（光学工程专业论文）液压模块式组合挂车性能研究及数字化平台的开发.pdf

关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 妣嘲翩躲妞嗍一 f r l ff l ll fi f i i f 0 7 21 发的课题背 本课题研究 国内外对液 在数字化平台开发之前，首先分析了液压模块式组合挂车的总体结构、主要 技术特点及拼接形式，以及这些特点对组合挂车性能的影响。然后推导了2 纵列 单模块组合挂车和2 纵列低平板组合挂车的最大爬坡性能、纵向通过性能、转弯 性能、侧倾稳定性能、动力性及制动性的理论计算公式。同时分析了迎面风载和 侧面风载对组合挂车侧倾稳定性的影响，并推导了理论计算公式，为之后数字化 平台的具体实现提供了理论基础。 接着利用有限元软件研究了2 纵列6 轴线、1 2 轴线、1 8 轴线单模块组合挂 车的结构柔性，计算了它们在各自额定载荷下结构的变形值，以及结构变形对其 最大爬坡角和通过凹凸路面时最小纵向通过半径的影响，为数字化平台开发方式 的选择提供了依据。 随后论文根据现代软件工程理论，以及企业的要求确定了数字化平台的设计 需求、功能需求和其他需求，设计了数字化平台的功能级数流图并对其进行了细 化。之后从全局的高度出发，对数字化平台的概要设计过程进行了详细研究，在 概要设计中确定了数字化平台的开发方式和选用的开发软件，设计了数字化平台 的整体结构和运行流程。 最后，论文对液压模块式组合挂车性能研究数字化平台的具体实现进行了研 究，详细设计了平台的启动封面、菜单、对话框和各功能模块，并给出了部分比 较重要的编程语句。平台设计完成后，利用开发的数字化平台计算了几种典型液 压模块式组合挂车的各性能，通过分析计算结果对平台的可靠性进行了测试，并 得到了满意的结果。 本文的研究不仅为企业设计人员进行液压模块式组合挂车性能研究提供了 参考和依据，解决了企业的实际问题，还为企业设计人员设计新的车型提供了方 便的设计平台，提高了设计效率。对液压模块式组合挂车性能的研究为同类研究 提供了新的思路和可行的具体路线，具有现实意义和研究价值。 关键词：组合挂车平台设计性能研究c # a n s y s s e c o n d l y , t h e t h e s i s a n a l y z e s t h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，t h em a i nt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es p l i c i n gf o r m so fh y d r a u l i cm o d u l a ra s s e m b l e dt r a i l e r a n di t a l s o a n a l y z e s t h ei n f l u e n c et h e s ec h a r a c t e r i s t i c s b r o u g h tt o a s s e m b l e dt r a i l e r p e r f o r m a n c e t h e nt h et h e s i sd e d u c e st h et h e o r yc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h em a x c l i m b i n gc a p a c i t y , t h el o n g i t u d i n a lp a s s i n gc a p a c i t 5t h et u r n i n gp e r f o r m a n c e ，t h e s i d e w a ys t a b i l i t y , d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，b r a k ep e r f o r m a n c eo ft w ot a n d e mm o d u l a r a s s e m b l e dt r a i l e ra n dt w ot a n d e mb e da s s e m b l e dt r a i l e r i ta l s oa n a l y z e st h ei n f l u e n c e t h a th e a dw i n dl o a da n ds i d e w a yw i n dl o a db r o u g h tt ot h es i d e w a ys t a b i l i t yo f a s s e m b l e dt r a i l e r a n di td e d u c e st h