液压模块挂车刚柔耦合仿真及振动实验分析.pdf

1 2 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 2期 2 0 1 3 年 2月 液压模块挂车刚柔耦合仿真及振动实验分析 武俊达， 董大伟， 闫兵， 孙玉华 西南交通大学 机械工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 针对车体的柔性特性对液压模块挂车动态的影响、 并提高仿真计算精度的问题。 运用A N S Y S建立车体有限元模 型并计算模态特征。 在多体系统动力学理论基础上， 将车体的模态中性文件导入 A D A MS 作为柔性体， 建立整车刚柔耦合 动力学模型。由路 面不平度时域激励信号对动力学模 型进行仿真 ， 结合挂车的结构振动试验 ， 从仿真计算与试验的结果 对比表明 所建立车体有限元与挂车刚柔耦合动力学模型具有一定的准确性。进一步分析在不同的运行工况如车度、 道 路等级对挂车动态响应及平顺性 的影响。 关键词 液压模块挂车； 有限元； 模态特征； 刚柔耦合； 动态响应 中图分类号 T H1 6 ； T P 3 9 ； U 4 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 2 0 1 2 2 0 5 Ri g i d -F l e x i b l e Co u p l i n g Si mu l a t i o n a n d Vi b r a t i o n E x p e r i me n t An a l y s i s f o r Hy d r a u l i c Mo d u l a r Tr a i l e r s W U J u n d a ，DONG Da - we i ， YAN Bi n g ， S UN Yu - h u a S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a A b s t r a c t A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f t h e i m p a c t offle x i b l e b o d y c h a r act e r i s t i c s t o d y n a mi c p r o p e r t i e s o f h y d r a u l i c m o d u l a r t r a i l e r s a n d t o i m p r o y e t h e acc u r acy o f t h e s i mu l a t i o n ， t h e fi n i t e e l e me n t m o d e l o f frame W as s e t u p i n A N S Y S and t h e m o d a l anal y s i s 邪 u s e d t o d e t e r m i n e t h e m o d al e i g e n v alu e s ofs t r u c t u r e ． T r a i l e r w a b u i l t ∞ r i g i d - fle x i b l e c o u p l i n g m o d e l b ase d o n mu l t i 一 6 o dy d y n am i c t h e o r y i n A D A MS ， w i t h t h e fram e o ft r a i l e r ， ∞fle x i b l e b o dy ， o b t a i n e d f r o m m o d a l n e u t r alfi l e o f fin i t e e l e me n t m o d e 1 ． R ig i d - fle x i b l e c o u p l i n g m o d e l w a s s i mu l at e d w i t h t i m e - d o m ain e x c i t at i o n s i g n al b y r o a d r o u g h n e s s ， a n d w h i c h W a S v e r ifi e d b y v i b r ati o n m e a s u r i n g e x p e r i m e n t ， a n d t h e r e s u l t s s h o w t h at t h e fin i t e e l e me n t mo d e l off r am e a n d t r ai l e r r i g i d - fle x i b l e c o u p l i n g m o d e l h a s c e r t ain acc u r a c y ． F u r t h e r a n al y z i n g i n d if f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s