（机械制造及其自动化专业论文）全密封后压缩型垃圾车动力学仿真及结构优化.pdf

摘要 全密封后压缩型垃圾车动力学仿真及结构优化 摘要 本论文结合江苏省科技攻关项目“全密封后压缩环保型5 m 3 垃圾车”( 项目号：b e 2 0 0 6 1 0 5 ) ， 对悦达公司y d 5 0 7 0 z y s 型压缩式垃圾车进行动力学仿真及结构优化设计。垃圾车在工作时承受着 较大的动态载荷，通过动力学仿真和有限元分析能够较精确的对垃圾车进行分析和优化。本文选题 具有很强的工程背景和戍_ i j 价值。论文主要包括以f 内容： 1 建立垃圾车车厢、填料机构的c a d c a e 模型，基于动力学原理对垃圾车的动力学性能进 行参数化分析和优化设计。 2 通过模态实验测试垃圾车车厢、滑动板和下刮板的模态频率和振型，分析有限元模型的误 差原因，以提高计算分析精度。 3 建立垃圾车填料器的滑动板和下刮板的有限元模型，利用a n s y s 进行参数化分析和优化设 计，提高其动力学性能。 4 分析垃圾车钢板弹簧的性能，并创建了轮胎和路面模型。在此基础上通过m s c a d a m s 建立 整车动力学模型，对整车平顺性进行分析。 5 根据垃圾车的动力学性能分析结果，对垃圾车车厢结构的动力学和静力学性能进行分析， 并进行优化。 关键词：垃圾车，动力学，刚柔耦合，模态试验，优化设计 a b s t r a c t t h ed y n a m i csi m u l a ti o na n d0 p ti m iz a ti o n d e s i g no fs e a l e da n dc o m p r e s s e dg a r b a g e t r u c k a b s t r a c t s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t si nj i a n g s up r o v i n c e ”t h es e a l e da n d c o m p r e s s e d5 m g a r b a g et r u c k ”( n o ：b e 2 0 0 6 1 0 5 ) ，1 1 ”d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ey d 5 0 7 0 z y st y p e c o m p r e s s e dg a r b a g et r u c kw a sa n a l y z e da n di t sd y n a m i c sa n ds t r u c t u r a lp r o p e r t i e sw e r eo p t i m i z e d t h e p o s i t i o no ft h em a j o rc o m p o n e n t sk e e p sc h a n g i n gw h e nt h e ya r co nw o r k i n g ，l o a d i n go nt h e m ，s oi t s d i 伍c u l tt of i n do u tt h et r u c k sp e f f 确粕c e b 勰。do nd y n a m i c sa n df i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dm e t h o d s ， t h et r u c k sp r o p e r t i e sa n dw o r k i n gc o n d i t i o n sw a ss i m u l a t e da n da t m l y z e da c c u r a t e l y t h em a i nw o r ko f t h et h e s i sc a l lb ea b s t r a c ta sf o l l o w i n g ： 1 t h ec a d c a em o d e l so ft h e g a r b a g e t r u c kc a m p a r t m e n t sa n d c o m p r e s s i n gd e v i c ew e r e e s t a b l i s h e d b a s e do nt h ed y n a m i ct h e o r y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p r e s s i n gd e v i c ew a sa n a l y z e da n d o p t i m i z e d 2 t h r o b g ht h em o d a lt e s t s ，t h ef r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so f t h ec o m p a r t m e n t s ，c o m p a c t i n gb o a r d a n ds l i d i n gb o a r dw e r ef o u n du pa n dw e r ec o m p a r e dw i t ht h ef m i t t - - e l e m e n tm o d e l s t h ef i n i t e - e l e m e n t m o d e l sw e r ec o r r e c t e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t e s t s 3 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so f t h ec o m p a c t i n gb o a r da n ds l i d i n gb o a r dw e r eb u i l t t a k i n ga d v a n t a g e o f t h ed y n a m i ca n a l y s i s ，t h es t a t i ca n a l y s i sw a s i m p l e m e n t e d 1 1 l e yw e r eo p t i m i z e di na n s y s 4 t h el e a f s p r i n g sw e r ea n a l y z e db yf e m t h em o d e l so f t h et i r e sa n dt h er o a dw e r eb u i l tt o o a tl a s t t h ed y n a m i cm o d e lo f t h ew h o l et r u c kw a ss e tu pa n dt h et r u c kr i d ep e r f o r m a n c ew a ss i m u l a t e d 5 a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h eg a r b a g et r u c kc o m p a r t m e n t sw a sa n a l y z e da n d o p t i m i z e di na n s y s k e yw o r d s ：g a r b a g et r u c k , d y n a m i c s ，r i g i d - f l e x i b l ec o u p l e d ，m o d a lt e s t ，o p t i m i z a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塑丝堑 e l 期：互型， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：跫垡纽 导师签名：日期：2d0 8 3 、， 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 近十几年来，无论是在国际上还是在国内固体废弃物所造成的环境污染以及由此而产生的社 会问题引起了人们广泛的关注。在我国，随着城市建设的迅速发展和人民生活的不断提高，城市废 物最也迅速增长。据中国崮废网报道，“十五”期间，随着我国城市化水平的提高，我国城市生活 垃圾清运量保持稳步增长的趋势，根据对历年统计数据进行回归分析，预计到2 0 1 0 年全国城市生 活垃圾清运量将达到1 8 亿吨，日均约为5 0 万吨。这些垃圾不但污染环境，破坏城市景观，而且 还传播疾病，威胁人类的生命安全。因此，治理包括生活垃圾在内的城市嘲废是一个非常迫切的课 题。尽管国家在城市环境净化方面曾三令五申，但实际运作仍存在较多困难。长期以来，由于垃圾 处理乃至整个环卫行业的投资主要来自政府，各地财政收入又主要用于基础设施及其他开支，而在 垃圾处理方面投入较少，垃圾清运设备简陋落后，所以导致城市垃圾或是清理不干净，或是存在二 次污染等问题。 随着我国对外开放力度不断加大，国内经济的快速发展，国际性大型政治经济活动越来越频繁， 旅游事业也随之持续升温。有鉴于此，国家对城市环境建设更加重视，各级政府正在加大力度整治 城市环境，并提出了美化、绿化、净化、亮化以及优化的规范要求，同时不断加大财政投入力度。 根据对北京、上海、天津等大城市的调查。以及对大连、青岛、苏州、杭州等国家重点旅游城 市的调查了解，随着北京2 0 0 8 年奥运会及上海2 0 1 0 年世博会的即将举芬，城市的净化上程实施进 度正在进一步加快，各大城市都在拟定新的垃圾处理计划，安排资金逐年更新并添置高档垃圾运输 车。预计在未来几年，中国平均每年垃圾收集清运车辆将增加3 0 0 0 - - 5 0 0 0 辆，更新3 0 0 0 辆左右， 到2 0 0 8 年将达到1 2 0 0 0 辆。压缩式垃圾运输车的市场随着各特大城市、旅游城市的使用，逐步在 大型城市推广，并向中小城市扩散，因此市场将会不断拓展。由此可见，压缩式垃圾车的市场需求 是巨大的。 城市垃圾从收集、中转、运输到最终处理组成一个完整的城市垃圾处理系统。该系统的前三个 环节即收集、中转、运输被称为城市垃圾的收运系统。在城市垃圾处理系统中，垃圾的收运系统是 一个非常重要的环节。这不仅因为它的效率直接影响整个垃圾处理下作的效率，而且如果运输工具 选择不慎，会在运输过程中产生泄漏、废气等污染，严重影响垃圾处理工作及城市环境的处理a 现代化的垃圾收集方式可以分为集中式收集与分散式收集。