e o r yc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，w h i c hp r o v i d e st h e t h e o r yb a s i sf o rr e a l i z a t i o no f t h ed i g i t a lp l a t f o r m a f t e rt h a t ，t h et h e s i ss t u d i e ss t r u c t u r a lf l e x i b i l i t yo f2c o l u m n s6a x i s ，1 2a x i sa n d 1 8a x i s i tc a l c u l a t e st h e i rd e f o r m a t i o nv a l u eo fs t r u c t u r ei nt h er a t e dl o a da n d a n a l y z e st h ei n f l u e n c et h i ss t r u c t u r ed e f o r m a t i o nb r o u g h tt ot h em i n i m u ml o n g i t u d i n a l p a s s i n gr a d i u sw h e nt h et r a i l e rp a s s e st h ec o n c a v e c o n v e xr o a da n dt h em a x i m a lr a m p a n g l ew h e ni tc l i m b st h er a m p a f t e r w a r d s ，a c c o r d i n gt o t h em o d e ms o f t w a r ee n g i n e e r i n gt h e o r ya n ds p e c i f i c n e e d so fe n t e r p r i s e ，i td e f i n e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，f u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n do t h e r s o fd i g i t a lp l a t f o r m i ta l s od e s i g n sf u n c t i o ns e r i e sf l o wg r a p ha n dm a k ei tm o r e d e t a i l e d t h e nt h et h e s i sm a k e sas t u d yo ft h ed i g i t a lp l a t f o r mo u t l i n ed e s i g np r o c e s s ， c o n f i r m st h ed e v e l o p m e n tw a yo ft h ed i g i t a lp l a t f o r ma n ds o f t w a r ea n dd e s i g n st h e d 酒t a lp l a t f o r mo v e r a l ls t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r o c e s s f i n a l l y , t h et h e s i sm a k e s ad e t a i l e ds t u d yo fr e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a lp l a t f o r m i t d e s i g n sp l a t f o r ms t a r t u pc o v e r s ，m e n u s ，d i a l o gb o x e s ，f u n c t i o nm o d u l e sa n di m p o r t a n t p r o g r a m m i n gs t a t e m e n t w i t ht h i sd e s i g n ，i t c a l c u l a t e st h ec o m b i n a t i o n st r a i l e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 p r o p e r t i e s t h e ni tt e s t st h ep l a t f o r mr e l i a b i l i t yw i t