車廂可卸式垃圾車拉臂系統的剛柔耦合仿真分析*

樊智敏，鄭賢哲，王 娜，石 文

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

0 引言

車廂可卸式垃圾車是一種便捷、高效的垃圾運輸車輛，可以很方便地實現垃圾箱自動裝卸和垃圾自卸的功能，廣泛適用于城市街道、學校的垃圾處理。隨著我國環保意識的加強以及對生活環境質量的重視，對車廂可卸式垃圾車的需求量逐年增加。針對車廂可卸式垃圾車拉臂系統變負載、多工況的工作特點，研究者通過有限元分析軟件進行靜強度剛度分析的傳統方法已不能滿足產品設計的要求:①難于確定計算所需的危險工況的邊界條件;②沒有考慮動載對靜強度分析的影響。剛柔耦合分析是多體動力學與有限元相結合的技術，是CAE 技術發展的方向。在車廂可卸式垃圾車結構設計中采用剛柔耦合分析方法，能夠動態分析各種工況中的應力應變，同時也可以向后續的結構優化提供更準確的載荷預測數據［1-2］。

筆者以5 t 車廂可卸式垃圾車拉臂系統為研究對象，使用ADAMS 軟件和ANSYS 軟件聯合仿真，建立拉臂系統的剛柔耦合動力學模型，通過仿真分析，實現滿載裝卸工況下的動力學強度分析。

1 多柔體系統的動力學理論

多柔體系統動力學研究對象是由有大量剛體和柔性體相互連接組成的系統，其研究方法一般是在多剛體系統動力學的基礎上，對系統中的剛體進行柔性化處理。由于導入到ADAMS 中的拉臂系統三維模型被默認為多剛體系統，若想得到拉臂在滿載裝卸工況下的應力、應變的動態變化規律，需要將拉臂在ANSYS中進行柔性化處理，并在ADAMS 中進行剛柔替換，得到剛柔耦合模型。根據柔性動力學理論，本研究采用模態集成法建立柔性體拉臂的動力學方程［3-4］。假設局部坐標系的位置采用慣性參考系中的笛卡爾坐標X=(x，y，z)，歐拉角α=(ψ，θ，φ)和模態坐標q=(q1，q2，…，qn)(其中，n 為模態坐標數)來表示，則柔性體廣義坐標的位置可表示為:

式中:x，y，z—局部坐標系相對于整體坐標系的空間位置坐標;ψ，θ，φ—局部坐標系相對于整體坐標系原點的歐拉角;qj—第j 階模態振幅的振型分量。

由于柔性體是由離散化的有限個節點自由度來表示物體的無限多個自由度，這些節點的線性局部運動可以近似的用少量模態振型或模態振型向量的線性疊加來表示。由此可得柔性體節點i 的位移向量為:

式中:A—柔性體局部坐標系到慣性參考系的轉換矩陣，si—柔性體節點i 在局部坐標系中未變形時的位移，φi—柔性體節點i 的移動自由度模態矩陣子塊。

通過對節點i 的位移向量求一階導數和二階導數，可以得到第i 點的速度向量和加速度向量，從而得到柔性體的動能和勢能分別為:

通過以上運動學關系，柔性體的運動方程可以從下列拉格朗日方程導出:

式中:L—拉格朗日函數，L=T－V;Γ—能量耗散項;Ψ—約束方程;Q—與外力對應的廣義力。

最終根據拉格朗日乘法建立柔性體拉臂的運動微分方程為:

式中:K—模態剛度矩陣;D—模態阻尼矩陣;Kξ—物體內部由于彈性變形產生的廣義力;Dξ—物體內部由于阻尼運動產生的廣義力;fG—重力。

2 拉臂系統虛擬樣機模型建立

2.1 拉臂系統剛柔耦合建模

拉臂系統剛柔耦合運動仿真流程如圖1 所示。在車廂可卸式垃圾車拉臂系統剛柔耦合分析中將拉臂作為彈性體進行柔性化處理，將翻轉架、鎖緊架、副車架等作為剛體仿真模型。

圖1 剛柔耦合運動仿真流程

根據5 t 車廂可卸式垃圾車拉臂的結構特性和ANSYS 軟件對單元特性的要求，本研究選擇shell63 單元與mass21 單元創建拉臂裝配體的有限元模型，在添加約束的位置創建剛性區域，得到拉臂模態中性文件(* .MNF)。