分散式收集是用白带压缩装置的垃 圾车从各个垃圾收集点逐一把垃圾装车并同时压缩，然后运往垃圾收集点；集中式收集法是先通过 小车或人从各个垃圾收集点把垃圾运至垃圾中转站，中转站的压缩机把垃圾进行压缩并装入垃圾集 装箱中，然后用车厢可卸式垃圾车把垃圾集装箱装车，运往垃圾处理点处理。分散式收集主要使用 的车型是后装压缩式、摆臂式、侧装式等型式垃圾车。而后装压缩式垃圾车集自动装填与压缩、密 封运输和白卸为一体，自动化程度高。后装压缩式垃圾车在提高垃圾运载能力、降低运输成本的同 时，还可避免二次污染，是收集、运输城市生活垃圾的理想 具。与摆臂式、侧装式等型式的机型 相比较后装压缩式垃圾车克服了前几者垃圾车容量小、可压缩性差和容易产生飘、洒、撤、漏二次 污染的缺点，是垃圾车发展的必然趋势。 在2 0 世纪6 0 年代的发达国家就已经出现了垃圾处理行业，发展到今天他们的垃圾处理技术已 经非常成熟。垃圾车作为一种主要的、高效的环保璎垃圾转运设备，在发达国家己广泛使用。一些 大的垃圾车制造公司，如芬兰的p a r t e k 公司、美国的s w a p l e a d e r 公司、德国的o t t o 公司、 f a l r n 公司，韩国的人宇公司等其产品的技术水平都1 常赢。但在发展中国家，除部分首都城市和 重点旅游城市的中心地带少晕使用外，大部分城市以及大城市的城郊结合部还是盲点。 目前中国专业从事垃圾处理设备生产的企业已有1 0 0 多家，但绝大部分规模很小，条件简陋。 东南人学硕士学位论文 年销售产值2 0 0 万元左右的企业就有8 9 家，销售额1 0 0 0 万元以上的企业仅有少数几家。到目前为 止，能够生产有较高水平、可以满足发达城市需求的厂家仅有北京华林( 中韩合资) 、青海新路( 中 美合资) 、济南哈勒( 中德合资) 等为数不多的几家。其他的生产厂家，由于技术水平较低、规模 较小、质量较次，仅能应付一些中小城市的需求。但是从长远来看这些市场也最终会被高档次的产 品占领和代替。虽然目前我国对生活污染的治理还处在起步阶段，但人们的认识已经有了很大程度 的提高。另外，由于一些国际组织连续在我国等发展中国家开展环保宣传活动，这必将进一步加快 对高档次垃圾处理装备的需求，从而推进环保事业的发展。 1 2 多体系统动力学仿真的发展概况 1 2 1 引言 多体系统动力学是一门古老而又高新的学科分支。它综合了刚体力学、分析力学、计算力学、 材料力学、生物力学等学科的成就，同时结合现代电子计算机技术，经过多年应_ 【 j 实践逐步发展起 来的。它广泛应用于航天、航空、高速机构、车辆、机械制造、机器人及人体科学( 仿生假肢) 等 工程领域。由于多体系统动力学的巨大应t i j 价值和理论意义，这一领域在国际上被认为是应用力学 方面最活跃的领域之一。 复杂机械系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体动力学系统。机械系统 包括多刚体系统、多柔体系统、刚柔耦合多体系统。如果将系统中每个物体都看作是不变形的刚性 体，则该系统称为多刚体系统；若系统中的物体必须计其变形， 则称之为多柔体系统或柔性多体 系统。实际中的系统往往是部分物体作为柔性体考虑，其余物体不计其弹性变形作为刚体，建立刚 柔耦合多体系统。 对于多体系统，关心的问题有三类：一是系统的运动学分析；二是系统的静力学分析：三是动 力学问题。机械系统动力学分析与仿真主要解决机械系统的运动学、正向动力学、逆向动力学、静 平衡四种类型的分析与仿真问题。它将机械系统作为一个正向进行考虑，外部影响通过作用力和驱 动约束等元素施加于系统，其任务是分析系统内部构件之间的关系与作用。多体系统动力学研究的 主要目标是“j ： 1 ) 建立复杂系统的机械运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系 统。 2 ) 开发和实现有效的处理数学模型计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和运动学 响应。 3 ) 实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表和其他方式提供数据后处理结果。 1 2 2 多刚体动力学发展 刚体动力学的发展可以追溯到人约2 0 0 年前欧拉、拉格日等人的研究，他们的研究奠定了经典 刚体动力学的发展基础。不过经典刚体动力学的研究还只限丁二单个刚体和少数两个以上刚体组合的 问题。 2 0 世纪5 0 年代以来，随着科学技术和t 业生产的快速发展，为了满足技术研究的需要，刚体 动力学的研究也有了重要的进展。随着由大鼙刚体组成的r 程对象的出现，各个刚体部件作不受限 制的大位移运动，刚体力学己无法解决这类刚体组合的分析计算问题。加之数字计算机计算能力的 飞速增长，这一切使得对复杂系统进行火规模数字仿真计算的可能性成为现实。 本世纪六十年代中期，f l e t c h e r 、l i k i n s 、h o o k e r 、m a r g a l i e s 、r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 等人的卓 有成效的努力，为多刚体系统动力学的发展奠定了坚实的理论基础。