hc a l c u l a t i n gd a t aa n d t h et e s tr e s u l t i ss a t i s f i e d a l lo ft h es t u d i e so f f e rar e f e r e n c et ot h er e s e a r c ho fh y d r a u l i cm o d u l a r a s s e m b l e dt r a i l e rp e r f o r m a n c eo fa s s e m b l e dt r a i l e r , s o l v e st h ee n t e r p r i s e sp r a c t i c a l p r o b l e m s ，p r o v i d et h ed i g i t a lp l a t f o r mf o rd e s i g n i n gn e wp r o d u c t sa sw e l la sn e w i d e a a n dp o s s i b l ew a y sf o rh y d r a u l i cm o d u l a ra s s e m b l e dt r a i l e rp e r f o r m a n c er e s e a r c ho f a s s e m b l e dt r a i l e r , a n dh a v eaf i n ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：a s s e m b l e dt r a i l e r ；p l a t f o r md e s i g n ；p r o p e r t i e sr e s e a r c h ；c 参 a n s y s i l l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论。1 1 1 课题研究的背景。1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国外研究概况2 1 2 2 国内研究概况5 1 3 研究目的和意义。8 1 3 1 研究目的。8 1 3 2 研究意义8 1 3 研究内容9 第2 章液压模块式组合挂车结构特点分析及总体研究方案的确定1 1 2 1 液压模块式组合挂车的总体结构1 1 2 2 液压模块式组合挂车的主要技术特点1 3 2 2 1 动力鹅颈1 3 2 2 2 液压悬挂系统1 3 2 2 3 行走机构1 4 2 2 4 制动系统1 5 2 2 5 转向系统1 6 2 3 液压模块式组合挂车拼接形式介绍。1 7 2 4 总体研究方案的确定1 8 第3 章液压模块式组合挂车通过性的研究2 0 3 1 车轮纵向和横向位移量的分析2 0 3 2 组合挂车通过坡道路面的性能分析2 1 3 2 1 两纵列单模块组合挂车通过坡道路面的性能分析2 1 3 2 2 两纵列低平板组合挂车通过坡道路面的性能分析2 2 3 3 组合挂车通过凹凸路面的性能分析2 4 3 3 1 两纵列单模块组合挂车通过凹凸路面的性能分析2 4 3 3 2 两纵列低平板组合挂车通过凹凸路面的性能分析2 6 3 4 组合挂车转弯性能的分析2 9 3 4 1 两纵列单模块组合挂车转弯性能的分析3 0 3 4 2 两纵列低平板组合挂车转弯性能的分析3 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 典型车型通过性的计算3 0 第4 章侧倾稳定性及其它性能的研究3 3 4 1 组合挂车侧倾稳定性的分析。3 3 4 1 1 两纵列单模块组合挂车侧倾稳定性的分析3 3 4 1 2 两纵列低平板组合挂车侧倾稳定性的分析3 6 4 1 3 风载对组合挂车侧倾稳定性的影响3 7 4 2 组合挂车动力性能的分析3 9 4 3 组合挂车制动性能的分析4 0 4 4 典型车型侧倾稳定性及其它性能的计算4 0 第5 章结构柔性对组合挂车性能的影响4 3 5 1 几何模型的建立。4 3 5 2 网格的划分4 5 5 3 计算工况的选取及边界条件的施加4 6 5 4 结构柔性对组合挂车的性能影响分析4 7 第6 章设计平台需求分析及概要设计5 3 6 1 平台设计的需求分析5 3 6 1 1 设计需求5 3 6 1 2 功能需求5 3 6 1 3 其它需求5 4 6 2 设计平台数据流建模5 5 6 2 1 基本数据流模型5 5 6 2 2 功能级数据流设计5 5 6 2 3 功能级数据流细化设计。