重力加速度) 以下，轮胎侧偏特性处于线性范围之内； 忽略空气阻力，忽略左右轮胎由于载荷变化而引起的轮胎特性变化以及回正力矩 等【“瑚。 啊、朋分别为挂车和牵引车的质量；k 、p ，、v 扭、分别对应牵引车、 挂车沿纵向和横向的速度；矿、仍、口分别为牵引车、挂车的转角、牵引车和挂 车的夹角；f ，、f ，为牵引车对挂车在纵向和横向上的力，包、6 r 、6 ，分别为 8 广西大掌司e 士掌位论支大型散蓑物率惮挂运输车虚彝l 样审份析 挂车、牵引车后轮、前轮的轴距； 0 、0 、0 分别为挂车质心到第五轮及 挂车轴的距离、牵引车质心到后前轴的距离；为牵引车质心到第五轮的距离； ，、，。牵引车和挂车的转动惯量；f 。、f 。分别为牵引车前轴右轮上受地 面作用的纵向力和侧向力( 其它车轮类似) 。 图2 - 9 整车简化图 f i g 2 - 9 t h e s i m p l ef i g u r eo f t h es e m i t r a i l e r 牵引车在纵向上的运动方程： 月f ( k 一伊) 2 一( j 7 l ，+ f 2 , ) s i n 8 一( f h + f “) c o s 8 一( 上7 ，j + ，4 ，) + f ， ( 2 - 1 ) 牵引车侧向运动方程： m o 产v l 们2 t f t - + f 1 ) t o s s 一0 fl x + f h ) s i n s + t f ，r 七f ) + fr ( 2 - 2 ) 牵引车横摆运动方程： ，：矿= 0 ( f ，+ f ：, ) c o s 8 一( f i x + f ：，) s i n 艿 一0 ( f ，+ f 。，) 一乏f ，+ 9 y - 西大掌司陆学位论文大型散蓑物事陴挂运输车童拟样机分析 三吩 ( f 一f ：，) s i n 万+ ( f 。一f ：j c o s 艿) + 三6 ，( f 。一f 0 挂车纵向、侧向、横摆运动方程分别为： ，珥( 一仍) = 一( f h + f 6 ，) 一f ，c o s o + f y s i n o m 1 0 ，+ v 。9 0 = f ，+ f6 ) 一f l s i n o fy c o s o i 。；l = 一l f 舢8 + f 艘一t 文f 。y + f i ) + o a f5 l f 。) 挂车和牵引车联接方程： j 仍= 妒一0 = v x c o s o 一( o 一9 ) s i n o h = v s i n o + 也一1 9 ) c o s e 一0 仍 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 考虑到汽车正常行驶时侧向加速度不超过o 4 9 ，侧偏角比较小，可以认为侧 偏角与侧向力成线性关系，将侧向力简单的采用线性特性来来示，并认为左右轮 胎的侧向力大小相等，表示如下： i f i ，+ f 2 ，。2 k i , f1 r + fir=2kpr(2-8) 忙，y + f6 y - - - - 2 k , a , 侧偏角为： 町= 万一詈一芝； q：生；一生(2-9) 匕匕 q ：立磊一鱼 珞珞 将式( 2 7 ) 和式2 8 ) 和式( 2 9 ) 代入到式( 2 1 ) 式( 2 6 ) 中，并假定 汽车以恒定的速度前进，即t = t = 0 ；挂车与牵引车间的夹角比较小- 近似认 为s i i i 口= 0 ，e o s o = 1 ；忽略小量k 、0 、妒、j 之间的乘积即两小量乘积为零， 忽略小量的导数即l = 矿= 占= 口= o 此时，认为简化后的车便成为匀速前进的 i o 广西大掌硕士掌位论文大型散袭物刺斗挂邈捌r 车虚拟样机分析 三自由度方程即牵引车的侧向运动b 、横摆运动二、挂车和牵引车之间的转动口。 其矩阵形式如下： p 慝 p = f 2 1 卸p j q 。1 参数p 为： 2 ( _ + 砖+ 毛) 古沏+ 弼地一2 f ，砖一。+ 鳓+ 。+ o k , j 专 2 南 2 ( f ，_ 一t 一，c 毛) 亡啊匕+ 2 f r 2 i + 2 _ + 皤+ 。+ ，c ) 毛 亡_ 2 乞毛 2 始毛+ 。南) 去秭。匕一2 ( 。+ 名) 皤+ 。+ 乏) 毛 毒2 一活 从以上方程我们司以得到前轮横摆角速度与前轮输入角之间的稳态关系： 要；l _ 。号( 2 - 1 1 ) 6 l + k v 。2l f + lr 其中k 称为稳定性因数，为： 足= 肌( o + o ) ( f ，t o 七，) 一取o ( 一) 砟+ ( + ，) 曼( o + o ) ( 1 + ，r ) 2 当k o 。 小结 本章对研究的大型物料散装半挂运输车结构以及其改进模型进行了介绍和 说明，并结合散装半挂运输车，给出了其简化后的数学模型，为以后对之进行 a d a m s 虚拟样机建模和仿真打下了基础。 广西，0 掌硕士掌位论文 大型散装物辅年拄噩鞠车虚拟样栅r 分析 第三章基于a d a m s 虚拟样机技术及其基础理论 3 1 虚拟样机技术 3 1 1 虚拟样机的基本概念 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术 ( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 揉合在一起，在计算机上建造 出产品的整体模型，并针对该产品在投人使用后的各种工况进行仿真分析，预测 产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术u 明。 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期， 提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁 早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设 计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚 至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只 有通过周而复始的设计、试验、设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程 是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵 活反应了。样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品 按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病；在竞争的 市场的背景下，基于物理样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提 高、成本的降低和对市场的占有。