基于ADAMS和ANSYS的某拖車舉升結構的研究

張積洪，杜 陽，龐 玥

（1. 中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300, 2. 南開大學 數學科學學院，天津 300071）

0 引言

機場快速拖車的裝載及轉運對象是機場貨運平臺車，這種機場特種拖車的投用，提高了機場貨運區域的運行效率，并且為機場安全運行提供了保障，是一種高效、實用的機場特種車輛。快速拖車的設計難點之一是其舉升結構，在裝載平臺車時，其車身部分以拖車車頭與車身前端鉸點為軸心，通過舉升結構將車身尾端放下，如圖1所示，裝載時車身與水平地面夾角為1.8度。設計研究通過實驗及仿真來優化舉升結構模型[1]，分析結果并校核模型使裝載過程更加合理。

圖1 拖車裝載平臺車

1 剛柔耦合分析

使用UG/NX建立舉升結構的簡化模型，分別將舉升結構主要變形部件導入ANSYS和將舉升結構裝配體文件導入ADAMS，運用ANSYS生成主要變形部件的柔性體文件（.m n f），替換ADAMS裝配體模型中的相應剛性體部件，進行既有剛性體也有柔性體的聯合仿真[2,3]，之后由ADAMS生成該柔性體的邊界載荷文件（.lod），導入ANSYS中施加載荷到主要變形的柔性體部件，對柔性體進行不同時刻的靜力學分析。

1.1 柔性體文件

將簡化模型裝配體中的主要變形部件導入ANSYS中，設置35號鋼對應的材料屬性（密度、楊氏模量、泊松比等），添加So lid 95單元，使用So lid 95單元對柔性體進行網格劃分[4]；添加BEAM 4單元和MASS21單元，使用MASS21單元建立柔性體文件的外聯點，設定BEAM 4單元則作為連接外聯點和相關節點的剛性區域；生成實體單元3304個，外聯點單元2個，剛性區域單元32個。

1.2 邊界載荷文件

ADAMS可以根據設計要求生成主要變形部件多個時刻邊界載荷文件(.lod)。在ADAMS中點擊FEA Loads，Form at選擇ANSYS，時刻根據需要選定，生成相關外聯點的柔性體邊界載荷文件；通過ADAMS Connection—Im port fr ADAMS導入到相應主要變形部件的dbb文件中，進行靜力學分析。

2 舉升結構的優化分析[5]

2.1 幾何模型

簡化舉升結構并建立其幾何模型，如圖2所示，其主要變形結構為連接主車架結構和從動輪的中間鋼梁結構，主車架與鋼梁通過液壓缸和懸臂鋼梁軸A點連接，鋼梁與從動輪通過從動輪軸B點連接，C、D分別為液壓缸的上、下鉸點，E點為拖車車頭與車身前端的連接鉸點，液壓缸上、下鉸點之間的CD值隨舉升過程而不斷變化，ED、EA、AB、AD、BC之間為剛性結構，其長度在各關鍵點設定后則保持不變，設定CD為C1、BC為C2、AB為C3、AB為C4、EA為C5、ED為C6。

圖2 簡化模型示意圖

裝載準備階段，機場快速拖車首先應將車身傾斜放下，這一過程需要通過液壓驅動的舉升結構完成，如圖3所示，此時車身放下與地面成1.8度夾角，C1長度變小（液壓缸處于壓縮狀態）。

圖3 液壓缸驅動舉升結構

2.2 結構參數分析

圖4 鋼梁軸A和從動輪軸B點相對位置

由于C1值不斷變化，即C、D點相對位置不斷變化，E點作為車頭與車身前端連接鉸點，其坐標不變，因此在優化設計中選取不同的A、B點作為分析對象，如圖4所示，A點和B點各選取5個不同點作為參考對象，其符號指代如表1，①與⑥為A和B點原始坐標，分別取其上、下、左、右相鄰點為對比參考點，各點與原始點坐標距離為100mm。

表1 A、B各優化坐標點

根據A、B點組合不同，結構參數不斷變化，但ED長度C6值固定，其值為4890mm，由于CD長度不斷變化，故定義拖車車身放下與水平地面夾角為0.9度時作為中間過程，選取此時的幾合模型各參數進行分析，如表2所示。

表2 A、B點組合參數

選取中間過程時刻，CD長度接近中間值，更利于結構參數分析，數據篩選根據平行四邊形法則[6]與液壓缸行程要求：1）邊AD與邊BC處于接近平行狀態；2）對邊C1與C3、 C2與C4值接近；3）(C1+C3)/2與(C2+C4)/2值接近；4）液壓缸行程短；平行四邊形法則可以避免各關鍵點出現速度矢量突變和應力值陡增，即連桿機構中的急回點和死點。

以5個不同B點分類，將25組參數分為5個小組，每小組根據平行四邊形法則篩選一個最優結構組合，即A4B0、A1B1、A2B2、A0B3、A4B4；分別對5組模型進行動力學分析[7,8]；由于5組模型E點合力值差異明顯，故施加滿載拖車自身和平臺車重力作用力在D點上方車身處以擴大A、B 及液壓缸驅動合力值，易于篩選最優模型。

表3 優化結果選擇

優化要求：舉升過程液壓缸行程小于350mm，液壓缸驅動合力小于1.5×103N、A點峰值小于1.0×105N、E點峰值小于5.0×103N，如表3所示，通過ADAMS仿真分析，選取A1B1舉升結構模型，相對于其他4組參數，A1B1使多邊形模型ABCD更趨于平行四邊形結構。

3 結構仿真

3.1 動力學分析

圖5 關鍵點合力曲線圖

在剛柔耦合模型中，施加作用力在滿載拖車重心處，設置液壓缸伸縮驅動函數為STEP(tim e , 0 , 0 , 2 , -0.32366 )+STEP( tim e , 2.2 , 0 , 4.2, 0.32366 )，即0-2秒為車身放下過程，2-2.2秒維持放下狀態不變，2.2-4.2秒車身升起，放下和舉升過程液壓缸行程均為323.66mm，過程互逆，如圖5所示，各關鍵點合力值處于同一數量級范圍（1.0×105~1.0×106區間），且舉升或放下過程合力變化平緩。

3.2 靜力學分析

表4 最大位移和應力最大值

不同時刻舉升結構最大位移和最大應力值如表4所示，舉升過程各時刻應力最小位置都在鋼梁與從動輪軸連接處（B點），應力最大位置都在鋼梁與液壓缸下鉸點連接處（C點），其值都小于35號鋼屈服強度315MPa結果符合設計要求。

4 結論

舉升結構依照平行四邊形法則進行設計，通過聯合仿真確定出舉升結構的最優模型，優化在舉升過程中關鍵點的合力值，使結構各關鍵點受力更為平均，合力值變化平緩，避免出現結構某點應力過于集中以及舉升過程不平穩等現象。

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