5 6 6 3 概要设计5 7 6 3 1 平台开发方式及软件的确定5 7 6 3 2 平台整体结构的设计5 8 6 3 3 平台运行流程设计5 9 第7 章数字化平台的实现和应用6 1 7 1 启动封面设计6 1 7 2 菜单设计6 1 7 2 1 菜单设计的基本要求6 1 7 2 2 平台菜单的实现方法6 2 武汉理工大学硕士学位论文 7 3 对话框设计6 3 7 3 1 对话框设计的基本要求6 3 7 3 2 对话框设计的具体实现6 3 7 4 各功能模块的设计与实现6 6 7 4 1 最大爬坡性能模块6 7 7 4 2 数据库管理模块6 9 7 5 数字化平台的应用7 0 第8 章总结与展望7 3 8 1 全文总结7 3 8 2 研究展望7 4 参考文献7 5 研究生期间发表的论文。7 9 致谢8 0 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 交通运输是人类社会生产、生活中不可或缺的一个重要环节。自上世纪改革 开放以来，随着我国经济稳定、高速的发展，建立完整的交通运输体系对国民经 济的发展越来越重要。特别是2 l 世纪初我国政府确立的西部大开发战略，例如三 峡水电站、跨海桥梁、青海铁路的建设，“西气东送”、“西电东送、“南水北调” 等重点工程的实施，这些工程建设项目的共同特点就是所需的设备形状复杂、体 积大和质量大，单件设备重量从几十吨到几百吨不等，且许多大件都是在生产厂 家组装完成之后才进行整体运输。这些大型设备的运输对我国的交通运输业提出 了前所未有的机遇和挑战，在此背景下，具有载重量大、耗能小、使用成本低以 及拼接灵活等优点的液压模块式组合挂车应运而生【l j 。因此世界各国都在大力研 究和开发液压模块式组合挂车。 国外液压模块式组合挂车的研发水平很高，生产技术已经相当成熟，其性能 方面的计算软件也在不断更新和完善。我国对液压模块式组合挂车的研究相对落 后，基本从进口和模仿生产阶段开始的，有关其性能方面的计算软件都是在购买 国外组合挂车时配套附有的，缺乏系统理论及技术支持。 湖北某特种车辆有限公司一直致力于大型平板车的自主研发和生产制造，并 利用企业优势与我校进行了长期的合作，且取得了很好的研究成果，之后在此基 础上又申请到了湖北省科技厅重大科技专项资金，进一步开展一系列重型工程运 输装备的技术研发。该技术研发包括产品的产业化研究、产品的自主研究和开发、 产品现代化设计技术和制造技术的研究、数字化平台的开发和应用等。其中现代 化设计与制造技术的研究具体包括对产品的优化设计、轻量化设计研究和制造工 艺流程设计研究等；数字化平台的开发具体包括针对某一特定系列产品，开发出 一款数字化平台软件，用以快速、方便、准确的对该系列产品进行查询和设计。 液压模块式组合挂车是该重大装备研究的主要对象之一，目前企业通过模仿国外 同类产品，已经研制生产出典型的拼车模块、合理的拼车方案、以及四种典型拼 接形式的液压模块式组合半挂车转向系统的参数化建模及优化软件，但在面向成 本和轻量化的典型模块的结构改进设计与优化设计研究、面向各拼车方案下组合 挂车的转向机构优化设计、面向企业设计和用户使用的组合挂车性能计算软件开 发等方面缺乏系统的理论支持和利用现代c a d c a e 技术进行设计和分析的手 段，考虑未来将该车型向市场推广的需要，并使技术更成熟、产品更可靠，尚有 武汉理工大学硕士学位论文 很多工作需要做。其中液压模块式组合挂车的性能研究和面向企业设计和用户使 用的数字化平台的开发为本课题研究的内容。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 专用汽车一词在国外起始于2 0 世纪5 0 年代，是指装置有专用设备，具备专 用功能，用于承担专门运输任务或专项作业以及其他专项用途的汽车【2 j 。当时二 战结束不久，欧美各国经济开始逐步发展，为了缩短作业时间，提高作业效率， 实现各类专项作业的机械化和单体化，出现了各类专项作业车辆。2 0 世纪7 0 年 代后期，随着世界各国国民经济、汽车工业的快速发展，公路交通状况的改善及 高速公路里程的迅速增加，社会对汽车的运输效率、经济性提出了越来越高的要 求，汽车的专用化趋势也越来越明显，导致专业汽车进入了一个快速发展的时期。 与普通载货汽车相比，因专用汽车有生产批量小，附加值高的特点，世界各国都 投入了大量人力、物力及资金从事各类专用汽车的研究和开发。近年来，专用汽 车增长率均大于载货车增长率，各国专用汽车产量占载货汽车产量的比率逐年递 增，且发达国家尽量以专用汽车替代载货汽车。例如在西欧，专用汽车一般占商 用车产量的8 0 左右，占载货汽车的5 0 以上【3 】。作为运输大型设备的重型专 用车，又因其装载量大、能耗小、车辆制造和使用成本低的优点，备受客户青睐。 2 0 世纪7 0 年代，生产技术的飞速进步导致大件运输在公路运输中占据的比 例越来越大，特别是质量密集的大型工程机械、分段船体、厂房、超长油罐、高 铁建设中的箱型梁等大型设备的整体运输越来越多，这都对重型专用车的发展提 出了新的要求。