秦耀东;张喜清
【摘 要】To study the axle load distribution of nine-shaft all terrain crane under actual working condition,the dy-namics simulation models of flexible and rigid frames were established.By utilizing the relevant theory of flexible system dynamics and comparing with the axle load of rigid frame model,through the collaborative simulation of AN-SYS and ADAMS,it was confirmed that the dynamics simulation model of flexible frame could reflect actual distri-bution condition,and the accuracy of dynamics simulation model of flexible frame was verified.%为研究九轴全地面起重机在真实工况下的轴荷分布，建立了柔性车架动力学仿真模型与刚性车架计算模型，运用柔性体动力学相关理论，并通过 ANSYS 与 ADAMS 的联合仿真，将柔性车架轴荷仿真结果与刚性车架轴荷计算结果进行对比分析，表明了柔性车架动力学仿真模型能够比较真实的反映出轴荷的实际分布情况，从而验证了柔性车架动力学仿真模型的正确性。 【期刊名称】《太原科技大学学报》
【年(卷),期】2016(037)002
【总页数】5页(P125-129)
【关键词】全地面起重机;柔性体动力学;联合仿真;轴荷分布
【作 者】秦耀东;张喜清
【作者单位】太原科技大学机械工程学院，太原 030024;太原科技大学机械工程学院，太原 030024
【正文语种】中 文
【中图分类】TH213.6
全地面起重机常年工作在柏油路、沙质土或粘土的路面上，对动力性能要求较高。而轴荷对动力性能的影响很大，这是因为在一定的附着系数下，轴荷决定扭矩大小，由于全地面起重机轴数多，轴距大，扭矩分配是否合理会对整车动力性能产生很大影响，若扭矩分配不合理，会引起车轮滑转，产生功率循环，造成动力传递效率下降，加速轮胎的磨损，不
利于动力性能的改善［1］。想要合理的确定扭矩分配，首先要准确地计算出轴荷大小。全地面起重机是一种具有典型超静定结构的多轴车辆，无法采用简单的静力学方法计算轴荷。通常在计算多轴车辆轴荷时，只考虑车架刚性，通过建立变形协调方程，将超静定力学问题转化为静力学问题。例如王国军，王镇等［2-3］人在对多轴车辆轴荷进行分析时，利用静力学平衡与各轴等效弹簧变形之间的几何关系［4-6］，建立了多轴车辆轴荷的计算模型。虽然这样做有助于降低轴荷计算难度，但是会影响轴荷计算结果准确性。考虑到全地面起重机载重量大，车架变形不可忽视，因此本文对车架进行了柔性化处理，根据主要簧上质量分布将力加载到车架上，建立了柔性车架的动力学仿真模型，通过与刚性车架轴荷计算结果进行对比，验证该仿真模型的正确性。
为便于分析，本文对九轴全地面起重机轴荷计算模型进行了适当的简化。视车架为刚性，将轮胎和悬架等效为带有一定刚度的弹簧，且弹簧的变形均在线弹性范围内。这里只考虑弹簧的垂直运动。点o为车架转动中心，P1，P2，P3是主要簧上质量。Lp1，Lp2，Lp3分别为P1，P2，P3到转动中心的距离，Li为i轴到转动中心的距离，Ki为等效弹簧刚度，Ri为地面对i桥的支反力，Yi为i轴等效弹簧变形。其中i=1，2，3，4，5，6，7，8，9.
