基于Pro/E和ADAMS的背罐車翻轉機構運動仿真及優化設計

陳子銀 楊海峰 李瑞鋒

摘要：采用Pro/E軟件對背罐車翻轉機構進行了三維建模，利用ADAMS軟件完成了運動仿真分析，同時對背罐車翻轉機構進行了優化設計。結果表明：優化后油缸最大舉升力為104 kN，仍發生在翻轉初始階段，相比優化前的120 kN減小了13.3%。油缸在翻轉時間約為27 s時刻油壓接近為0，優化后油缸最大拉力值由100 kN減小到72 kN，減小了28%。提高了翻轉機構的性能并改善翻轉油缸的工況，確保背罐車的翻轉機構工作安全性與可靠性。

關鍵詞：背罐車；運動仿真；優化設計；Pro/E；ADAMS

1 引言

背罐車翻轉機構作為工程專用車輛上裝部分的重要組成結構，在設計階段往往要耗費較多時間和精力，需要解決翻轉機構的位置分布和液壓油缸的選型等難題，同時由于翻轉機構對關鍵鉸點進行反復試驗，需要計算油缸最大舉升力、校核液壓缸行程、避免翻轉過程中干涉的問題以及考慮最大舉升角等都要重復進行，為了縮短設計開發階段所費時間，因此必然要借助于現代計算機輔助工程技術。背罐車翻轉機構承受復雜而集中的力，翻轉架各部位應力不斷變化，是影響背罐車工作可靠性和使用壽命的關鍵要素之一，因此背罐車翻轉架應具備良好的機械性能。目前背罐車翻轉機構設計多采用經驗設計和相似設計，沒有合理的、科學的理論依據，影響翻轉機構整體的機械性能，采用實驗的方法設計科學合理的背罐車翻轉機構會增加設計成本和延長產品開發周期。

為解決計算與傳統設計存在的不足，本文采用Pro/E建模軟件建立翻轉機構三維模型，并在Pro/E中進行虛擬裝配，而后將三維模型導入到虛擬樣機軟件ADAMS中，對翻轉機構進行運動學仿真分析，得到翻轉機構的動力學仿真結果。依據動力學的仿真分析結果，利用ADAMS軟件對背罐車的翻轉機構進行了參數化建模，并進行優化設計，在參數優化計算的結果中找出最優結果，從而設計出具有優良性能和較高工作效率的背罐車翻轉機構。

2 翻轉機構三維建模及裝配

準確的幾何模型是獲得精確仿真分析結果的基礎[3]，基于Pro/E軟件的拉伸、剪切和倒圓等功能分別建立副車架、翻轉架、托罐架、連桿機構及液壓缸等部分的3D模型。副車架作為翻轉機構的承載部分，應具有良好的強度和剛度，采用框架式結構，主要由多個橫梁和縱梁組成，整體通過連接件固定在底盤車架上，同時也是汽車各功能部件和安全防護裝置的載體。其3D模型如圖1所示。

翻轉架作為整個背罐車翻轉機構中受力最為復雜的部分，主要包括兩根開口相對的槽形鋼縱梁和兩塊橫梁板，其縱梁采用雙層焊接的結構形式，縱梁內槽為托罐架滾輪軌道，采用雙層結構有利于減小局部變形和應力集中，還可以增加截面的抗彎曲能力，其3D模型如圖2所示。

四個滾輪裝在托罐架兩側，利用滾輪實現在翻轉架縱梁內槽中滾動。裝卸罐體時托罐架與罐體之間依靠插罐板和托罐座來固定，其中插罐板位于托罐架前端兩側，托罐座呈圓弧面分布在托罐架四個角上。托罐架總體則采用方管焊接的框型結構來保證其具有足夠的剛度要求。另外，在托罐架后部的兩側，通過翻轉架部分與兩個伸縮液壓油缸相連接，其3D模型如圖3所示。

可以采用上述的建模方式，實現液壓缸部分與連桿機構的建模。通過Pro/E軟件的裝配模塊采用自底向上的裝配方法完成翻轉機構的整體虛擬裝配，在此基礎上進行裝配干涉檢驗和合理性檢查，有效避免樣車在試制過程中會出現的實際問題，3D裝配圖如圖4所示。

3 翻轉機構的運動學仿真

利用虛擬樣機技術可以實現模擬系統的運動，可實時再現各部件之間相互運動情況，進而獲取各構件和運動副的速度、位移和加速度等數據，可有效規避設計缺陷[4]，與此同時進一步優化設計方案。本研究在虛擬裝配的基礎上采用虛擬樣機仿真分析技術基于ADAMS軟件對背罐車翻轉機構進行運動學仿真，并根據仿真結果和對相關數據分析，在檢驗模型合理性的同時確定優化目標，為模型的參數化設計與優化提供理論依據[5]。

3.1 模型導入及前處理

在Pro/E軟件中對模型進行適當簡化并以Parasolid格式輸出，在ADAMS軟件中以同樣格式導入模型，如圖5所示。

模型導入ADAMS中后，在進行運動學分析前還須進行用布爾和操作合并固定件、定義和添加材料信息、修改構件顏色和名稱、添加運動副和驅動等前處理工作[6]。本模型進行適當簡化后直接導入的Model仍包含200多個Part，采用布爾操作后的翻轉機構組件基本分為副車架、翻轉架、托罐架、連桿機構、翻轉油缸和罐體6個主要構件。對組件的各個部分分別進行泊松比、彈性模量與密度等材料信息的定義是通過定義及添加材料信息實現的，可以直接選擇ADAMS軟件中已提供的一些常用基本材料外，也可以自定義新材料。