要求研发的重型专用车在运输超重、超大、超长物件时，装载方 图1 1 质量密集的大型货物运输( 图片来源德国g o l d h o f e r 公司) 2 武汉理工大学硕士学位论文 便和适应性好等。组合挂车可以根据货物的外形特点、体积和重量，实现长度、 宽度、轴距的可变，适应了以上要求【4 j 。国外组合挂车的研发技术水平相对比较 高，例如德国g o l d h o f e r ( 戈尔德霍弗公司) 、s c h e u e r l e ( 索埃乐公司) ， 法国的n i c o l a s ( 尼古拉公司) 等投入了大量人力和物力对组合挂车进行了开 发研究，其技术水平在国际上处于领先地位。图1 1 所示为大型装载机的运输， 因装载机体积、重量很大，需要两辆组合挂车并列装载来保证货物安全稳定的运 输。图1 2 所示为超长货物的运输，需要在挂车上装备专用的支撑架起固定作用， 保证货物安全运输。 图1 2 超长货物的运输( 图片来源德国g o l d h o f e r 公司) 随着科技的进步，近年来外国研发了一些新型的组合挂车特种装备，如动力 鹅颈的应用，能够实现全挂车和半挂车的相互转变，突破了全挂与半挂的区分界 限；液压悬挂系统的应用，可以保证组合挂车在通过不平路面时载货平台的平稳， 图1 3 通过不平路面的组合挂车( 图片来源德国g o l d h o f e r 公司) 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 3 所示；低货平台的应用，能够降低高大货物的重，t l , ，保证货物运输时的 稳定。液压模块式组合挂车的车辆装备技术如图1 4 所剥引。 图1 4 液压模块式组合半( 全) 挂车 1 动力鹅颈；2 可组合的单车模块；3 低货台 液压模块式组合挂车的性能直接影响到整车的稳定性、经济性、实用性以及 货物能否安全、及时的运输到目的地等，因此对其性能的研究至关重要。国外关 于液压模块式组合挂车性能研究的一些先进技术成果由于涉及到商业机密，能查 阅到的文献资料很少。目前可查到的资料是德国的g o l d h o f e r ( 戈尔德霍弗 公司) 公布的一款相对应于该公司生产的组合挂车的设计计算软件 m o d u l a r d a t a 。m o d u l 趾磁a _ t a 可计算不同拼接方式下各车型的载重质量，或 是根据载重货物的质量计算所需哪种拼接方式的车型，还可以计算最大爬坡度、 纵向通过半径、转弯半径、侧翻的角度和牵引力等。同时g o l d h o f e r ( 戈尔 德霍弗公司) 还公布了可用于查询不同货物最佳装载方案的软件e a s y l o a d ，例 如可以根据货物的外形特点、体积及重量查询是用三点支撑还是四点支撑等。该 两款软件都为用户提供了极大的方便，用户可以根据自己的需求拼接各种不同的 车型，之后计算该拼接车型的各种性能及货物的装载方案。但是国外液压模块式 组合挂车的性能计算软件不单独卖给用户，只有用户在购买了公司的组合挂车后 才会配套附有性能计算软件，且不提供源代码。因此对于模仿国外产品生产液压 模块式组合挂车的国内企业，所购买得到的性能计算软件没有自主产权，且价格 昂贵。 从上述情况可以得出以下结论： 1 ) 国外的液压模块式组合挂车工业已经相当发达，并且各项技术也趋于成 熟； 2 ) 对于液压模块式组合挂车性能的计算研究，外国已经有了相当完善的理 论和计算方法： 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 国外液压模块式组合挂车计算软件工具比较丰富和完善。 1 2 2 国内研究概况 我国专用汽车起步于2 0 世纪5 0 年代，是从最初的军用改装车和消防车辆开 始的【2 】。7 0 年代后期，随着改革开放的到来，专用汽车得到了全面的发展，一些 专用汽车生产厂家根据社会发展的不同需要，逐渐形成了自己的产品特色，成为 了某一类专业汽车生产的骨干企业。如生产冷藏汽车的镇江冷藏汽车厂、生产半 挂车的汉阳特种汽车制造厂、生产粉罐车的武汉专用汽车厂掣同。进入2 1 世纪 以后，我国国民经济运行出现重大转折，经济总体处于高速增长阶段。专用汽车 市场也连续呈现出快速上升态势，随着国家宏观政策调整，专用汽车企业的生产 集中度得到了极大的提高，区域优势更加突出，产业竞争力更加明显。2 0 0 1 - 2 0 0 6 年，专用汽车的产量占载货车产量的百分比，从2 5 提高到4 0 ，产品品种接 近50 0 0 个。截止到2 0 0 5 年7 月，我国生产专用汽车的公告内企业数为6 2 8 家， 6 0 以上经过资产重组、企业改制，企业产品在种类、技术水平、自主研发等方 面有了很大提高，逐步缩小了与发达国家的差距【7 】。总的来说，经过近半个世纪 的历程，专用汽车已发展成为国内经济建设中的重要运输与作业装备，在汽车产 业发展中具有举足轻重的位置。 