餐廚垃圾車動(dòng)力學(xué)混合建模仿真及結(jié)構(gòu)分析

1、餐廚垃圾車動(dòng)力學(xué)混合建模仿真及結(jié)構(gòu)分 析作者：高一佳 來(lái)源：專用汽車2016年第10期高一佳GAO Yi-jia陜西保利特種車制造有限公司陜西西安710200摘要：建立了包含柔體的餐廚垃圾車動(dòng)力學(xué)模型，并使用ADAMS軟件對(duì)其上料過程進(jìn)行了 仿真計(jì)算，得到了該機(jī)構(gòu)的最危險(xiǎn)工況，隨后按照這些工況對(duì)餐廚垃圾車進(jìn)行了非線性結(jié)構(gòu)分 析以確定各部件的安全系數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)構(gòu)對(duì)某些零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，最后對(duì)驅(qū)動(dòng)油缸的 參數(shù)進(jìn)行了校核。關(guān)鍵詞：剛?cè)狍w混合建模非線性接觸工況辨識(shí)油缸校核Abstract First DMU model of kitchen garbage truck was set up, i

2、ncluding flexibleparts. Then simulation on it was performed using ADAMS. Consequently the worstload cases were got. Finally, The load cases were used to perform a non-linear quasistatic FEM analysis, using HyperWorks. Some design change were done based on theFEM results. Additionally, Selections of

3、hydraulic cylinder was checked by ADAMSDMU analysis.Key words ADAMS Hybrid Modeling; non-linear contact; load cases identification;cylinder check中圖分類號(hào)：U469.6+91.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-0226(2016)10-0102-04l前言餐廚垃圾車是一種高效清潔的垃圾收運(yùn)專用車輛。它的主要功能是將桶裝“泔水”經(jīng)掛桶 機(jī)構(gòu)提升后翻轉(zhuǎn)倒入垃圾車箱體內(nèi)。因此完成這項(xiàng)功能的掛桶機(jī)構(gòu)是該車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件。為 滿足在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，

4、結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化的要求，下面對(duì)掛桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。因?yàn)閽焱皺C(jī)構(gòu)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)作業(yè)機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確確定其載荷工況。因 此需要先對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析以確定其載荷工況。2分析背景餐廚垃圾車上裝部分主要由垃圾箱體、箱體框架、副車架和掛桶機(jī)構(gòu)等4部分組成。其中 掛桶機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)油缸、主動(dòng)臂、從動(dòng)臂、導(dǎo)軌和壓桶機(jī)構(gòu)等5部分組成，如圖1所示。垃圾箱 體容積為4.5m3，最大充裝質(zhì)量3.1 t，為不銹鋼板拼焊而成，箱體支撐骨架為縱橫梁焊接結(jié)構(gòu)， 垃圾箱體在舉升油缸作用下可繞后端鉸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)以完成卸料作業(yè)。副車架為槽型鋼縱橫梁焊接結(jié) 構(gòu)，位于垃圾箱體和車架縱梁之間，起過渡連接作用。箱體前部裝有掛桶機(jī)構(gòu)，通

5、過該機(jī)構(gòu)可 以提升并翻轉(zhuǎn)垃圾桶以完成垃圾裝料作業(yè)。分析中假設(shè)垃圾桶質(zhì)量為300 kg，初步確定驅(qū)動(dòng)油缸的行程為350 mm。根據(jù)對(duì)實(shí)際作業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)的觀察，確定驅(qū)動(dòng)油缸伸縮速度為35 mm/s。設(shè)計(jì)初步確定的壓桶機(jī)構(gòu)彈簧自由行程為300 mm，剛度為2N/mm。本分析中需要用到的材料參數(shù)如表1所示。3確定載荷工況根據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該掛桶機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假設(shè)，然后使用ADAMS軟件 建立該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)數(shù)字化模型(DMU模型)。模型中對(duì)主動(dòng)臂零件進(jìn)行了柔體化處理，其余部 件使用剛體part進(jìn)行建模。建立混合模型的目的是解決此類包含大量運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué) 問題建模時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的過約束問

6、題。在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，模型過約束會(huì)造成部件受力不準(zhǔn)確， 甚至?xí)?dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行。通常，在進(jìn)行底盤的動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，會(huì)將車架零件簡(jiǎn)化成一個(gè)柔性 體零件，而將安裝到其上的其余零件簡(jiǎn)化成剛體零件。這樣既保證了模型中沒有大量的過約 束問題，同時(shí)也保證了仿真計(jì)算的效率。這種混合建模技術(shù)在實(shí)際使用中被證明是非?？尚泻?有效的。因此，本文中建立的掛桶機(jī)構(gòu)DMU模型也遵循了同樣的思路。關(guān)于如何建立剛?cè)峄旌?模型的方法本文不在此進(jìn)行詳述，更細(xì)節(jié)的資料可以查看相應(yīng)的ADAMS幫助文檔。接下來(lái)對(duì)已建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，得到掛桶作業(yè)過程中各部件的受力和位置，如圖 2所示。圖2(a)為掛桶過程應(yīng)力動(dòng)畫，圖2(b)為驅(qū)動(dòng)