添加約束和驅動是為了完成運動學仿真，根據實際工況進行的固定副、旋轉副和滑移副等約束定義以及添加運動副的驅動和載荷。

3.2 仿真結果及分析

仿真計算后通過Postprocess模塊來完成仿真分析結果的運動曲線繪制及運動副上的位移、速度和加速度等數據分析和統計。油缸的行程隨時間變化曲線如圖6所示，罐體的質心位移隨時間變化曲線如圖7所示。可以看出，整個翻轉過程中隨角度增大，油缸活塞最大行程接近為1 500 mm，符合背罐車翻轉過程實際情況。而且機構模型承載部分罐體質心位移變化曲線大致呈拋物線狀態，高度值先增大后減小。

翻轉油缸的舉升力大小隨時間變化的曲線如圖8所示。可以看出，舉升力曲線變化相對比較平緩，沒有發生突變現象，在整個過程中舉升力由起初的推力減小逐漸變為拉力增大，變化曲線近似拋物線變化，其中最大舉升力位于起始狀態，約為120 kN。綜合上述數據可知翻轉機構虛擬樣機模型的仿真情況基本正確，與實際情況相符，并且翻轉過程中無運動干涉，從舉升力曲線圖中可以看出舉升力最大值仍比較大，曲線圖走勢也可以進一步減弱，具有很大的優化空間。

4 基于ADAMS的翻轉機構參數化設計與優化

4.1 參數化模型的建立

利用ADAMS參數化設計功能可以對現有方案進一步優化設計，從而獲得最優的設計結果[7]。由于其他三維建模軟件導入的模型不能夠在ADAMS中直接進行參數化計算，本研究虛擬樣機參數化模型的創建，是采用ADAMS中直接建模的方式進行翻轉機構的參數化設計實現的。建模過程中需定義設計變量，包括變量的名稱、類型、單元、標準值和變化范圍等，其中標準值即可設定為鉸點位置初始值，變化范圍定義則是為了觀察設計目標隨設計變量的變化情況[8]。完成設計變量定義之后，就可以根據翻轉機構實際模型，在不改變各主要部件的尺寸、位置和相對運動規律等基本原則下來建立樣機的簡化模型并完成參數化建模。

建立實體模型時，可以首先創建幾何點，對關鍵鉸點位置通過之前定義的設計變量來依次進行參數化處理，然后創建構件時選擇相關幾何點位置，將構件和以上幾何點進行關聯，從而參數化整體模型就可以通過參數化幾何點位置間接參數化油缸、連桿等構件實現。

4.2 優化設計

翻轉機構的運動特性是由各主要活動構件的尺寸和相對位置確定的，特別是相關鉸接點的位置尺寸，在一定范圍內改變鉸點位置會引起翻轉機構的性能改變，因而主要鉸點位置的優化也就是此次翻轉機構模型優化的關鍵所在[9]。ADAMS 對參數化模型的優化分析功能比較強大，主要方式包括設計研究、試驗設計和最優化計算[10-11]。本次優化共涉及6個設計變量，同時進行優化計算量較大，因而選用先分別對單個設計變量進行逐個優化，通過研究各設計變量靈敏值后選取靈敏度較高變量進行二次優化的方法。

4.3 優化結果分析

綜合設計研究階段和試驗設計階段的優化結果，得出翻轉機構主要鉸點位置的最終優化坐標見表1。

然后根據關鍵鉸點坐標的優化結果對參數化樣機模型相關數據進行修改，并結合副車架結構與翻轉機構進行微調，得到優化后的油缸舉升力曲線圖如圖9所示。

其中，優化后油缸最大舉升力為104 kN，仍發生在翻轉初始階段，但與優化前120 kN相比，減小了13.3%，油缸在翻轉時間約為27 s時刻油壓接近為零，接著由推力變小變為拉力增大階段，油缸最大拉力值優化后也由100 kN減小到72 kN，減小了28%。由此看出，優化后的油缸舉升力的變化幅度有明顯變緩且走勢較平，橫坐標與舉升力曲線之間圍成的面積已有明顯減小，也可以說明油缸在翻轉過程中做功量減小，優化后舉升力系數有所減小，舉升力變化曲線形狀更為接近理想油壓特性曲線，提高了翻轉機構性能并改善了翻轉油缸的工況，達到預期設計要求。

5 結束語

充分利用Pro/E軟件的強大建模功能，將創建好的三維模型導入到 ADAMS 中進行運動學仿真，并根據運動學仿真的結果進行優化，利用兩款軟件間優勢互補，實現可設計的科學性，提高了設計效率。根據仿真結果得知翻轉機構虛擬樣機模型的仿真情況基本正確，但翻轉油缸舉升力最大為120 kN，舉升力仍然較大，還具備相當大的優化空間。在運動學仿真的基礎上進行優化設計，得到優化后油缸最大舉升力為104 kN，較優化前減小13.3%，油缸的最大拉力值也由100 kN 減小到72 kN，減小了28%，優化后油缸舉升力變化幅度變緩，舉升力系數有所減小，舉升力變化曲線形狀更為接近理想油壓特性曲線，翻轉機構性能得到較大改善，達到預期設計要求。

參考文獻

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