由图1的几何关系：
利用（1）式中Y1与Yi（i=2，3，4，5，6，7，8，9）之间的数学关系，求得Y1，将其代入到（3）式中，可解得各轴轴荷。激光快速成型机
（1）柔性体系统的能量方程
ADAMS\Flex是用模态来描述物体弹性的，这种弹性变形实质上是柔性体各阶模态或振型向量的线性叠加［7］。柔性体上任意一点变形前后的位置向量为（x，y，z）T，方向向量为（λ，θ，φ）T，模态向量为（q1，q2，…，qM）T，则柔性体的广义坐标可以表示为： 势能由重力势能和弹性势能组成，表达式为：其中，K是对应于模态坐标下的广义刚度矩阵。重力势能Wg表达式为：
其中，g为重力加速度矢量。能量损耗函数表达式为：
式中，D为阻尼矩阵。
（2）柔性体动力学方程
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根据拉格朗日方程方程求得柔性体的动力学方程［8］，即：FOSY
其中，λ为约束方程；σ为对应于λ的拉氏乘子；ξ为式（7）定义的广义坐标；Q为投影到ξ上的广义力；L代表拉格朗日项；R为式（10）定义的能量耗散函数。
将相关参数代入式（11），最终求得运动微分方程为：
其中，ξ，分别代表柔性体的广义坐标，及其对时间的一阶，二阶导数，M代表柔性体的质量矩阵及其对时间的一阶导数；代表质量矩阵对
柔性体广义坐标的一阶偏导数；fg为广义重力。
3.1 分析步骤
首先建立车架的几何实体模型，在ANSYS中导入该模型，对其设置单元类型与材料属性，创建外连接点，划分网格，最终建立起柔性车架的刚性连接区域，并生成了包含柔性车架的几何参数、节点质量、模态、模态质量、模态刚度等信息MNF模态中性文件［9］。图2为全地面起重机轴荷仿真总流程图。
通过ADAMS/Flex模块将该模态中性文件导入到ADAMS中，生成柔性车架模型后添加必要约束［10］，将主要簧上质量按照实际位置加载到车架上，运行仿真得到轴荷。表1为主要簧上质量分布。
（1）如图3所示，通过软件SOLIDWORKS建立了车架的实体模型，并对该模型进行了适当的处理。去掉了一些影响很小的部件，对一些细节特征进行了简化。从而降低网格划分难度，减少计算量，提高计算精度。
角钉（2）为提高模型精度与计算效率，在对车架进行有限元分析时首先应选取合适的单元类型。本文共选取solid187实体单元和mass21质量单元两种单元类型。前者在数值上接近于二次型函数，收敛速度快，可以缩短计算时间并获得良好的计算精度，后者质量小适合对点网格划分。
（3）为便于在ADAMS中对车架模型添加运动副、施加力，需要创建外连接点。通过与车架各接触面上的节点进行联接，建立起刚性联接区域，如图4所示。
（4）在选取模态阶数时，考虑到前6阶属于刚性模态，虽然过高的模态有利于提高计算精度，但又会增加计算量，使计算效率下降。因此选择输出前15阶模态。
等离子炬（5）考虑到等效悬架的运动方向，因此使用衬套力对悬架的自由度进行约束，根据主要簧上质量分布，将其等效为集中载荷加载到车架上，最终生成柔性车架仿真模型，如图5所示。
3.2 结果分析
将车架上的簧上质量分布分为两种。一种是将全部簧上质量集中在该车辆质心处，简称集中力。另一种是主要簧上质量按照其设计位置等效为集中载荷加到车架上，简称分散力。分别在集中力和分散力下将柔性车架轴荷的仿真结果与刚性车架轴荷的计算结果进行对比，经过整理得到表2，表3。
一般来说，轴荷分布越均匀，越有利于动力性能改善。想反，轴荷分布越不均匀，越会引起各轴轮胎变形不一致，影响轮胎的动力半径，引起整车运动不协调，进而产生功率循环，加剧轮胎的磨损。从表2，表3中可以发现，从1轴到9轴，轴荷依次增大，与分散力下的轴荷相比，集中力下的轴荷变化范围大，变化速度较快，反映出轴荷分布不合理。还可以看出刚性车架与柔性车架之间轴荷差值呈现先减小后增大的趋势，表明在1-5轴上，刚性车架轴荷大于柔性车架轴荷，在6-9轴上柔性车架轴荷大于刚性车架轴荷。这是因为刚性车
架受到外力后会绕着转动中心偏转一定角度，由于变形协调，使得刚性车架各轴之间轴荷变化小，而柔性车架受到外力后产生变形，由于车辆质心靠后，导致车架变形加剧，造成后几轴轴荷偏大，在受力一定情况下，前几轴轴荷会相应偏小。
将柔性车架分别在集中力和分散力下测得的轴荷仿真结果进行对比，如图6所示。
从图6可以明显看出与集中力下测得的轴荷相比，分散力下测得的轴荷增长平稳，相邻两轴之间轴荷差值小。这是由于柔性车架在受到分散力后，变形较为平缓，而在受到集中力后，柔性车架变形起伏大。
（1）分散力下的柔性车架模型轴荷分布合理，能够真实地反映出实际的受力情况，经过仿真计算得到轴荷也比较准确。
（2）由于全地面起重机在加速和爬坡时，重心会置后，从而加剧车架的变形，使得轴荷分布越发不均匀，影响整车动力性能的提高。这就需要对簧上质量分布进行合理设计，实现整车重心前置，从而使轴荷分布更为合理。
（3）采用柔性体动力学方法不仅有利于提高轴荷准确性，而且也为实现车辆扭矩的优化分
配，动力性能提高提供了依据。
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