基于ADAMS的铰接式自卸车刚柔耦合动力学建模与仿真分析

姜 勇，顾洪枢，张文明

（1.北京矿冶研究总院，北京 100160；2.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

多刚体动力学系统仿真时认为零部件不会产生变形，而车辆行驶过程中，由于其零部件本身具有弹性，它一方面绕固定坐标系运动，另一方面相对自身局部坐标系做弹性变形，因此当零部件的变形对整车动态特性的贡献不可忽略时，为了使模型更接近真实系统，使仿真结果更为准确，就必须要从多柔体系统动力学角度来进行分析［1－4］。目前有很多学者从模型精确性和仿真经济性两方面考虑，建立系统的刚柔耦合模型。

本文以60t铰接式自卸车为研究对象，建立以车架为柔性体，其它零部件为刚性体的整车刚柔耦合多体动力学模型，对不同行驶工况下的动态特性进行仿真分析，得到了车架关键位置处的加速度响应及加速度功率谱密度曲线，仿真数据可为铰接式自卸车的设计改进、车架的疲劳寿命预测分析提供重要参考依据。

1 铰接式自卸车基本结构

铰接式自卸汽车（Articulated Dump Truck，简称“ADT”）是驾驶室和车体之间具有铰接点和摆动环的自卸汽车［5－6］。它起源于20世纪60年代末的欧洲，是适应恶劣天气及空间受限制的工作条件的一种界于传统刚性后卸式运输汽车和铲运机之间的铲土运输设备。

铰接式自卸车主要由前车架、后车架、铰接体、悬架系统、发动机、货箱、轮胎等构成（图1所示）。该车辆的主要特点是前、后车架用铰接体相连，前车架以铰接体的上、下铰点为中心可以左右转动，铰接体后部的转动部分允许前、后车架独立转动以减小车架扭转应力。

图1 铰接式自卸车基本结构Fig.1 Basic structure of articulated dump truck

2 刚柔耦合动力学建模与仿真分析

2.1 整车多刚体动力学模型的建立

本文采用SolidEdge、ANSYS和ADAMS联合仿真的方法建立铰接式自卸车刚柔耦合仿真模型。先利用SolidEdge软件建立铰接式自卸车的装配模型，将SolidEdge实体模型转换成Parasolid文件格式导入ADAMS中，并添加材料属性、刚体约束和载荷，得到铰接式自卸车多刚体动力学仿真模型如图2所示［7］。

图2 多刚体动力学仿真模型（隐去前后车身）Fig.2 Multi－rigid－body dynamics simulation model

2.2 刚柔耦合动力学模型的建立

将铰接式自卸车中的柔性体模型导入ANSYS中，定义单元类型、材料属性，划分单元求解并建立刚性区域，采用修正的Craig－Bampton固定界面子结构法对车架进行模态分析，生成模态中性文件，替换多刚体动力学模型中的刚性车架［8－10］，进而建立以车架为柔性体，其它部件为刚性体的铰接式自卸车刚柔耦合动力学仿真模型，如图3所示。

2.3 仿真及结果分析

选取C级和D级路谱，分别对铰接式自卸车在40km／h、30km／h和20km／h满载状态行驶下的动态响应特性进行仿真分析。

图3 刚柔耦合动力学仿真模型Fig.3 Rigid－flexible coupling dynamics simulation model

1）对铰接式自卸车在C级路面上，以40km／h的速度满载匀速行驶工况进行仿真，获得车架的加速度响应及加速度功率谱密度曲线如图4所示。

图4 加速度响应及加速度功率谱密度曲线（VC＝40km／h）Fig.4 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VC＝40km／h）

由图4可知：前车架质心的垂直加速度响应功率谱密度最大值为6.7324m2／s3，其对应点的频率（优势频率）为2.3926Hz，加速度最大值为7.8229 m／s2，加速度响应均方根值为2.7387m／s2；后车架质心的垂直加速度响应功率谱密度最大值为3.291 m2／s3，其对应点的频率（优势频率）为2.4902Hz，加速度最大值为5.5019m／s2，加速度响应均方根值为1.9619m／s2。

2）对铰接式自卸车在C级路面上，以30km／h的速度满载匀速行驶工况进行仿真，获得车架的加速度响应及加速度功率谱密度曲线如图5所示。

图5 加速度响应及加速度功率谱密度曲线（VC＝30km／h）Fig.5 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VC＝30km／h）

3）对铰接式自卸车在C级路面上，以20km／h的速度满载匀速行驶工况进行仿真，获得车架的加速度响应及加速度功率谱密度曲线如图6所示。

图6 加速度响应及加速度功率谱密度曲线（VC＝20km／h）Fig.6 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VC＝20km／h）

4）对铰接式自卸车在D级路面上，以40km／h的速度满载匀速行驶工况进行仿真，获得车架的加速度响应及加速度功率谱密度曲线如图7所示。

图7 加速度响应及加速度功率谱密度曲线（VD＝40km／h）Fig.7 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VD＝40km／h）

5）对铰接式自卸车在D级路面上，以30km／h的速度满载匀速行驶工况进行仿真，获得车架的加速度响应及加速度功率谱密度曲线如图8所示。

图8 加速度响应及加速度功率谱密度曲线（VD＝30km／h）Fig.8 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VD＝30km／h）

6）对铰接式自卸车在D级路面上，以20km／h的速度满载匀速行驶工况进行仿真，获得车架的加速度响应及加速度功率谱密度曲线如图9所示。

图9 加速度响应及加速度功率谱密度曲线（VD＝20km／h）Fig.9 The curve of acceleration response and acceleration power spectrum density（VD＝20km／h）

由图4至图9可知：铰接式自卸车在不同路面、不同车速下行驶，仿真得出的车架质心垂直加速度响应功率谱密度的最大值，其对应点的频率（优势频率）、加速度的最大值以及加速度响应均方根值如表1所示。

3 结论

1）当铰接车路面激励和装载质量相同时，车辆行驶速度越大，车架质心的垂直方向加速度及加速度均方根值越大，车架振动越剧烈。

2）当铰接车的车速及装载质量相同时，路面激励不同，路面状况越恶劣，车架质心的垂直方向加速度及加速度均方根值越大，即车架振动越剧烈。

3）功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，通过仿真分析得出的时域信号的功率谱密度（PSD）曲线，准确获取了激励信号在感兴趣频率范围内的能量分布情况。

4）车架的各阶模态的固有频率应尽可能地远离激励频率，以避免共振的发生。从图4至图9以及表1可以看出：路面不平度对车架的激励能量多集中在20Hz以内，且在2Hz附近具有明显的峰值，表明在这些频率下激励能量较大，但这些频率均远离了车架的固有频率，因此不会发生共振现象。

表1 不同工况下铰接式自卸车车架仿真结果Table 1 The simulation results under different working conditions

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