餐廚垃圾車動力學混合建模仿真及結(jié)構(gòu)分析

1、餐廚垃圾車動力學混合建模仿真及結(jié)構(gòu)分 析作者：高一佳 來源：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力學模型，并使用ADAMS軟件對其上料過程進行了 仿真計算，得到了該機構(gòu)的最危險工況，隨后按照這些工況對餐廚垃圾車進行了非線性結(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)對某些零件進行了設(shè)計改進，最后對驅(qū)動油缸的 參數(shù)進行了校核。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：U469.6+91.02 文獻標識碼：A文章編號：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專用車輛。它的主要功能是將桶裝“泔水”經(jīng)掛桶 機構(gòu)提升后翻轉(zhuǎn)倒入垃圾車箱體內(nèi)。因此完成這項功能的掛桶機構(gòu)是該車設(shè)計的關(guān)鍵部件。為 滿足在結(jié)構(gòu)強度要求的前提下，

4、結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化的要求，下面對掛桶機構(gòu)進行仿真分析。因為掛桶機構(gòu)是一個運動作業(yè)機構(gòu)，在進行結(jié)構(gòu)強度校核時無法準確確定其載荷工況。因 此需要先對其進行動力學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、副車架和掛桶機構(gòu)等4部分組成。其中 掛桶機構(gòu)由驅(qū)動油缸、主動臂、從動臂、導(dǎo)軌和壓桶機構(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構(gòu)，通

5、過該機構(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)動油缸的行程為350 mm。根據(jù)對實際作業(yè)現(xiàn) 場的觀察，確定驅(qū)動油缸伸縮速度為35 mm/s。設(shè)計初步確定的壓桶機構(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，對該掛桶機構(gòu)模型進行適當?shù)暮喕僭O(shè)，然后使用ADAMS軟件 建立該機構(gòu)的動力學數(shù)字化模型(DMU模型)。模型中對主動臂零件進行了柔體化處理，其余部 件使用剛體part進行建模。建立混合模型的目的是解決此類包含大量運動部件的機構(gòu)的動力學 問題建模時經(jīng)常會遇到的過約束問

6、題。在動力學分析時，模型過約束會造成部件受力不準確， 甚至會導(dǎo)致計算無法進行。通常，在進行底盤的動力學仿真時，會將車架零件簡化成一個柔性 體零件，而將安裝到其上的其余零件簡化成剛體零件。這樣既保證了模型中沒有大量的過約 束問題，同時也保證了仿真計算的效率。這種混合建模技術(shù)在實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行詳述，更細節(jié)的資料可以查看相應(yīng)的ADAMS幫助文檔。接下來對已建立的動力學模型進行仿真，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)力動畫，圖2(b)為驅(qū)動

7、油缸行程，圖2(c)為垃圾桶翻轉(zhuǎn)角度，圖 2(d)為驅(qū)動油缸力。從圖2中可看出：02.6 s，驅(qū)動油缸帶動主動臂和從動臂向上運動，壓桶機構(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)動力增大；8.011.0 s，下導(dǎo)輪進入軌道岔道，垃圾桶開始翻轉(zhuǎn)。根據(jù)圖2(c)的驅(qū)動油缸力曲線，可看出在第2.62 s和第8.02s，驅(qū)動油缸的力較大。因此 認為這兩個時刻的載荷狀況為掛桶機構(gòu)的最危險工況，這兩個工況隨后會被用來校核掛桶機構(gòu) 各部件的結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)。由ADAMS仿真結(jié)果可以得到這兩個時刻，掛桶機構(gòu)各部件的空間 位置和載荷數(shù)值大小，這些數(shù)據(jù)隨后被用來定義用于結(jié)構(gòu)強度分析的最危險載荷

8、工況。另外，該動力學分析結(jié)果同時也顯示了主動臂在整個過程中的動態(tài)應(yīng)力分析，如圖2(a)所 示。該應(yīng)力動畫顯示，在第8.02 s，應(yīng)力數(shù)值達到極大值170.3 MPa，此時主動臂上的應(yīng)力分 布如圖3所示。而主動臂的材料為Q345，材料參數(shù)如表1所示，Q345的屈服強度為345 MPa。 經(jīng)計算可得到主動臂的安全系數(shù)為2.03，與該部件的基準安全系數(shù)2.0相比較，認為該主動臂 結(jié)構(gòu)擁有足夠的結(jié)構(gòu)強度，可見當前的設(shè)計是合理的。4有限元強度校核為了進一步確定掛桶機構(gòu)中各個部件的安全系數(shù)，需使用上面分析得到的載荷工況對垃圾 車上裝進行結(jié)構(gòu)強度有限元分析。因為線性結(jié)構(gòu)分析無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)軌間的接觸會對整個掛桶機構(gòu)的受力結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響，因此采用非 線性準靜態(tài)(NonlinearQuasi-Static )求解器進行該仿真計算。非線性準靜態(tài)分析實質(zhì)上是一 種僅對接觸狀態(tài)進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 準確地模擬接觸和摩擦的非線性特性。相比動力有限元分析，它能節(jié)省大量的求解時間3。本 例中應(yīng)用非線性準靜態(tài)分析正是看重了它的模擬非線性接觸準確性高和求解速度快的特點。經(jīng)過求解計算后得到兩個載荷工況下的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。圖4(a)為第一個最危 險載荷工況時(第2.62 s)的應(yīng)力分布云圖，此時最大應(yīng)力點位于主動臂安