我国专用汽车在飞速发展的同时，也出现了一些问题： 1 ) 专用车生产企业存在散、乱、差的问题。 如一个品种有许多的企业生产，以及一个企业又生产许多的品种，导致资金、 人才不能合理分配。比如在我国南部和北部有“专业汽车之都”之称的湖北随州 和山东梁山，每个地方都有上百家专用汽车生产厂，经常好多个厂家生产一款专 用汽车。 2 ) 产品结构不合理。 发达国家载货类汽车经过多年的发展，与市场需求较为匹配，产品结构比较 合理，其重、中、轻的比例接近3 ：4 ：3 ，而我国重、中、轻的比例为2 ：5 ：3 1 8 j 。 3 ) 科技含量高的产品缺乏自主开发能力。 我国专用车在产量上虽己具备相当规模，但多数是劳动密集型的中低技术含 量的产品，对一些技术含量高的专用汽车产品，只有极少部分企业通过国外进口， 之后进行模仿生产，但技术上投入不足，缺少核心技术，导致自主开发能力弱。 针对以上出现的问题，未来我国专用汽车的发展趋势主要表现在：重型化、 多轴化；轻量化、高科技化【1 4 】。 近年来随着国民经济的高速发展，公路交通状况的极大改善，特别是高速公 路的迅速增长，出现了不少生产大重型运输专用车的企业，如湖北三江航天万山 特种车辆有限公司、武汉天捷专用汽车有限公司、苏州大方特种车股份有限公 武汉理工大学硕士学位论文 司、中国重型汽车集团山东世运专用汽车有限公司、上海通联重型车辆有限公 司等。与发达国家相比，它们没有形成大批量生产，缺少资金的投入，限制了先 进生产设备和改进设备引进，导致生产的产品质量参差不齐，制约了大重型专用 汽车的发展。例如液压模块式组合挂车，我国在上世纪8 0 年代末9 0 年代初才开 始仿照法国n i c o l a s 公司7 0 年代生产的液压模块式组合挂车，直至现在还在 生产类似的、已被国外淘汰的产品【4 】。我国组合挂车在转向、组合拼接技术，性 能研究以及相关软件的开发上与国外相比存在较大差距，对组合挂车的设计研发 和自主制造方面，我国还处于模仿的初级阶段。 国内一些企业技术人员和学校研究人员对组合挂车进行了广泛的研究，相关 方面的论文也层出不穷。1 9 9 4 年，上海水工机械厂的赵龙在文献 1 5 1 q b 介绍了组 合式重型液压全挂车的概念，1 1 2 模块单元车的主要参数，以及国内某些厂家 的使用情况。1 9 9 6 年，成凯、黄海东等人在文献 1 6 1 q b 共同设计了可拼接式重型 多轴全挂车，该种挂车具有多种拼接方式，车架结构简单易于拼接，并且采用了 液压悬挂系统，其两种转向方式，保证了最小转弯半径，该挂车拼接后最大载重 可达4 0 0 t 。2 0 0 0 年，阎冠、任有等人在文献 1 7 】中介绍了超重型可拼接式全挂车 的结构特点、主要技术参数及拼车方案。2 0 0 6 年，鲍远通、罗灯明分析研究了 一种重型液压组合式半挂车，介绍了该挂车的主要结构，以及在设计挂车的货台、 鹅颈和转向机构时要注意的要点等【1 刚。以上这些文章大都停留在层面介绍上， 未涉及到相关技术的研究。 2 0 0 1 年，罗灯明、司鹏鸥等人对组合式全挂车液压动力机组进行了研究，得 出了满载时的液压悬挂的受力分析和工作压力计算方法，并以此对液压泵和柴油 机进行选型2 z 】。第二年，他们在文献【2 3 】中接着研究了重型液压组合式挂车货台 升降系统，详细阐述了货台升降和鹅颈升降的设计原理，以及液压系统的工作原 理。之后在2 0 0 6 年，侯友山、石博强等人在文献 2 4 1 q b 介绍了液压系统工作原理 和详细的使用操作过程。随着有限元理论推广和c a e 软件的普遍使用，2 0 0 5 年， 李海鹏、石博强等人利用虚拟样机技术和有限元分析工具对拼接式多轴挂车液压 悬挂的摆臂进行了分析并进行改进，通过减小摆臂的宽度，改变摆臂的结构形式， 使得改进后的摆臂在同样的载荷下应力分布更加合理【2 5 1 。2 0 0 6 年3 月，韩志凌、 孙占刚在文献 2 6 】中提出了在鹅颈与货台之间增加一偏心装置，且证明了偏心装 置存在的合理性。同时在此基础上，建立了鹅颈结构的有限元模型，应用a n s y s 软件分析计算分析了最大载荷下鹅颈结构的应力分布，为鹅颈设计提供了理论参 考。2 0 0 9 年同济大学于志勇在硕士论文里对1 4 0 t 全挂式平板车整体车架进行了有 限元分析，为组合挂车车架的疲劳寿命分析提供了依据【27 1 。之后2 0 1 0 年1 月，武 汉理工大学的张宇探研究了液压模块式组合挂车在不同装载方式下有限元计算 6 武汉理工大学硕士学位论文 建模问题，提出了采用平衡杆系机构来模拟液压悬挂系统的方法，这种方法在任 意装载方式下均能保证同支撑组车轮液压管路相通、轴荷相等的要求，并对典型 车辆主体结构强度刚度进行了有限元分析。这些研究论文让我们比较系统的了解 了组合挂车的工作原理，重要部件的结构改进分析以及整体车架的有限元分析。 