餐厨垃圾车动力学混合建模仿真及结构分析

1、餐厨垃圾车动力学混合建模仿真及结构分 析作者：高一佳 来源：专用汽车2016年第10期高一佳GAO Yi-jia陕西保利特种车制造有限公司陕西西安710200摘要：建立了包含柔体的餐厨垃圾车动力学模型，并使用ADAMS软件对其上料过程进行了 仿真计算，得到了该机构的最危险工况，随后按照这些工况对餐厨垃圾车进行了非线性结构分 析以确定各部件的安全系数，并根据分析结构对某些零件进行了设计改进，最后对驱动油缸的 参数进行了校核。关键词：刚柔体混合建模非线性接触工况辨识油缸校核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中图分类号：U469.6+91.02 文献标识码：A文章编号：1004-0226(2016)10-0102-04l前言餐厨垃圾车是一种高效清洁的垃圾收运专用车辆。它的主要功能是将桶装“泔水”经挂桶 机构提升后翻转倒入垃圾车箱体内。因此完成这项功能的挂桶机构是该车设计的关键部件。为 满足在结构强度要求的前提下，

4、结构质量最小化的要求，下面对挂桶机构进行仿真分析。因为挂桶机构是一个运动作业机构，在进行结构强度校核时无法准确确定其载荷工况。因 此需要先对其进行动力学分析以确定其载荷工况。2分析背景餐厨垃圾车上装部分主要由垃圾箱体、箱体框架、副车架和挂桶机构等4部分组成。其中 挂桶机构由驱动油缸、主动臂、从动臂、导轨和压桶机构等5部分组成，如图1所示。垃圾箱 体容积为4.5m3，最大充装质量3.1 t，为不锈钢板拼焊而成，箱体支撑骨架为纵横梁焊接结构， 垃圾箱体在举升油缸作用下可绕后端铰点翻转以完成卸料作业。副车架为槽型钢纵横梁焊接结 构，位于垃圾箱体和车架纵梁之间，起过渡连接作用。箱体前部装有挂桶机构，通

5、过该机构可 以提升并翻转垃圾桶以完成垃圾装料作业。分析中假设垃圾桶质量为300 kg，初步确定驱动油缸的行程为350 mm。根据对实际作业现 场的观察，确定驱动油缸伸缩速度为35 mm/s。设计初步确定的压桶机构弹簧自由行程为300 mm，刚度为2N/mm。本分析中需要用到的材料参数如表1所示。3确定载荷工况根据理论分析和工程经验，对该挂桶机构模型进行适当的简化假设，然后使用ADAMS软件 建立该机构的动力学数字化模型(DMU模型)。模型中对主动臂零件进行了柔体化处理，其余部 件使用刚体part进行建模。建立混合模型的目的是解决此类包含大量运动部件的机构的动力学 问题建模时经常会遇到的过约束问

6、题。在动力学分析时，模型过约束会造成部件受力不准确， 甚至会导致计算无法进行。通常，在进行底盘的动力学仿真时，会将车架零件简化成一个柔性 体零件，而将安装到其上的其余零件简化成刚体零件。这样既保证了模型中没有大量的过约 束问题，同时也保证了仿真计算的效率。这种混合建模技术在实际使用中被证明是非常可行和 有效的。因此，本文中建立的挂桶机构DMU模型也遵循了同样的思路。关于如何建立刚柔混合 模型的方法本文不在此进行详述，更细节的资料可以查看相应的ADAMS帮助文档。接下来对已建立的动力学模型进行仿真，得到挂桶作业过程中各部件的受力和位置，如图 2所示。图2(a)为挂桶过程应力动画，图2(b)为驱动

7、油缸行程，图2(c)为垃圾桶翻转角度，图 2(d)为驱动油缸力。从图2中可看出：02.6 s，驱动油缸带动主动臂和从动臂向上运动，压桶机构夹紧垃圾桶；2.6-8.0 s，垃圾桶沿着轨道被提升，油缸驱动力增大；8.011.0 s，下导轮进入轨道岔道，垃圾桶开始翻转。根据图2(c)的驱动油缸力曲线，可看出在第2.62 s和第8.02s，驱动油缸的力较大。因此 认为这两个时刻的载荷状况为挂桶机构的最危险工况，这两个工况随后会被用来校核挂桶机构 各部件的结构强度安全系数。由ADAMS仿真结果可以得到这两个时刻，挂桶机构各部件的空间 位置和载荷数值大小，这些数据随后被用来定义用于结构强度分析的最危险载荷

8、工况。另外，该动力学分析结果同时也显示了主动臂在整个过程中的动态应力分析，如图2(a)所 示。该应力动画显示，在第8.02 s，应力数值达到极大值170.3 MPa，此时主动臂上的应力分 布如图3所示。而主动臂的材料为Q345，材料参数如表1所示，Q345的屈服强度为345 MPa。 经计算可得到主动臂的安全系数为2.03，与该部件的基准安全系数2.0相比较，认为该主动臂 结构拥有足够的结构强度，可见当前的设计是合理的。4有限元强度校核为了进一步确定挂桶机构中各个部件的安全系数，需使用上面分析得到的载荷工况对垃圾 车上装进行结构强度有限元分析。因为线性结构分析无法正确模拟滚轮与导轨间的接触关系