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传 统的设计上制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用 c a d 系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件 间的连接关系并对机械系统进行模拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用 系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的 运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以 大盈散蓑物丰衅挂运输车虚拟样考盼析 在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不 断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的 运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本 无法进行的试验，直至获得系统的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在整 个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验 与想像结合在计算机的虚拟样机里，让想像力和创造力充分发挥。当虚拟样机用 来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期而且设计质量和效率得到了 提高。 3 0 ! 2 虚拟样机技术的形成 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件 构成的系统，对它们进行设计优化与性能分析时可以分为两大类。一类称为结构， 它们的特征是在正常的工况下构件问没有相对运动，如房屋建筑、桥梁、航空航 天器与各种车辆的壳体以及名种零部件的本身。人们关心的是这些结构在受到载 荷时的强度、刚度与稳定性。另一类称为机构，其特征是系统在运行过程中这些 部件间存在相对运动。如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂 机械系统。此外，在研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑乘员的运动以 及运动员的动作分析时，人体也可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。 上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。 对于复杂机械系统人们关心的问题大致有三类。一是在不考虑系统运动起因 的情况下研究各部件的位置与姿态及其他们变化速度与加速度的关系，称为系统 的运动学分析；二是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置 以及运动副静反力，这类问题称为系统的静力学分析；三是讨论载荷与系统运动 的关系，即动力学问题。研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是 产品设计中的重要问题。已知外力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的 积分，称为动力学正问题。已知系统的运动确定运动副的动反力的问题是系统各 部件强度分析的基础，这类问题称为动力学的逆问题。现代机械系统离不开控制 技术，产品设计中经常遇到这样的问题，即系统的部分构件受控，当它们按某已 r 1 ，大掌硕士学位论文 大型散蓑物 串拄运捌r 车属撤样机分析 知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称为动力 学正逆混合问题。 虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学 建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解 这种问题的有效的快速算法。计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提 供了友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技 术环境。目前，虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的 设计思想，对制造业产生了深远的影响。 3 1 3 虚拟样机技术的工程应用 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。目前有 二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动 力学公司( m e c h a n i c a ! d y n a m i c si n e ) 的a d a m s ，比利时l m s 公司的d a d s 以及 德国航天局的s i m p a c k 。其中美国机械动力学公司的a d a m s 占据了市场的 5 0 以上。 虚拟样机技术已经广泛地应用到：汽车制造业、工程机械、航天航空业、国 防工业及通用机械制造业等领域。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门， 上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用 户节省了开支、时间，并提供了满意的设计方案。 现在世界上主要汽车制造商都在应用a d a m s 数字化虚拟样机软件，而且 从用户名名单还可发现汽车主要零部件供应商和轮胎制造商的名字。这些用户利 用虚拟样机技术可模拟任何运动零部件，即修改验证悬架、轮胎、转向系、车窗 机构、门锁机构、刮雨器等方案设计用户在计算机上还可进行整车测试，并进行 不同工况的操纵稳定性试验，他们甚至利用计算机模拟驾驶员在各种工况下的响 应。虚拟样机技术是- - f - j 新兴的技术，它有着广阔的发展前景及市场。 1 4 大型散蓑物料半挂运输车虚拟掸期l 分析 3 2 a d a m s 软件概述及算法原理 3 2 1a d a m s 软件概述 a d a m s 软件，即机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a m x l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是美国m d i 公司( m e c t 忸n i c a td y i l a m i c si a c ) 开 发的虚拟样机分析软件。目前，a d a m s 己经被全世界各行各业的数百家主要制 造商采用。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料， a d a m s 软件销售总额近8 千万美元、占据了5 l 的份额。跚 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数 化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程 方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析， 输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械 系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件。