关于组合挂车的性能，文献 3 4 1 至u 4 1 1 进行了相关方面的研究，特别在转向 系统方面，国内科研人员做了不少工作，相关方面的论文也层出不穷。2 0 0 3 年6 月，赵礼东，杨新明，徐达等人分析了油田专用车的多轴转向机构，建立了转向 梯形的空间数学模型和纵向转向连杆机构的数学模型，在综合考虑他们相互制约 和相互影响的基础上，建立了多目标函数优化模型且取得了理想结果。2 0 0 6 年2 月，田增、李海鹏等人在文献【3 5 】中对某专用车厂生产的组合式多轴挂车转向机 构进行分析，针对每一根轴线建立了优化设计模型。之后运用m a t l a b 优化工 具箱对模型进行优化求解，得到了合理、实用的优化结果。同年上海交通大学的 张鹏首次在其硕士论文中对2 纵列组合挂车的转向系统进行了研究，论文利用仿 真软件a d a m s 建立了两纵列组合挂车转向模型，通过对不同轴线数组合挂车 的仿真分析最终得到了针对性的优化解。2 0 0 9 年4 月，武汉理工大学乔嫒嫒在 其硕士论文中从阿克曼原理出发推导了以6 轴线组合挂车为基本拼接单元的各 组合半挂车的理论转角公式，之后利用a d a m s 的二次开发工具实现了四种典 型拼接形式转向杆系优化设计的专用模块【3 丌。同年邓小禾、马力和乔媛媛在文 献f 3 8 1 研究的基础上建立了任意轴线下液压模块式组合半挂车转向系统的优化 设计模型，为了达到减少设计变量数目、消除等式约束条件的目的，提出了利用 整体坐标和局部坐标相结合的变量缩减及等式约束消除法，从而使得优化设计收 图1 76 轴线转向机构优化平台 7 武汉理工大学硕士学位论文 敛性、稳定性和计算效率得到提高。第二年，他们又研究开发了液压模块式组合 半挂车转向机构的优化设计平台，介绍了平台总体方案设计和优化设计平台具体 实现，最后利用该平台对典型车辆转向机构进行参数化优化设计，得到较好的结 果。图1 7 所示为开发的优化设计平台。 关于组合挂车稳定性、通过性及装载性能，国内科研人员也做了研究，但发 表的论文较少。2 0 0 7 年，东北林业大学的吴丽丽在其硕士论文中对重大件公路 运输的若干问题进行了研究。包括重大件运输前路线的选择，在运输过程中运输 车的可靠性、稳定性、通过性的分析，装卸货物时的安全稳定性分析等1 4 2 1 。2 0 1 0 年，刘兴敏、马力等人在文献 4 4 】中研究了三纵列任意轴线车辆装载量与货物质 心位置的变化关系，推导了等值装载区域的通用计算公式，为实际应用中合理布 置装载载荷，防止车轮过载提供了有效的工具，最后用推导的通用公式对典型三 纵列液压模块组合挂车的实际等值装载区域进行了计算，绘制了等值装载区域 图。 综合上述的文献资料，可以得出以下结论： 1 ) 改革开发以来随着我国运输业的飞速发展，国内液压模块式组合挂车设 计制造水平也得到了一定的进步。 2 ) 国内关于液压模块式组合挂车的研究大多数都是对其结构、工作原理的 简单介绍，或是利用有限元对某重要零部件的改进分析，而对其性能研究分析， 特别是通过性、稳定性的研究比较少见。 3 ) 没有一个可以计算研究液压模块式组合挂车性能的数字化平台，不便企 业技术人员的设计和计算。 1 3 研究目的和意义 1 3 1 研究目的 根据前期调研和与项目委托企业协商的具体内容要求，确定本课题的研究目 的，主要包括以下几点： 1 ) 根据液压模块式组合挂车的结构特点，从现代计算方法和设计理论出发 推导出液压模块式组合挂车性能计算公式，为企业提供有效的理论依据和现代方 法支持。 2 ) 开发液压模块式组合挂车性能研究数字化平台，为企业提供有自主知识 产权的液压模块式组合挂车性能计算软件。企业设计人员利用该平台可以对液压 模块式组合挂车进行性能分析和新产品的设计。 1 3 2 研究意义 本课题研究的主要意义有如下几点： 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 满足企业对关键技术的需求 虽然国外液压模块式组合挂车的技术水平已相当成熟，但国内基本处于模仿 阶段，特别是在转向优化、通过性、稳定性的研究，结构柔性和风载对性能的影 响及虚拟样机仿真等技术方面，企业有迫切的要求。本课题主要分析研究液压模 块式组合挂车的性能及进行数字化平台的开发，可满足企业对相关技术的需求。 2 ) 具有良好的经济效益 对于设计的产品，企业一般是通过设计一实验修改一实验反复进行改进， 但其改进的效果并不一定尽如人意，且延长了产品生产的周期，提高了企业的设 计成本。本课题研究开发的数字化平台可为企业开发、设计新的车型及改进已有 车型的性能提供参考依据，可缩短产品生产的周期，降低企业的设计成本，给企 业带来良好的经济效益。 3 ) 提高企业的研发能力和在同行中的竞争力 目前企业生产的产品基本是参考和模仿德国戈尔德霍弗公司生产的液压模 块式组合挂车，缺乏一定的理论支持，且利用现代c a d c a e 工具进行设计和研 发的手段比较少。