9、， 而本例中的滚轮与导轨间的接触会对整个挂桶机构的受力结果产生关键性的影响，因此采用非 线性准静态(NonlinearQuasi-Static )求解器进行该仿真计算。非线性准静态分析实质上是一 种仅对接触状态进行非线性化处理的静态有限元分析方法2。相比静态有限元分析，它能较为 准确地模拟接触和摩擦的非线性特性。相比动力有限元分析，它能节省大量的求解时间3。本 例中应用非线性准静态分析正是看重了它的模拟非线性接触准确性高和求解速度快的特点。经过求解计算后得到两个载荷工况下的应力分布云图，如图4所示。图4(a)为第一个最危 险载荷工况时(第2.62 s)的应力分布云图，此时最大应力点位于主动臂安

10、装座处，最大应力 值为272.9 MPa，考虑到此处的材料Q345的屈服强度为345 MPa，则该结构的安全系数为1.26, 小于该部件的基准安全系数值2.0。因此在此工况下该部件的强度不足，需要进行相应的设计 变更。图4(b)为第二个最危险载荷工况时(第8.02 s)的应力分布云图，此时最大应力点同样位 于主动臂安装座处，最大应力值为165.9 MPa，经计算得到的安全系数2.08大于该部件的基准 值2.0，在此工况下挂桶机构的各部件的结构强能够度满足设计要求。因为工况1时有个别零件的强度无法满足设计要求，因此接下来需开展设计迭代工作。将 此安装座的板材厚度由原来的4.0 mm增加至6.0

11、mm，然后重新进行结构非线性准静态分析， 得到计算结果，如图5所示。图5(a)为安装座变更设计前的应力分布云图，图5(b)为安装座变 更设计后时的应力分布云图。可看出，设计变更后最大应力由原来的272.9 MPa降低为153.8 MPa，相应的安全系数也增加为2.24。该值大于基准值2.0，因此经过设计变更后，挂桶机构的 各部件的结构强度均能满足设计要求。5校核油缸选型考虑到垃圾的可压缩特性，为保证卸料干净彻底，设计要求挂桶机构必须保证垃圾桶最大 卸料角度不小于500。经过对挂桶机构进行动力学仿真，发现垃圾桶的最大卸料角度对驱动油 缸行程的大小相当敏感，因此需要通过动力学分析研究最大卸料角度和

12、驱动油缸行程之间的关 系。运行挂桶机构动力学模型，可得到最大卸料角度，图6为驱动油缸处于最大行程时垃圾桶 的卸料角度示意图，从分析结果和图6可看出：驱动油缸未动作时，垃圾桶位于地面上，桶轴线与水平面夹角为90。驱动油缸运行到最大行程时(350 mm)，桶轴线翻转了 130.6。考虑到垃圾桶自身的锥 度2.5。，此时垃圾桶的最大卸料角度为43 .10，该数值小于目标值500。为使垃圾桶最大卸料角度达到设计目标值，需要在动力学模型中调整驱动油缸最大行程， 并重新运行仿真计算。经过迭代计算后，发现当驱动油缸的行程增加到355 mm时，最大角度可 增大为51.40，满足设计要求。接下来校核驱动的缸径。

13、从图2可以看出，在第2.62、，油缸驱动力达到最大值18 700 N。 根据餐厨垃圾车油缸选型表，该驱动油缸初步选定的型号为HSG50/35-678，缸径为50 mm，缸 径为35 mm，液压系统工作压力16 MPa。根据设计工程师提供的数据，并考虑适当的动力损耗 系数，该型号油缸能提供的最大驱动力为：F=n.P.兀.D2 / 4= 26 703 N式中，F为油缸驱动力；n为动力损耗系数，根据相关规范，取n=0.85;P为系统工作 压力，P=16 MPa;D为油缸的缸径，D=50 mm。将该数值与使用ADAMS计算得到的理论需求值18 700N相比较，可得到该驱动油缸的动力 储备系数为1.43

14、。该数值能够满足功率储备系数大于1.2的设计要求，因此认为该驱动油缸选 型合理，能够满足使用要求。6结语本文通过对使用刚一柔混合建模技术建立的餐厨垃圾车挂桶机构进行动力学模型的仿真， 展示了了刚一柔混合建模技术在处理多部件运动机构时可以有效消除机构过约束问题的突出优 点，和计算部件的动态应力分布的快捷性(相比结构动力学分析)及准确性4。通过对包含非 线性接触的挂桶机构结构有限元模型进行的非线性结构强度分析，展示了一种处理实际运动机 构中广泛存在的非线性接触和摩擦问题的较为简单和快速的方法，同时确保了计算结果有着足 够高的工程精度。参考文献MSC. Software Corporation. ADAMS Optimization Guide M,1994.谭继锦，张代胜，汽车结构有限元分析M.北京：清华大学出版社，2009.张胜兰，郑冬黎，郝琪等，基于HyperWorks的结构优化设计技术M.北京：机械工 业出版社，2007.殷时蓉，贾永清，尹信贤基于ADAMS的高空作业车举升臂动力学研究J重庆交通大学 学报，2011(5):1031-1034。张玉新，王帅.