1 9 7 7 年，由w i t t e n b u r g 撰写的 “多刚体系统动力学”( d y n a m i c so fs y s t e m so fr i 画db o d i e s ) 一书的问世，及由i u t a m ( 国际 理论与应_ i j 力学联合会) 主持举行的第一次“国际多体系统动力学讨论会”的召开，标志着这门学 2 第一章绪论 科基本理论体系己经形成。1 9 8 3 年由n a t o - n s f a r d ( 北大西洋公约组织与美国国家科学基金委 等) 在i o w a 大学联合举办的“机械系统动力学计算机辅助分析和优化高级讲习会”，及1 9 8 5 年9 月在意大利，由i u t a m 和i f t o m m ( 国际机器与机构理论联合会) 联合主办的“国际多体系统动 力学讨论会”上，总结了这个领域内的进展情况。会议认为现有各种学术流派的建模和算法都己趋 于完善，且各具特色。编制的数十种不同层次的计算软件已经商业化，且广泛应用丁：各个1 二程领域。 今后的发展方向集中于考虑物体的柔性，向柔性多体动力学方向发展。于是“多刚体系统力学”的 内涵得到延伸，成为“多体系统动力学”。 国内对于多刚体系统动力学的认识开始于1 9 7 7 年出版的w i t e n b u r g 著作的传入和1 9 8 1 年k a n e 在上海交通大学的讲学，以后r o b e r s o n 、w i t e n b u r g 、s c h i e h l e n 、h u r o n 的相继来访和讲学更激发 了我国一般力学界对多刚体系统动力学的兴趣。1 9 8 6 年中国力学学会一般力学专业委员会在北京主 持召开了多刚体系统动力学研讨会。随后在长春( 1 9 8 8 ) 、上海( 1 9 9 2 ) 、和烟台( 1 9 9 6 ) 召开多次 多体动力学学术会议，并发表了许多有关建模理论、计算方法等方面的学术论文。国内在理论研究 和实际虑用两个方面都取得显著的进展。广义动静法、四元数、旋鼍矩阵方法、奇异值分解方法以 及多体系统碰撞动力学方面的研究，推动了理论 作的发展；上海交大、天津大学、吉林t 业大学 等都相继开发了一些多体软件，航天器、机器人、车辆和人体运动领域一些实用计算软件的编制使 理论应用到了实际当中。 多刚体系统从结构上可以分为树状结构和非树状结构。目前多刚体力学已经形成了比较系统的 研究方法。其中主要有以牛顿欧拉方程为代表的矢量力学方法，以拉格朗日方程为代表的分析力学 方法、图论方法、凯恩方法，变分方法。 1 2 3 多柔体动力学的发展 多柔体系统动力学的研究开展的比较晚。它进一步考虑了部件的变形，是多刚体系统动力学的 自然延伸和发展。多柔体系统动力学是经典动力学、连续介质力学、计算力学和现代控制理论等多 学科交叉的边缘犀! 新学科。它是在航天、机器人、机械系统等向轻掣、高速、大型和复杂方向发展， 以提高运作效率、减小能量耗损和适应复杂运行环境能力为目的的高技术丁程应用和市场竞争的背 景f 发展起来的。工程中的航天器机械臂、机器人操作手、高速机械等多个部件组成的多体系统中， 有些部件的变形相当大，把它们抽象成为刚体模型来处理不太稳妥。部件的弹性效应已成为工程界 普遍关注的问题。 变形运动与刚性运动的同时出现及其耦合正是柔性多体系统动力学的核心特征。由于它含有柔 性部件，其变形不可忽略，并且该系统的逆动力学是不确定的。它与结构力学也不同，部件在自身 变形运动的同时，在空间经历着大的刚性移动和转动，且刚性运动与变形运动互相影响、强烈耦合。 与一般简单系统不同，它是一个多输入、多输出的无穷维、时变、高度非线性的复杂系统。 机械系统构件弹性影响的研究直到2 0 世纪6 0 年代计算机出现之后才有了现实的发展和应用。 它首先在航犬器和高速机构领域里得到关注。以b o l a n d 、k a n e 、r o b e r s o n 、w i t t e n b u r g 、l i k i n s 、h o 、 h u g h e s 、m e i r o v i t c h 等为代表的科学家和学者为柔性多体航天器动力学的建模做出过杰出的贡献。 2 0 世纪7 0 年代初发展起来的运动弹性动力学( k i n e t o e l a s t i od y n a m i ca n a l y s i s ，简称k e d ) 方法，对解决中低速机械的柔性动力学问题起了重要作用。随着有限元的出现、发展和成熟，1 9 7 1 年r cw i n 行e y 和e r d m a n 先后在不考虑构件弹性变形对其大范用刚体运动影响的情况下，把结构分 析中的有限元法引入弹性系统的分析中，从而为展开弹性多体系统动力学开辟了一条新的道路。此 方法假定构件的弹性变形对其人范围运动不产生影响，从而可以通过多刚体模型分析得剑构件的惯 性力和外力，并施加到构件上，然后根据惯性力和系统的外力对构件进行弹性变形和强度分析。目 前的分析方法分为基本方法和精确方法。基本方法不考虑刚体运动和弹性变形运动的耦合，把机构 一系列离散位置看作一系列瞬时结构。精确方法考虑了刚体运动与弹性变形运动的耦合，不采用瞬 时结构假设，但得到的动力学方程比较复杂。它虽然考虑了构件弹性变形对人范围运动的影响，但 在对柔性体离散时没有考虑人范同运动对其的影响，且在有限元( 或模态) 进行离散时有很大的随 意性。实质上这种方法是柔性多体系统的一种零次近似的耦合动力学，在对轻质，高速机构进行分 3 东南大学硕士学位论文 析时，其局限性日已显露。