7、油缸行程，圖2(c)為垃圾桶翻轉(zhuǎn)角度，圖 2(d)為驅(qū)動(dòng)油缸力。從圖2中可看出：02.6 s，驅(qū)動(dòng)油缸帶動(dòng)主動(dòng)臂和從動(dòng)臂向上運(yùn)動(dòng)，壓桶機(jī)構(gòu)夾緊垃圾桶；2.6-8.0 s，垃圾桶沿著軌道被提升，油缸驅(qū)動(dòng)力增大；8.011.0 s，下導(dǎo)輪進(jìn)入軌道岔道，垃圾桶開始翻轉(zhuǎn)。根據(jù)圖2(c)的驅(qū)動(dòng)油缸力曲線，可看出在第2.62 s和第8.02s，驅(qū)動(dòng)油缸的力較大。因此 認(rèn)為這兩個(gè)時(shí)刻的載荷狀況為掛桶機(jī)構(gòu)的最危險(xiǎn)工況，這兩個(gè)工況隨后會(huì)被用來(lái)校核掛桶機(jī)構(gòu) 各部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)。由ADAMS仿真結(jié)果可以得到這兩個(gè)時(shí)刻，掛桶機(jī)構(gòu)各部件的空間 位置和載荷數(shù)值大小，這些數(shù)據(jù)隨后被用來(lái)定義用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的最危險(xiǎn)載荷

8、工況。另外，該動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果同時(shí)也顯示了主動(dòng)臂在整個(gè)過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，如圖2(a)所 示。該應(yīng)力動(dòng)畫顯示，在第8.02 s，應(yīng)力數(shù)值達(dá)到極大值170.3 MPa，此時(shí)主動(dòng)臂上的應(yīng)力分 布如圖3所示。而主動(dòng)臂的材料為Q345，材料參數(shù)如表1所示，Q345的屈服強(qiáng)度為345 MPa。 經(jīng)計(jì)算可得到主動(dòng)臂的安全系數(shù)為2.03，與該部件的基準(zhǔn)安全系數(shù)2.0相比較，認(rèn)為該主動(dòng)臂 結(jié)構(gòu)擁有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可見當(dāng)前的設(shè)計(jì)是合理的。4有限元強(qiáng)度校核為了進(jìn)一步確定掛桶機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件的安全系數(shù)，需使用上面分析得到的載荷工況對(duì)垃圾 車上裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。因?yàn)榫€性結(jié)構(gòu)分析無(wú)法正確模擬滾輪與導(dǎo)軌間的接觸關(guān)系

9、， 而本例中的滾輪與導(dǎo)軌間的接觸會(huì)對(duì)整個(gè)掛桶機(jī)構(gòu)的受力結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響，因此采用非 線性準(zhǔn)靜態(tài)(NonlinearQuasi-Static )求解器進(jìn)行該仿真計(jì)算。非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析實(shí)質(zhì)上是一 種僅對(duì)接觸狀態(tài)進(jìn)行非線性化處理的靜態(tài)有限元分析方法2。相比靜態(tài)有限元分析，它能較為 準(zhǔn)確地模擬接觸和摩擦的非線性特性。相比動(dòng)力有限元分析，它能節(jié)省大量的求解時(shí)間3。本 例中應(yīng)用非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析正是看重了它的模擬非線性接觸準(zhǔn)確性高和求解速度快的特點(diǎn)。經(jīng)過求解計(jì)算后得到兩個(gè)載荷工況下的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。圖4(a)為第一個(gè)最危 險(xiǎn)載荷工況時(shí)(第2.62 s)的應(yīng)力分布云圖，此時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)位于主動(dòng)臂安

10、裝座處，最大應(yīng)力 值為272.9 MPa，考慮到此處的材料Q345的屈服強(qiáng)度為345 MPa，則該結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.26, 小于該部件的基準(zhǔn)安全系數(shù)值2.0。因此在此工況下該部件的強(qiáng)度不足，需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì) 變更。圖4(b)為第二個(gè)最危險(xiǎn)載荷工況時(shí)(第8.02 s)的應(yīng)力分布云圖，此時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)同樣位 于主動(dòng)臂安裝座處，最大應(yīng)力值為165.9 MPa，經(jīng)計(jì)算得到的安全系數(shù)2.08大于該部件的基準(zhǔn) 值2.0，在此工況下掛桶機(jī)構(gòu)的各部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)能夠度滿足設(shè)計(jì)要求。因?yàn)楣r1時(shí)有個(gè)別零件的強(qiáng)度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，因此接下來(lái)需開展設(shè)計(jì)迭代工作。將 此安裝座的板材厚度由原來(lái)的4.0 mm增加至6.0