s u c h n s c a r d e g r e e s ． r o ad g r ade ， i t s i n flu e n c e t o t r ai l e r dyn ami c r e s p o n s e andt h e r i d e c o m f o rt ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c M o d u l a r Tr a i l e r s ； F i n i t e E l e me n t ； M o d a l Ei g e n v a l u e ； Ri g i d - Fl e x i b l e Co u p l i n g ； Dy n a mi c Re s - pon s e 1引言 随着工业发展的要求，大型设备及重型结构的运输需求量 增大， 其中液压模块挂车 简称 HM T 成为一种特大、 特重货物陆 路运输， 用于机械 ， 港口、 钢厂、 军事等领域。H MT车体是整车性 能的基本与关键部分， 具有纵向和横向尺寸大、 结构复杂及多自 由度振动结构等特点， 在被牵引行驶过程中受到来自路面不平度的 激励时 ， 会发生复杂的随机振动。 H MT整车是一种大型复杂空间结 构， 动力学方面的研究文献比较少， 常把各部分作为刚体而不考虑 柔性特 『生 对整车动态响应的影响l】1 。针对 H MT --WH T J ／ 5 0 0 T S J 型 ， 如图1 所示。 其主要技术参数， 如表 1 所示。 通过 A N S Y S 软件建立 车体有限元模型及其计算模态固有频率与振型。 运用多体动力学理 论及虚拟样机 A D A MS软件把车体作为柔lI生 体建立整车刚柔耦合 动力学模型。 根据路面等级的功率谱密度、 又考虑车速的因素， 利用 MA T L A B软件生成路面不平度时域的位移激励进行动态响应仿真 分析。从振动测量试验与仿真分析的结果进行校验， 评价车体有限 元与挂车刚柔耦合动力学模型的准确性。 2车体有限元模型的建立及模态计算 2 ． 1建立车体有限元模型 WH T J ／ 5 0 0 T S J 型的车体尺寸为 2 4 8 0 0 x 5 4 2 0 x 8 2 5 m m， 由4 个、 5个与6轴线式的纵向单元和 3 个、 6 个轴线式的横向半单元 及车头单元通过活络端梁拼接而成。纵向单元和横向半单元是网 格平板式由各别厚度的钢板结构焊接为箱形截面而成。 由于对象结 构复杂、 又考虑到未来划分单元的密度和质量 ， 对一些结构进行 了 简化 1 忽略一些结构上对车体强度和刚度影响不大的小孔、 螺栓 孑 L 、 过渡圆角等； 2 关于附属设备或非承载装备构件， 如液压管 路、 控制气压系统、 转向杆等， 它们的重量相对车体重量比较小， 可忽略。 采用板壳 S h e l l 6 3单元来划分车体网格， 材料属性设置为 Q 2 3 5 碳素钢。转向柱有两种， 采用梁单元 B e a m 4来模拟 主动转 向柱安装在车头单元， 另一种是被动转向柱， 安装在纵向和横向 单元的主梁。 车体跟其它构件连接处及旋转销连接结构采用有相 来稿 日期 2 0 1 2 0 4 0 4 基金项目 牵引动力国家重点实验室自主基金项目 一 重点类 2 0 1 1 T P L _ Z 0 2 作者简介 武俊达， 1 9 7 5 一 ， 男 ， 博士 ， 主要研究方 向 振动及动态响应分析 、 结构疲劳强度 ； 董大伟， 1 9 6 3 一 ， 男， 教授， 博士生导师， 主要研究方向 动力机械工程、 振动噪声控制、 内燃机故障诊断 第 2期 武俊达等 液压模块挂车刚柔耦合仿真及振动实验分析 1 2 3 当约束副的多节点约束与集中质量单元 Ma s s 2 1 来模拟，这些节 点在 A D A MS中作为外部节点用于跟其他刚性体连接口 。网格划 分后， 车体有限元模型共有4 0多万单元， 质量为 5 4 t 左右。 图 1装载 2 8 2 t 的 WH T J ／ 5 O O T S J 车型 Fi g ． 1 Wi t h l o a d i n g 2 8 2 t o f WHJ T／ 5 O O T S J Mo d u l a r Tr a i l e r s 表 1挂车的主要技术参数 T a b ． 1 Ma i n T e c h n ic a l Pa r a me t e r s o f Tr ai le r 参数 规格与数值 载重， 自重 轮轴式 轴距 转弯半径 满载车速 5 0 0 dl O 2 t 1 5轴线 3 轮轴 4 轮胎 8 ．2 5 R1 5 1 6 0 0 ram R ． - l S m 8 k n J h 2 - 2车体结构模态特征计算 用 B l o c k L a n e z o s 法[3 1 提取车体结构的全自由度固有频率模 态计算， 前 6阶模态振型， 如图2所示。 其固有频率， 如表 2 所示。 第一阶到第六阶模态为零， 是刚性体模态。 a 第七阶振 型 c 第九阶振 型 b 第八 阶振型 d 第十 阶振型 e 第十一阶振型 f 第十二阶振型 图 2车体的前 6阶模态振型 F i g ．