防爆工程車剛-柔耦合虛擬樣機關鍵技術研究

饒俊良 ， 汪達勇

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州213023；2.南昌礦山機械研究所，南昌330013；3.江西機電職業技術學院，南昌330013）

0 引言

防爆工程車是現代煤礦輔助運輸的主要設備，常用于運輸井下所需的鐵絲網、皮帶、混凝土、煤矸石等物料以及各種設備［1-2］。防爆工程車作為一種礦用車輛，結構比較復雜，是一個由多剛體系統和多柔體系統組成的剛-柔耦合的多體系統，只有在對其關鍵系統和部件進行充分研究的基礎上才能建立合理有效的虛擬樣機模型。

1 多體系統理論分析

多體系統一般是指由一些通過一定的幾何約束和運動關系聯接在一起的部件組合而成的一個能完成一定機械功能的系統。在這個系統中不會發生變形的一些部件可以認為是剛性系統，而一些部件在工作中會發生彈性變形的則認為是柔性體，它們共同組成了剛-柔耦合的多體系統。

1.1 多剛體動力學理論

多剛體系統動力學以剛性體為研究對象，解決的是由多個剛性體組成的系統的動力學問題。多剛體系統運動方程可通過條件極值法建立為：

式中：f（q，t）=0為完整約束方程；g（q，q˙，t）=0為非完整約束方程；P為對應完整約束的拉氏乘子列陣；μ為對應非完整約束的拉氏乘子列陣；Q為廣義力矩陣；T為系統能量；q為廣義坐標陣列。

系統能量T又可以表示為

式中：M為廣義質量列陣；v為廣義速度列陣；I為廣義轉動慣量列陣；w為廣義角速度列陣。

1.2 柔性體動力學理論

柔性體動力學的研究可以在剛性體動力學的基礎上進行擴展，一般可應用離散法和有限元法分析，柔性體運動方程可通過拉格朗日乘子法建立為

式中：K、D為分別為模態剛度、模態阻尼矩陣；Kξ、Dξ為分別代表物體內部由于彈性變形和阻尼引起的廣義力；Q、ψ為對應于外力的廣義力；λ為對應于約束的拉格朗日乘子；fg為廣義重力。

2 剛-柔耦合虛擬樣機關鍵技術

2.1 輪胎建模技術

防爆工程車輪胎選用的是實心填充輪胎，主要是由橡膠、簾布層和聚氨酯填充物等材料復合而成，具有可變形性、彈黏性和各向異性。防爆工程車通過這樣的4個輪胎支撐起來，輪胎在車輛行駛中不僅可以作為柔性單元減少路面起伏與顛簸對車輛的沖擊和振動，同時還可通過驅動力矩帶動車輛的行駛。

在ADAMS/Tire中常見的輪胎仿真模型有Fiala輪胎模型、Magic Formula輪胎模型、UA 輪胎模型等［3］。根據實際工程情況分析，防爆工程車建模選用UA輪胎模型［4］，該模型將輪胎離散化為若干個彈性單元，每個彈性單元同時可以承受垂直方向、水平方向和側向方向的作用力，該模型能夠較準確和全面地仿真出輪胎的實際特性。

在ADAMS里調入輪胎模型文件(具有輪胎特性數據的tir文件)，定義輪胎力、輪胎的中心和方向；設置輪胎的垂向剛度為3 550 N/mm，滾動阻力系數為0.03，滑動阻力系數為0.75。將4個輪胎放置在防爆工程車的相應位置，定義約束和自由度以及驅動車輛的旋轉力矩，即可生成ADAMS仿真輪胎模型。

2．2 板簧建模技術

防爆工程車驅動橋通過鋼板彈簧作為懸架彈性單元與車架進行聯接。鋼板彈簧是車輛懸架方式中比較常見的一種，能起到減震和減少沖擊的作用；通常是根據載荷的不同由不同數量的長條形彈性合金鋼片組合而成。前后鋼板彈簧因為車輛前后載荷的分布不同而具有不同的剛性。結構簡圖如圖1所示。

圖1 車輛懸架結構簡圖

圖2 懸架簡化模型

防爆工程車在行駛中各位置承受的載荷主要是垂直方向的分力，其余方向的分力較小，可以忽略不計。因此對鋼板彈簧進行分析時也只需要考慮它在垂直方向的受力和變形，所以鋼板彈簧可以簡化為由兩個只有垂直方向作用的彈簧單元并聯的并與車輛車架相聯接的簡化模型，如圖2所示。

研究的對象車型采用的前、后板簧參數分別為K1=K2=681 N/mm。彈簧并聯的總剛度為各個彈簧的剛度之和，也就是 。計算可得剛度K=1362 N/mm。所以根據實際的車型情況，簡化后的前、后彈簧長度分別為315 mm和220 mm。在ADAMS中用柔性體構件替換對應的原剛性模型部分就可以完成剛柔耦合建模［5］。

2.3 路面建模技術

防爆工程車在煤礦中行駛在不同等級情況的路面上，由于路面的顛簸起伏，車輛會受到沖擊載荷與振動的不良影響，在進行虛擬樣機仿真時，需要充分考慮路面的不平度情況對路面進行合理的建模。路面不平度一般通過路面功率譜密度來定義，縱向路面不平度模型如圖3所示。

可按照GB4970-1985汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法的規定，創建C級礦山等級路面。路面模型在ADAMS中采用文本形式的文件進行描述，參照GB5902-1986汽車平順性脈沖輸入試驗方法中的規定，一般采用三角凸塊組建路面模型，也就是由若干個三維三角形平面組成虛擬路面，如圖4所示。在三維坐標中有若干個節點，它們之間的連接平面組成了路面模型的離散單元，這些單元的法線朝上，三維坐標x′代表路面的寬度尺寸，y′、y′分別代表橫向尺寸和垂直尺寸，將每個離散單元的三個節點設定好即可組成完整的三維路面模型，然后再設定好路面模型的靜摩擦與動摩擦因數，導入ADAMS生成為仿真所需的路面三維模型。

圖3 路面不平度模型

圖4 三維等效容積路面

3 結語

根據防爆工程車的結構特點，將防爆工程車分為剛性體系統和柔性體系統進行研究，在對剛性體系統和柔性體系統進行動力學分析的基礎上，針對防爆工程車虛擬樣機仿真模型建立中的難點問題，對系統中的輪胎、板簧以及路面模型進行了分析和建模，為同類型車輛的虛擬樣機建模提供了理論參考。

［1］ 肖登紅，王俊元，曾志強，等.防爆膠輪車動態特性研究［J］.工程設計學報，2011，18（1）：23-27.

［2］ 曾志強，馬維金，王俊元，等.防爆膠輪車車架輕量化設計研究［J］.機械設計與制造，2011（12）：19-21.

［3］ 陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［4］ 石濤.鉸接式無軌膠輪車車架動態特性研［J］.煤礦機械，2013，34（5）：79-81.

［5］ 徐素霞，文學洙.基于剛-柔耦合模型的液壓挖掘機動力學仿真研究［J］.機械工程師，2014（3）：91-94.