11、mm，然后重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析， 得到計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。圖5(a)為安裝座變更設(shè)計(jì)前的應(yīng)力分布云圖，圖5(b)為安裝座變 更設(shè)計(jì)后時(shí)的應(yīng)力分布云圖?？煽闯?，設(shè)計(jì)變更后最大應(yīng)力由原來(lái)的272.9 MPa降低為153.8 MPa，相應(yīng)的安全系數(shù)也增加為2.24。該值大于基準(zhǔn)值2.0，因此經(jīng)過設(shè)計(jì)變更后，掛桶機(jī)構(gòu)的 各部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。5校核油缸選型考慮到垃圾的可壓縮特性，為保證卸料干凈徹底，設(shè)計(jì)要求掛桶機(jī)構(gòu)必須保證垃圾桶最大 卸料角度不小于500。經(jīng)過對(duì)掛桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)垃圾桶的最大卸料角度對(duì)驅(qū)動(dòng)油 缸行程的大小相當(dāng)敏感，因此需要通過動(dòng)力學(xué)分析研究最大卸料角度和

12、驅(qū)動(dòng)油缸行程之間的關(guān) 系。運(yùn)行掛桶機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，可得到最大卸料角度，圖6為驅(qū)動(dòng)油缸處于最大行程時(shí)垃圾桶 的卸料角度示意圖，從分析結(jié)果和圖6可看出：驅(qū)動(dòng)油缸未動(dòng)作時(shí)，垃圾桶位于地面上，桶軸線與水平面夾角為90。驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)行到最大行程時(shí)(350 mm)，桶軸線翻轉(zhuǎn)了 130.6?？紤]到垃圾桶自身的錐 度2.5。，此時(shí)垃圾桶的最大卸料角度為43 .10，該數(shù)值小于目標(biāo)值500。為使垃圾桶最大卸料角度達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值，需要在動(dòng)力學(xué)模型中調(diào)整驅(qū)動(dòng)油缸最大行程， 并重新運(yùn)行仿真計(jì)算。經(jīng)過迭代計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)油缸的行程增加到355 mm時(shí)，最大角度可 增大為51.40，滿足設(shè)計(jì)要求。接下來(lái)校核驅(qū)動(dòng)的缸徑。

13、從圖2可以看出，在第2.62、，油缸驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大值18 700 N。 根據(jù)餐廚垃圾車油缸選型表，該驅(qū)動(dòng)油缸初步選定的型號(hào)為HSG50/35-678，缸徑為50 mm，缸 徑為35 mm，液壓系統(tǒng)工作壓力16 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)工程師提供的數(shù)據(jù)，并考慮適當(dāng)?shù)膭?dòng)力損耗 系數(shù)，該型號(hào)油缸能提供的最大驅(qū)動(dòng)力為：F=n.P.兀.D2 / 4= 26 703 N式中，F(xiàn)為油缸驅(qū)動(dòng)力；n為動(dòng)力損耗系數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，取n=0.85;P為系統(tǒng)工作 壓力，P=16 MPa;D為油缸的缸徑，D=50 mm。將該數(shù)值與使用ADAMS計(jì)算得到的理論需求值18 700N相比較，可得到該驅(qū)動(dòng)油缸的動(dòng)力 儲(chǔ)備系數(shù)為1.43

14、。該數(shù)值能夠滿足功率儲(chǔ)備系數(shù)大于1.2的設(shè)計(jì)要求，因此認(rèn)為該驅(qū)動(dòng)油缸選 型合理，能夠滿足使用要求。6結(jié)語(yǔ)本文通過對(duì)使用剛一柔混合建模技術(shù)建立的餐廚垃圾車掛桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的仿真， 展示了了剛一柔混合建模技術(shù)在處理多部件運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)可以有效消除機(jī)構(gòu)過約束問題的突出優(yōu) 點(diǎn)，和計(jì)算部件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布的快捷性(相比結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析)及準(zhǔn)確性4。通過對(duì)包含非 線性接觸的掛桶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行的非線性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，展示了一種處理實(shí)際運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)中廣泛存在的非線性接觸和摩擦問題的較為簡(jiǎn)單和快速的方法，同時(shí)確保了計(jì)算結(jié)果有著足 夠高的工程精度。參考文獻(xiàn)MSC. Software Corporation. ADAMS Optimization Guide M,1994.譚繼錦，張代勝，汽車結(jié)構(gòu)有限元分析M.北京：清華大學(xué)出版社，2009.張勝蘭，鄭冬黎，郝琪等，基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京：機(jī)械工 業(yè)出版社，2007.殷時(shí)蓉，賈永清，尹信賢基于ADAMS的高空作業(yè)車舉升臂動(dòng)力學(xué)研究J重慶交通大學(xué) 學(xué)報(bào)，2011(5):1031-1034。張玉新，王帥.