而本课题恰恰弥补企业这方面的不足，可为企业提供理论依据 和现代设计方法和手段，能提高企业的设计水平和自主研发能力。 4 ) 具有的社会意义 通过查阅相关文献，发现目前对大型挂车性能的计算研究文章特别少。课题 所研究的工作对企业实现液压模块式组合挂车的国产化，对提高国内相关车型的 设计研发能力具有推动作用，可以期望本课题的总体思路和具体成果对于国内液 压模块式组合挂车研发水平和能力的提高具有较好的理论和实用价值。 1 3 研究内容 本课题的主要研究内容包括： 1 ) 液压模块式组合挂车结构特点和理论分析及总体方案的确定 分析液压模块式组合挂车结构及主要技术特点，介绍常见的拼车形式，并详 细分析其液压系统和行走机构的工作原理。根据国内外的液压模块式组合挂车的 发展状况，及企业的需求确定本课题研究的总体方案。 2 ) 不同拼车方案下各车型性能的研究分析 分析不同拼车方案下各车型的性能，包括通过性、转向性、稳定性、动力性 及制动性，推导出各车型性能的理论计算公式，之后编写程序实现组合挂车通过 性、转向性及稳定性的计算功能。 3 ) 结构柔性和风载对性能的影响 分析风载对液压模块式组合挂车静态稳定性和行进稳定性的影响，及结构柔 性对性能的影响。建立相关计算模型，应用现代c a e 计算工具对液压模块式组 9 武汉理工大学硕士学位论文 合挂车的结构和性能进行研究分析。 4 ) 数字化平台的开发 根据液压模块式组合挂车性能的计算方法和公式，开发稳定性高、尽可能满 足用户需求的数字化平台，其功能主要包括启动界面的设计、菜单的设计、功能 模块设计、功能结构设计等。软件测试是保证软件质量、提高软件可靠性和降低 软件成本的重要手段，它关系到软件的整个生存周期。因此在液压模块式组合挂 车数字化平台开发的过程中，要进行反复调试，使其符合基本的稳定性要求。 5 ) 产品对比验证 利用开发的数字化平台计算典型车型的各性能，且与现有产品的性能进行对 比分析，验证数字化平台的正确性与可靠性。对数字化平台的验证是软件开发过 程中比较重要的一个环节，是更全面检查软件品质的过程，是数字化平台走向应 用的过程。 1 0 特点分析 由汽车理论可以知道，不同的接近角、离去角会影响汽车的通过性能；采用 不同结构的制动鼓会影响汽车的制动性能；采用不同的悬架会对汽车的操作稳定 性产生影响。由此可得不同的汽车结构对汽车的性能有很大的影响。液压模块式 组合挂车属于典型的模块化组合产品，可以实现以模块为单位的横向或是纵向的 拼接，其性能与拼车方式、轴线数及结构柔性有关。同时液压模块式组合挂车采 用的一些关键技术，如液压支撑、行走结构、液压助力转向、机械转向机构等， 也会影响它的各种性能。因此在研究液压模块式组合挂车性能之前，必须充分的 分析、了解其结构、各项主要技术特点以及它的拼接形式，从而确定本文的总体 研究方案，为更好的开展后续工作做准备。 2 1 液压模块式组合挂车的总体结构 组合挂车是在大件、重型运输物流业和公路建设飞速发展的基础上发展起来 的，其动力是由牵引车或是动力机组牵引提供，可根据运输货物的尺寸和重量进 行纵向或是横向拼接组合，进而派生出多种尺寸型号的挂车。如纵向拼接时形成 3 轴、4 轴直至1 0 轴以上，横向拼接时形成2 纵列、3 纵列或是更多纵列。组 合挂车可拼接性这一核心技术不仅能增大其运输量，相当于普通挂车的几十倍以 上，而且能适应不同尺寸的巨型物资运输的需要，同时其方便灵活的拆分组合还 能减少对单一尺寸型号运输挂车的购置成本，减少库容面积等。 液压模块式组合挂车分为组合半挂车和组合全挂车两类，两者相比在性能方 面各有自己的特点：全挂车在大件运输上有一定的优势，但为了增加牵引车轮胎 的附着力，需要额外的在牵引车上增加一定的负重，降低了燃油经济性；半挂车 在通过性上有一定的优势，因为半挂牵引车的驱动桥是组合半挂车的前支点，即 在货台长度相等的情况下，缩短了整车长度，提高了挂车的转弯通过性能。 液压模块式组合全挂车主要由牵引杆和货台部前后两部分组成，液压模块式 组合半挂车后面部分也是由货台部组成，但是前面部分由鹅颈部组成，如图2 - l 所示为典型2 纵列6 轴线单车模块液压组合半挂车。从图可以看出，该单车模块 主要由动力鹅颈、车架、液压悬挂装置、转向机构、行走机构等组成。液压模块 式组合挂车没有实际车轴的概念，其轴线就是同轴车轮的连心线，图中所示的单 车模块为6 轴线。在同一个轴的车轮，每四个在一起的轮胎为一对，每对车轮沿 武汉理工大学硕士学位论文 纵向分布为一纵列，图中的单车模块共有2 纵列。液压模块式组合挂车的货台部 一般分为前、中、后三个模块，前、后模块由一定轴线数的单车模块组合而成， 中间模块为低货平台或是平板。单车模块是指具有行走机构、在牵引车的牵引下 能够独立行驶的拼接单元，单车模块除了图2 1 中所示的6 轴线外，还有3 轴线、 4 轴线等其他多