拉臂裝配體的有限元模型如圖2 所示。

其中，有限元模型材料屬性設置如下:彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 801 kg/m3。

本研究在ADAMS/View 中建立車廂可卸式垃圾車拉臂系統的ADAMS 多剛體系統模型，然后將柔性化的拉臂裝配體模型導入到ADAMS/View 中進行剛柔替換處理［5-10］，得到其剛柔耦合模型如圖3 所示。

圖2 拉臂裝配體有限元模型

圖3 拉臂系統剛柔耦合模型

2.2 運動副間約束和驅動的添加

在ADAMS/View 中，拉臂與舉升油缸、拉臂與翻轉架、舉升油缸與副車架、翻轉架與鎖緊架、翻轉架與副車架尾軸、鎖緊油缸與鎖緊架、鎖緊油缸與副車架后梁油缸支座之間，均采用平面轉動副進行約束;舉升油缸筒與活塞桿、鎖緊油缸筒與活塞桿均采用平面移動副進行約束;副車架采用固定副與大地進行約束;箱體縱梁與副車架導向輪、箱體滾輪與地面(混凝土)、鎖緊架與箱體底部設置碰撞接觸力進行約束。

驅動采用step 函數，添加在油缸移動副上。舉升油缸:step(time，0，0，35，870)+step(time，40，0，55，－300)。鎖緊油缸:step(time，35，0，40，90)［11-12］。

3 仿真結果分析

仿真分析時，筆者設置車廂可卸式垃圾車所配垃圾箱滿載質量為5 000 kg;副車架導向滾輪與垃圾箱底部縱梁、垃圾箱滾輪與地面(混凝土)的靜摩擦因數分別為0.15 與0.08，動摩擦因數分別為0.1 與0.05，等效接觸剛度為2×106 N/mm，等效阻尼為180 kg/m·s，接觸點法相穿透深度為0.1 mm，冪指數為2.2，設置仿真工作步長為0.01。

3.1 油缸作用力分析

滿載裝箱時油缸作用力變化曲線如圖4 所示。由圖4 可見，滿載裝箱開始瞬間，舉升油缸活塞桿收縮，油缸作用力迅速增大;當垃圾箱箱體前輪與地面分離時(拉臂轉角為40.1°)，由于箱體滾輪與地面的碰撞接觸力、摩擦阻力和慣性力的作用，舉升油缸作用力產生波動;隨著垃圾箱箱體被吊起，舉升油缸作用力開始下降;當垃圾箱箱體底部縱梁接觸到副車架上導向滾輪時，舉升油缸作用力突然增加(拉臂轉角為104.2°)，隨后又開始下降;同時由于箱體底部縱梁與導向滾輪之間的碰撞沖擊作用，使得舉升油缸作用力產生波動;當拉臂轉角為141.2°時，由于滿載垃圾箱重力的作用，舉升油缸作用力方向開始變化，直至增大到另一個峰值。

圖4 滿載裝箱時油缸作用力變化曲線

舉升卸料時油缸作用力變化曲線如圖5 所示。由圖5 可見，滿載裝箱開始瞬間，舉升油缸活塞桿伸出，油缸作用力瞬間增大;隨著垃圾箱箱體被舉起，舉升油缸作用力開始下降。由于滿載箱體在舉升過程中的慣性力作用，舉升油缸作用力產生波動。由圖4、圖5 可知，舉升傾卸垃圾時舉升油缸最大作用力大于滿載裝箱時舉升油缸最大作用力。

圖5 舉升卸料時油缸作用力變化曲線

3.2 拉臂作用力分析

滿載裝箱時拉臂鉤作用力變化曲線如圖6 所示。由圖6 可見，滿載裝箱開始瞬間，由于箱體與地面的摩擦阻力和慣性力的作用，拉臂鉤作用力突然增大;當垃圾箱箱體的前輪與地面分離后(拉臂轉角為40.1°)，拉臂鉤作用力小幅度減小;當箱體底部縱梁接觸到副車架上導向滾輪時，由于箱體底部縱梁與導向滾輪之間的碰撞沖擊作用，使得拉臂鉤作用力產生較大波動;隨著垃圾箱箱體逐漸被放置到副車架上，拉臂鉤作用力不斷減小。