b o l a n d 、k a r l e 、ws a n a d a 、sd u b o n s k y 、a as h a b a n a 、ejh a u g 等都 为柔性多体系统动力学建模做出了杰出贡献。 t h o m p s o n 、l o w e n c t a l 等总结了1 9 8 6 年以前关于连杆柔性对高速机构动力学响戍的影响并作了 较全面的评述。b o l a n d 、s a m m i n 等人完成了由刚件系统动力学到柔性系统动力学的转化和拓展， s h a b a n a 、y o o 和h a u g 等人建立了柔性系统的动态子结构法。 早在8 0 年代，中国学者就开始了多体系统动力学的研究1 3 j 。1 9 8 0 年，任曾勋提出了一种工程 解法，通过引入补充未知鼍构成双直交基来满足求解条件。1 9 8 1 年，孙焕纯提山了一个改进的0 法，其假定加速度在时间步长内是时间的二次因数，算法建立为二级近似加速度一步法。其他如蔡 承文、张策、谢闽生、凌夏华、覃正、叶尚辉、刘明治等也都先后对多体动力学理论做了深入研究 并取得了一定的进展。 到目前为止，多柔体系统动力学的研究虽然取得了许多成果，但是远没有达到多刚体系统动力 学的研究水平，其主要原因是在对物体大范围运动和弹性变形耦合问题的认识和处理方法上遇到困 难。 1 3 国内外c a e 技术的发展 在针对车辆的有限元分析方面，上世纪7 0 年代以来，随着大容量的计算机的出现和美国宇航 局结构分析程序n a s t r a n 的开发成功，美国几家人的汽车公司开始了汽车结构设计的革命，开始 运用有限元技术对车身结构进行静、动态分析。福特公司于七十年代首先提出对点焊模拟进行研究， 并用n a s t r a n 通用软件，用板、梁单元进行车身的静态分析，寻找车身结构的高应力区，并改进 应力分布。随后通用等其他汽车公司也相继开展对焊点模拟的研究。日本五十菱汽车公司在8 0 年 代末已将c a e 应用到车身设计的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型到设计中、后期的细化模 型，分析的范围包括强度、刚度、振动、疲劳及形状和重量的优化。9 0 年代以后，有限元分析得到 了广泛的应用。美国通_ l j 汽车公司在通用有限元程序的基础上自主开发了后处理程序，将发动机和 道路激励载荷集成到数据库中，进行汽车对发动机和道路激励的响应分析和改进，大大简化了分析 过程。日本尼桑汽车公司利用有限元分析仿真进行整车优化，分析中使用的模型已经包括悬架、发 动机、轮胎和转向机构。福特汽车公司也利用c a e 在新车开发中提高其n v h 性能，取得了良好的 效果。 经过三十年多年的积累和发展，国外各大汽车公司建立了高性能的c a e 分析系统，应用领域 有： 1 ) 结构分析。如车身静态刚度，强度分析；耐久性分析；塑性变形分析；复合材料分析。 2 ) 整车及零部件的模态分析。 3 ) n v h 分析。包括各种振动、噪声，如摩擦噪声、风噪声等。 4 ) 车辆模拟碰撞分析。可以模拟车辆的正面、侧面、追尾碰撞，还可以模拟碰撞中成员的姿 态。 5 ) 流体分析。如空气动力特性分析。 6 ) 优化分析。包括对结构形状与尺寸的优化，结构重量最轻，动静特性最优等综合分析。 我国最甲i 是在1 9 7 7 年，长春汽研所的谷安涛等人使用有限元的方法对汽车车架进行了设计和 计算。随后李方泽等人对大型矿用车承载车架进行了模态试验，并以试验结果为依据进行了结构修 改模拟分折。高圣彬使用s a p 软件建立了桑塔纳2 0 0 0 犁自车身有限元模掣，通过加强方案提高车 身的扭转刚度。朱曲产对构成车身部件的简单薄壁直梁件的碰撞性能进行了大量的试验和研究。钟 志华在1 9 9 4 年就对汽车耐撞性分析的有限元法进行了研究。江苏理j ：大学对小型客车整车正面碰 撞分析进行了模拟，但其使t l f j 梁单元对车身后部进行简化建模，使得分析结果的精度不能得到保证。 清华大学在整车碰撞试验方面做了较多的工作，但其在通过有限元方法来模拟碰撞过程方面侧重于 安全气囊和车架的碰撞模拟，其对整车模拟碰撞尚未进行。 国内各大汽车公司也正在逐步将有限元分析应片j 到实际的汽车设计中。如长春第一汽车厂力争 4 第一章绪论 所有主要的零部件都用有限元进行校核：上海大众与同济大学合作建立桑塔纳车身有限元模型，进 行了车身静态扭转计算；东风汽车公司也引进了专门进行整车动态、静态分析的软件，将有限元分 析技术运用到汽车设计中； 目前国内与世界先进水平的主要差距有：车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口车结 构进行参照性设计的，工程分析多用来解决样车试验以后出现的设计问题，设计与分析未能真正做 到并行；由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度尤其是强度分 析的结果还比较粗略；工程分析计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有比较 大的差距。 1 4 全密封后压缩型垃圾车研究现状 早在2 0 世纪8 0 年代中期，我国即在引进国外技术基础上开发出后装压缩式垃圾车。