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, 小于該部件的基準安全系數(shù)值2.0。因此在此工況下該部件的強度不足，需要進行相應(yīng)的設(shè)計 變更。圖4(b)為第二個最危險載荷工況時(第8.02 s)的應(yīng)力分布云圖，此時最大應(yīng)力點同樣位 于主動臂安裝座處，最大應(yīng)力值為165.9 MPa，經(jīng)計算得到的安全系數(shù)2.08大于該部件的基準 值2.0，在此工況下掛桶機構(gòu)的各部件的結(jié)構(gòu)強能夠度滿足設(shè)計要求。因為工況1時有個別零件的強度無法滿足設(shè)計要求，因此接下來需開展設(shè)計迭代工作。將 此安裝座的板材厚度由原來的4.0 mm增加至6.0

11、mm，然后重新進行結(jié)構(gòu)非線性準靜態(tài)分析， 得到計算結(jié)果，如圖5所示。圖5(a)為安裝座變更設(shè)計前的應(yīng)力分布云圖，圖5(b)為安裝座變 更設(shè)計后時的應(yīng)力分布云圖。可看出，設(shè)計變更后最大應(yīng)力由原來的272.9 MPa降低為153.8 MPa，相應(yīng)的安全系數(shù)也增加為2.24。該值大于基準值2.0，因此經(jīng)過設(shè)計變更后，掛桶機構(gòu)的 各部件的結(jié)構(gòu)強度均能滿足設(shè)計要求。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)計要求掛桶機構(gòu)必須保證垃圾桶最大 卸料角度不小于500。經(jīng)過對掛桶機構(gòu)進行動力學仿真，發(fā)現(xiàn)垃圾桶的最大卸料角度對驅(qū)動油 缸行程的大小相當敏感，因此需要通過動力學分析研究最大卸料角度和

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

13、從圖2可以看出，在第2.62、，油缸驅(qū)動力達到最大值18 700 N。 根據(jù)餐廚垃圾車油缸選型表，該驅(qū)動油缸初步選定的型號為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)計工程師提供的數(shù)據(jù)，并考慮適當?shù)膭恿p耗 系數(shù)，該型號油缸能提供的最大驅(qū)動力為：F=n.P.兀.D2 / 4= 26 703 N式中，F(xiàn)為油缸驅(qū)動力；n為動力損耗系數(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計算得到的理論需求值18 700N相比較，可得到該驅(qū)動油缸的動力 儲備系數(shù)為1.43

14、。該數(shù)值能夠滿足功率儲備系數(shù)大于1.2的設(shè)計要求，因此認為該驅(qū)動油缸選 型合理，能夠滿足使用要求。6結(jié)語本文通過對使用剛一柔混合建模技術(shù)建立的餐廚垃圾車掛桶機構(gòu)進行動力學模型的仿真， 展示了了剛一柔混合建模技術(shù)在處理多部件運動機構(gòu)時可以有效消除機構(gòu)過約束問題的突出優(yōu) 點，和計算部件的動態(tài)應(yīng)力分布的快捷性(相比結(jié)構(gòu)動力學分析)及準確性4。通過對包含非 線性接觸的掛桶機構(gòu)結(jié)構(gòu)有限元模型進行的非線性結(jié)構(gòu)強度分析，展示了一種處理實際運動機 構(gòu)中廣泛存在的非線性接觸和摩擦問題的較為簡單和快速的方法，同時確保了計算結(jié)果有著足 夠高的工程精度。參考文獻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)計技術(shù)M.北京：機械工 業(yè)出版社，2007.殷時蓉，賈永清，尹信賢基于ADAMS的高空作業(yè)車舉升臂動力學研究J重慶交通大學 學報，2011(5):1031-1034。張玉新，王帥.