圖6 滿載裝箱時拉臂鉤作用力變化曲線

滿載裝箱過程中拉臂與活塞桿連接鉸鏈點作用力曲線如圖7 所示。從圖7 可見，滿載裝箱開始瞬間，鉸點作用力突然增大;當垃圾箱箱體前輪與地面分離后，鉸點作用力迅速下降，當垃圾箱箱體底部縱梁接觸到副車架上導向滾輪時，鉸點作用力增加，之后逐漸減小;當拉臂轉角為139.2°時，鉸點作用力又開始增加。

圖7 滿載裝箱時拉臂與活塞桿連接鉸鏈作用力變化曲線

3.3 拉臂強度分析

本研究在ADAMS 中，通過對車廂可卸式垃圾車拉臂系統的剛柔耦合仿真分析，可得到拉臂滿載裝卸過程中的應力、應變的動態響應。由聯合仿真結果可得，在垃圾箱箱體底部縱梁接觸到副車架導向滾輪且車廂后輪離地時(拉臂危險工況狀態圖如圖8 所示)，拉臂裝配體應力、應變出現最大值。

圖8 拉臂危險工況狀態圖

在該工況時拉臂裝配體的應力與應變分布云圖分別如圖9、圖10 所示。

圖9 拉臂應力分布云圖

圖10 拉臂變形云圖

由圖9、圖10 可知，在滿載作業過程中，拉臂裝配體結構的最大應力發生在拉臂拐彎處，最大Von-Mises stress 為216.22 MPa，最大Von-Mises strain 為2.73 mm。拉臂由低合金鋼板焊接而成，該材料的屈服極限為345 MPa，計算安全系數n=345/216.22=1.59。因此，該結構能夠滿足滿載裝卸工況下的強度要求。

4 結束語

基于ADAMS和ANSYS 軟件，本研究采用shell63單元與mass21 單元，建立了車廂可卸式垃圾車拉臂系統剛柔耦合動力學模型，通過仿真分析拉臂系統在滿載裝箱和舉升卸料過程中的動態響應，得出了其滿載裝卸工況下的油缸力、拉臂作用力以及拉臂應力、應變的動態變化規律。

該研究為車廂可卸式垃圾車拉臂系統的進一步結構優化提供了可靠依據，對于產品設計開發、結構性能改進具有較為重要的指導意義。

［1］孟祥德，詹雋青，李立順.自裝卸系統虛擬樣機設計與仿真分析［J］.現代制造工程，2007(1):47-49.

［2］王 承，吳 森，汪新云，等.基于虛擬樣機技術的自卸車舉升機構仿真與優化［J］.武漢理工大學學報:信息與管理工程版，2003，25(3):78-80.

［3］陳佑方.柔性多體系統動力學［M］.北京:高等教育出版社，1996.

［4］仲 昕，楊汝清，徐正飛，等.多柔體系統動力學建模理論及其應用［J］.機械科學與技術，2002，21(3):387-389.

［5］LIU A Q，LIEW K M.Non-linear substructure approach for dynamic analysis of rigid-flexible multibody system［J］.ComputerMethodsin Ap-pliced Mechanics and Engineering，1994，114(3):379-396.

［6］李富柱，郭玉琴，何成文，等.裝載機工作裝置剛柔耦合運動學動力學分析［J］.計算機仿真，2007，24(10):304-306.

［7］趙麗娟，馬永志.剛柔耦合系統建模與仿真關鍵技術研究［J］.計算機工程與應用，2010，46(2):243-248.

［8］劉楷安，李秋菊，姜學壽.剛柔耦合的提梁機主梁結構仿真研究［J］.現代制造工程，2011(5):76-80.

［9］陳露豐，寧曉斌.液壓挖掘機工作裝置的動態強度仿真分析［J］.機電工程，2013，30(8):924-928.

［10］SAKAI M，AMAZAKI Y，EIYAMAGUCHI S，et al.Mechanical analysis of organic flexible devices by finite element calculation［J］.Physica Status Solidi (a)，2014，211(4):795-799.

［11］白麗平.基于ADAMS 的機器人動力學仿真分析［J］.機電工程，2007，24(7):74-77.

［12］陳峰華.ADAMS 2012 虛擬樣機技術從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2013.