由于这 种车型较其他运输车辆具有垃圾压缩比高、装载量大、密闭运输、消除了垃圾运输过程中的二次扬 尘污染等优势，所以取得了快速的发展，成为现代城市垃圾收集、清运的重要的专业化运输与作业 车辆。目前国内已有许多生产垃圾压缩车的厂家，它们的压缩式垃圾车产品( 3 1 2 t ) ，主要是通过 引进韩国、美国和日本的技术，并对其进行消化吸收，从而形成其自主开发的能力；有的企业是靠 模仿和适度创新起家，最后也形成了自己的开发能力，但液压系统的一些关键件等仍需进口。各厂 家产品的型式与结构特点有所不同。近年来，除了发动机排放外，用户还对垃圾车的上装提出了新 的要求，包括防止垃圾液渗漏、垃圾箱防腐蚀、作业噪声低等等。随着生产的增加，垃圾车的研发 投入也越来越多，现在已经有许多大学和企业对后装压缩型垃圾车进行研究、设计。建设部也于2 0 0 0 年1 2 月2 9 日批准、发布了压缩式垃圾车( c j t1 2 7 2 0 0 0 ) 城填建设行业标准，并于2 0 0 1 年 6 月1 日开始实施。 9 0 年代中期，同济大学的盛金良【6 1 等对后压缩型垃圾车的压缩机构的各种形式进行了分析，并 对他们的结构复杂性、装载性能和压缩性能进行了比较，同时根据实际情况对其进行了综合评价。 从他的分析中可以对垃圾车压缩机构的不同形式的特点有一个总体的认识。 重庆工业管理学院的曹建国”1 对垃圾车车厢和主要部件结构进行了分析，对不同的车厢结构， 推出板外形进行了比较。 上海市市容环境卫生车辆设备厂的王伟新【9 1 对后装压缩型垃圾车设计的要点进行了分析，并提 出了垃圾车设计方面的关键点和优化方向。他认为垃圾车在结构减重、载荷分布、卸料机构、压缩 机构、液压控制方式及密封等方面设计不当将直接影响车辆的装载量、密封性、稳定性、作业可靠 性及行驶安全性。 2 0 0 7 年，广两大学的陈树勋1 7 1 等利用有限元对后装压缩型垃圾车的结构进行了分析和优化。在 他的分析中详细讨论了垃圾的载荷，计算出了垃圾的载荷函数。其过程虽然经过一定的抽象，但是 相对于以前的研究能更加准确的反应垃圾载荷的实际情况，从而能更准确的对垃圾车进行分析。同 时他也分析了垃圾车结构上的薄弱环节，并进行了改进。 重庆汽车研究所凯瑞特种车制造厂的陈会，长治清华机械厂的李光达等也都对压缩型垃圾车的 结构进行了分析优化。 国际上，对于汽车结构设计趋向于采用等强度、等刚度以及等寿命的设计原则，并能准确预测 车身零部件的寿命，精确而高效的预测零部件的动态应力历程。而国内对汽车结构的研究主要集中 在对客车和轿车车身的强度和刚度方面。而且通常以重鼍最轻为目标、通过计算弯曲和扭转两种典 型工况进行静强度和静刚度的优化，考虑动态特性一般是通过模态分析，获得固有频率及相应振型， 作为优化的目标或约束。对动态应力的考虑也是将静应力放人k ( 动载荷系数) 倍作为最人动应力 来对结构进行修改。而对载货汽车如厢式货车等的研究还很少，在载货汽车的设计过程中，采用的 大多还是经验和类比法。尤其是对车厢的设计，由于车架承担了运载货物的大部分重量，通常只是 考虑其几何尺寸等外形方面的要求，对厢体的强度和刚度以及振动特性等方面并没有给与足够的重 视。 5 东南大学硕十学位论文 对于载货汽车的平顺性，除了评价汽车行驶时的振动对驾驶员的影响外，还要评价振动对运载 货物的影响。由于货厢的振动程度对整车的使用性能有直接的影响，因此降低货厢的振动是设计者 应该追求的目标之一。然而，由于技术水平等冈素的限制，各种载货汽车的货厢振动是有差别的， 存在着优劣之分。迄今为止，在我国还没有制定载货汽车货厢振动的限值。评价货厢振动的优劣， 还只能与同类样型的货厢货车进行比较。 1 - 5 本论文主要研究工作及内容概述 本论文结合江苏省科技攻关项目“全密封后压缩环保型5 m 3 垃圾车”，针对江苏悦达5 m 3 垃圾 车进行研究，建立了垃圾车的c a d 模型，并利用有限元分析软件a n s y s 和动力学仿真软件 m s c a d a m s 对其进行分析并对原设计进行了优化。论文主要有以下几方面内容： 1 ) 根据所获得的设计工程图纸，在p r o e 里面建立垃圾车车厢及后尾填料机构的3 d 模型，同 时对所建立的模型进行优化，如去除对性能影响不大的小面，小孔等小结构，将一些焊接面连接起 来等，以利于后续的分析。 2 ) 在m s c a d a m s 里面建立车厢和后尾填料机构的多刚体动力学模型，并对其动力学性能进 行优化。后尾填料机构、下刮板、滑动板等是垃圾压缩的主要功能部件，也是最容易损坏、最容易 出现问题的部件。他们受力较大，对其动力学性能进行优化可以大大提高其使用性能。 3 ) 进行模态实验，测试车厢和各个分部件的模态性能，并与所建立的有限元模型的模态性能 进行对比，以验证所建立的模型的正确性。 4 ) 利用有限元分析软件h y p e r m e s h 抽取模型的中层面，并导入到a n s y s 里面，划分网格， 建立垃圾车车厢和后尾填料机构的有限元模型。在a n s y s 里面对其进行模态分析，并生成模态中 性文件。将模态中性文件导入到m s c a d a m s 里，建立刚柔耦合的动力学模型。针对所建立的模 型进行分析，并输出载荷文件到a n s y s ，通过a n s y s 对主要部件进行分析，并对它们的结构进行 优化。 5 ) 建立垃圾车钢板弹簧的有限元模型，并对弹簧性能进行分析。