用户可以运用该软件非常方便地对 虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析 开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类 型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 a d a m s 软件由基本模块( 用户界面模块，求解器模块，后处理模块) 、软 件扩展模块、软件接口模块、专用领域模块( 舢) a m s c a r ，a d a m s t i r e 等) ， 以及a d a m s 软件工具箱等组成。其基本模块介绍如下： 1 ) 用户界面模块a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，采用 以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互 式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x y 曲线图处理、结果分析和数 据打印等功能集成在一起。a d a m s v i e w 采用简单的分层方式完成建模工作。 采用p a m s o l i d 内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和 力力矩库，并且支持布尔运算、支持f o r t 凡心7 7 和f o r t r a n ，9 0 中的函数。 除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条 函数、力力矩函数、合力力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常 量和变量等。 大5 散蓑物牵陴挂运辅r 车虚拟样审吩析 2 ) 求解器模块a d a m s s o l v e r 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，是 a d a m s 产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动 力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。a d a m s s o l v e r 有各种建 模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。 a d a m s s o l v e r 可以对剐体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和 控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块 输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定 义的子程序等添加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用 力，或施加单点外力。 a d a m s s o l v e r 新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的 复杂程度自动调整参数，仿真计算速度提高了3 0 ：采用新的s 1 2 型积分器 ( s t a b i l i z e di n d e x2i n t e r g r a t o r ) ，能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著 增强积分器的鲁棒性，提高复杂系统的解算速度：采用适用于柔性单元( 梁、衬 套、力场、弹簧一阻尼器) 的新算法，可提高s 1 2 型积分器的求解精度和鲁捧性： 可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便，并且s p l i n e 语句适用于各种 样条数据文件，样条数据文件子程序还支持用户定义的数据格式；具有丰富的约 束摩擦特性功能，在t r a n s l a t i o n a l ，r e v o l u t e , h o o k s , c y l i n d r i c a l ，s p h e r i c a l ，u n i v e r - s a l 等约束中可定义各种摩擦特性。 3 ) m d i 公司开发的后处理模块a d a m s ，p o s t p c 鼯r ，用来处理仿真结果 数据、显示仿真动画等。 3 2 2a d a m s 算法原理 a d a m s 利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出一最大数量坐标 的微分一代数方程( d a e ) 。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个 直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗 闩第一类方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡 尔广义坐标为变量的动力学方程【2 l l 。 3 2 2 广义坐标的选择 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性 空间中的一般运动时，可以用它的质心标架坐标系确定位置，用质心标架坐标相 广西大掌硕士学位论文大型散蓑物率拌挂遣输车虚拟样机分析 对地面坐标系的方向余弦矩阵确定方位。为了解析地描述方位，必须规定一组转 动广义坐标表示方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转 动广义坐标，但是变量太多，同时还要附加六个约束方程；第二种方法是用欧拉 角或卡尔登角作为转动坐标，它的算法规范。缺点是在逆问题中存在奇点，在奇 点位置附近数值计算容易出现困难；第三种方法是用欧拉参数作为转动广义坐 标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角时不存在奇点。a d a m s 软件用刚 体的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即 玑= i x , y ，z ，妒，0 ，纠7 ，9 = 功q ：，q ：i t 。由于采用了不独立的广义坐标，系统 动力学方程虽然是最大数量，但却是高度稀疏耦合的微分代数方程，适用于稀疏 矩阵的方法高效求解。 3 ，2 ，2 2h , d h 4 s 动力学方程建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： 采h 砂伽妒q 矿( 吼f ) = o ( 3 1 ) 口( 赫) = 。 式中：妒( 玑，) 为完整约束； 口( g ，；，r ) 为非完整约束； p 广义坐标列阵； d 广义力列阵： 卜对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 二爿 完整约束的拉氏乘子列阵。 3 2 2 3 n 璐动力学方程求解 重新改写式( 3 一1 ) 成一般形式： 1 7 广西大掌硕士掌位论文大型散摹物料半挂遂输车忘拟样机分析 f ( 舭五肌) = 0 g ( ；卜一；= 。 矿( g ，f ) = o ( 3 - 2 ) 式中：口，甜广义速度列阵