建立轮胎模型，输入标准路 面谱，利用m s c a d a m s 对整车振动性能进行分析。 6 ) 利用a n s y s 对车厢进行分析，并进行优化，并对优化的结果进行验证。 6 第二章车厢与后尾填料机构动力学分析及优化 第二章车厢与后尾填料机构动力学分析及优化 2 1m s c a d a g s 软件的介绍 a d a m s 是美国m e c h a n i c a l d y n a m i c s ，i n c s 公司生产的软件( 该公司现在已经并入m s c 公司， 成为该公司在动力学、运动学分析上面的主力软件) 。a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件， 用户可以运用该软件方便的对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是虚 拟样机分析开发工具，其开放型的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟 样机分析的二次开发= 具平台。它为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系 统进行建模、仿真和分析。和其它c a d 、c a e 软件相比，a d a m s 具有十分强大的运动学和动力 学分析功能 4 - 6 1 。 a d a m s 软件能够帮助工程师更好的理解系统的运动、解释其子系统或者整个系统即产品的设 计特性，同时还能够比较多个设计方案的工作性能。预测精确的载荷变化过程，计算其运动路径， 以及速度、加速度的分布图等。 a d a m s 将强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，使该软件使用起来既直观又方 便，还可做到用户专门化。 a d a m s 软件的特点如下： ( 1 ) 使用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。 ( 2 ) 分析类型包括运动学、静力学、和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，刚体 和柔性体分析。 ( 3 ) 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速准确。 ( 4 ) 具有组装、分析和动态显示不同模型在某一个过程变化的能力。提供多种虚拟样机方案。 ( 5 ) 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 ( 6 ) 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 ( 7 ) 自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。 ( 8 ) 可预测机械系统的性能，运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限元的输入载荷。 2 1 1a d a m s 中的零件 模犁中的零件具有质量、惯鼍( i n e r t i ap r o p e r t i e s ) 并可以运动。在仿真中，所有力和约束都必 须施加在零件上。 a d a m s v i e w 提供了完整的零件库，用户可以通过零件库创建三种不同类型的零件，包括： ( 1 ) 刚体：具有质苗和各种惯链的零件，不能变形。 ( 2 ) 柔性零件：具有质龟、惯量，且在力的作用f 可以发生变形的零件。基本的a d a m s n i e w 可以创建离散的柔性连接件，如截面为方形、圆形或工字形的梁，更多柔性件的创建和使川需要用 到a d a m s f l e x 模块。 ( 3 ) 质点：只具有质量的零件，质点没有外形，也没有惯鼍特征和角速度。 ( 4 ) 另外，a d a m s v i e w 提供了一个特殊的零件一地面( g r o u n d ) ，用户创建模型时， a d a m s v i e w 将自动为_ l j 户创建它。“g r o u n d ”零件没有质量及初始速度，不会增加系统的自由度， 全局坐标系就建立在“g r o u n d ”，上。 当零件建好后，a d a m s 可以自动算出零件的质量( 零件的体积乘以零件材料的密度) 、质心位 置及沿各个轴的惯性矩、惯性积。当然，用户也可以自己指定这些物理量的数值。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 2a d a m s 中的约束和运动 约束定义了零件( 刚体、柔性体、质点) 是如何相互连接及零件之间如何相对运动的。 a d a m s v i e w 中提供的约束模型库包括以下四种约束( 含运动) ： ( 1 ) 理想关节( i d e a l i z e d j o i n t s ) 一具有实际的相配物，如转动关节( 铰链) 或平动关节( 滑 块) 。 ( 2 ) 原始关节( j o i n t ) 对相对运动进行限制，如限制一个零件的运动必须与另一个零件 相平行，可能没有实际的相配物。 ( 3 ) 接触( c o n t a c t s ) 定义在仿真过程中，当零件相互接触时如何反应，包括凸轮副，接 触力等。 ( 4 ) 运动生成器( m o t i o n s g e n e r a t o r s ) 定义各种相对运动，用以驱动模型。 加入约束可以减少系统的自由度数，a d a m s v i e w 中的每种约束都减少不同的自由度数。例如， 一个旋转铰链去掉了三个平动自由度和两个转动自由度，使两个零件之间只有沿共同轴线转动的自 由度。这种只允许一种运动的约束叫做单自由度关节，a d a m s v i e w 中也提供了二自由度和三自由 度的关节，如球铰限制了三个平动自由度，允许三个转动自由度，属于三自由度关节。当进行仿真 时，a d a m s 的分析器一a d a m s s o l v e r 能够自动计算模型系统总的自由度数及是否存在冗余约束 【4 。 2 1 3a d a m s 中的作用力 a d a m s v i e w 提供多种力的模型，包括各种方向力和力矩，重力，弹簧阻尼器等等。定义力时， 可以指定力是平动的还是转动的，受力物体，施力物体，力的作用点、大小和方向。对于不同类型 的力，指定力的大小也有不同的方法，如弹簧力，可以简单定义弹性系数和阻尼系数，也可以用 a d a m s 内置的函数表达式定义力。内置函数包括：位移、速度、加速度函数，可使力和运动相关； 力的函数，使力和其他力相关，如库仑摩擦力和正压力相关；数学函数，如旱正弦、余弦规律变化 的力；插补曲线函数( s p l i n ef u n c t i o n ) ，力由曲线上的各点数据决定，如马达的力矩一速度曲线； 碰撞函数( i m p a c tf u n c t i o n ) ，力的作用如同一个压簧阻尼器( c o m p r e s s i o n - o n l ys p r i n g d a m p e r ) ，当 物体间歇接触时，阻尼器或开或关【5 ，6 】。 2 1 4a d a m s 的主要组件及仿真环境 a d a m s 系列软件包括a d a m s v i e w ，a d a m s s o l v e r 等组件。 a d a m s n i e w 是a d a m s 的主要模块，用户可以用其建造机械系统的模型，并在计算机上模拟 机械系统的各种运动。同时，用户还可以对模型进行运动学和动力学分析，定义多个设计参数，观 察在不同条件下模型的运行状况，从而得到最优解。 a d a m s v i e w 是一个强人的建模和仿真应用环境。它采 j 埘户熟悉的w i n d o w s ( n t ) 系统和 m o t i f 界面( u n i x 系统) 大人提高了快速建模的能力，设计研究( d s ) 、试验设计( d o e ) 和优化 设计( o p t i m i z e ) 使_ l j 户能方便的进行优化，j ：作。 应用a d a m s v i e w 可以在制造物理样机之前实现设计、检验和改进机械系统模型。由 a d a m s n i e w 所建立的机械系统及其仿真模型，可以通过a d a m s s o l v c l 计算出相应的力和动作， 并可以输出相关的信息文件。对a d a m s v i e w 仿真分析结果进行后处理，可以通过调用专用后处 理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完成【5 】。 2 1 5a d a m s 的参数化分析模块 a d a m s v i e w 的参数化分析功能可以分析设计参数变化对样机性能的影响。在参数化分析过程 中，a d a m s v i e w 采用不同的设计参数值，自动的运行一系列的仿真分析，然后返回分析结果。通 8 第二章车厢与后尾填料机构动力学分析及优化 过对参数化分析结果的分析，可以研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作 工况以及最优化的样机 1 4 1 。 相对于实际物理样机的设计、试验和优化过程，a d a m s v i e w 提供了3 种类型的参数化分析方 法：设计研究( d e s i g ns t u d y ) 、试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ，d o e ) 和优化分析( o p t h n i z a t i o n ) 。 1 ) 设计研究 设计研究考察：如果某一个设计变量发生变化，或者取不同的值，样机的性能将会发生怎样的 变化。在设计研究过程中，对某一个设计参数在一定范围内取若干值，然后自动地进行一系列的仿 真分析，每次取不同的参数值，完成设计分析后报告各次分析的结果，分析设计参数的影响。通过 设计分析，用户可以获得以下的分析结果：了解某一个变量的变化对样机性能的影响情况，从而可 以找出样机在参数变化过程中的最佳性能或者得到样机性能对参数变化的敏感程度，为以后进一步 改进设计做准备。 2 ) 实验设计 设计研究只考虑单个变量变化对样机性能的影响，实验设计可以同时考虑多个设计变量的同时 变化对样机性能的影响。实验设计技术包括实验规划过程和实验结果的统计分析等。a d a m s 将对物 理的实验设计手段引入到虚拟样机分析中。 简单的设计问题，设计人员可以通过设计参数试差等方法研究和优化样机的性能。但是对于较 复杂的设计问题，样机的性能受到较多参数的影响，实验和分