2 T h e F i r s t 6 Or d e r Mo d a l S ha p e s o f Fr a me 表 2前 6阶模态 固有频率与振型描述 Ta b ． 2 F r e q u e n c y a n d Mo d a l Sh a p e s De s c r i p t i o n 3整车刚柔耦合动力学模型的建立 3 ． 1 AD A MS中的柔性体系统动力学理论基础 在柔性体上标记点从 P位置运动到 P ’ 位置， 其位置向量， 如 图 3 所示。 图3柔性体上标记点的运动学 Fi g ．3 Ki n e ma t i c s o f M a r k e r s o n F l e x i b l e Bo d i e s r s ／ t p 1 式中 P点在系 G中的向量 ； 一浮动坐标系曰原点在系 G系 中的向量 ， 的成分为 ， y ， z 是柔性体原点的广义坐标； 』 4 一从系 曰向系 G的转换矩阵称为方向余弦矩阵n 由欧 拉角 ， ， 咖 来实现； s 系 曰有原点指向未发生变形时 的 P点的向量； “ _ P 点在系 B变形的向量， 可用模态坐标 来表示 t t q 2 式中 模态矩阵的一部分 ， 是一个 3 x m 矩阵， m 模态的数 目； g 1 q ． ， q ， ⋯， q l 模态坐标的向量。柔性体的广义坐 标 ， 可表示 [ Y 0 q E x q ] 3 可对式 2 求对时间的一阶导数和二阶导数得到速度和加 速度的向量 s 4 戈 f 5 由第二类拉格朗日方程，可得到在广义坐标系的柔性体微 分运动方程日 肌 } [ 警 ] D 毋 ] a Q 6 式中 与K 一柔性体的质量和刚度矩阵； 态阻尼矩阵； - 柔性体的广义重力； 亭 ， ， 一柔性体的广义坐标及相应时间 导数； 一柔性体的质量矩阵对广义坐标的导数 ， 是一个 m 6 的张量； 一约束方程 ； A 一对于约束的拉格朗日方 程乘子。 求解方程 6 可求得外力作用下柔性体系统的所有广义坐 标、 各部件间约束反力时间历程等。带入运动学方程 4 、 5 可 得到任意点的广义速度、 加速度的运动学参数。 3 ． 2 HMT整车刚柔耦合动力学模型的建立 表 3算法的模态频 率对比 T a b ． 3 Mo d a l F r e q u e n c y Co mp ar i s o n o f Ca l c u l a t i o n Me t h o d s 1 2 4 机 械 设 计 与 制 造 No ． 2 F e b ． 2 01 3 在A N S Y S 软件中，运行程序命令生成柔胜体模态中性文件， 利用A D A MS ／ F l e x 模块导入创建车体的柔f生 体。 该方法的准确度将 取决于主自由度的选取， 选取集中质量较大或转动l贯 量较大但刚度 相对较低的位置及动力学模型中的连接位置为主自由度日 ， 车体主 自由度模态选取为5 0 0阶数。车体在频率范围5 0 H z 之内的前 2 3 阶全 自由度法和缩减 自由度法的模态频率对 比， 如表 3 所示。 可以看出选取的主自由度数目能够满足模型的准确度。由 于在 A D A MS中选取柔性体模态的阶数对分析时间及结果文件 大小有较大的影响， 选取模态阶数要考虑车辆在实际运行中受到 来自路面不平度的激励与测试的频率范围， 除前 6阶刚性模态以 外， 对车体柔性体选取从第 7阶至第 2 2阶模态。 图 4液压悬架静态分析简图 F i g ．4 S t a t i c L o a d An a l y s i s o f Hy d r a u l i c S u s p e n s i o n 采用 A D A Ms ／ H y d m u l i c 模块建立的 H M T液压回路系统时 省去了安全阀、 溢流阀、 换向阀等液压元件， 而只关心处于工作状 态的液压缸及液压管路 液压缸半径 R 8 0 m m，最大长度 7 2 0 m m； 液压油的体积弹性模量为 1 8 0 0 MP a I 。 由货物质量 G 与 车体质量 G 分别 2 8 2 t 与 5 4 t 及轮轴的数量得到每个轮轴受负 载， 从悬架静态分析， 如图 4 所示。计算得油缸初始压力P G 塑 - 9 ．81 732 4 8N ～ 。 刚柔多体动力学模型中，采用等效刚度及阻尼系数的弹簧 力元来代替 8 ． 2 5 R 1 5 型轮胎。 货物和悬架系统包括悬臂与摆臂采 用有相应的质量和惯量的刚性体来模拟。 为了描述车体和货物间 的连接， 可以通过二者问放置大刚度的弹簧力元来实现 。 根据实 际结构之间的连接方式采用相应约束库中的约束副， 柔性体跟其 他部件则通过无质量物体连接。该车的刚柔多体动力学模型， 如 图 6所示 图 6 H MT刚柔耦合动力学模型 F i g ．6 HMT Ri g i d - F l e x i b l e Co u p l i n g Dy n a mi c Mo d e l 3 ． 3路面时域激励及加载 运用 MA T L A B软件编制相应程序 ， 仿真得到 的路面不平度 曲线 ， 如图 7所示。 图 7 B级道路时域不平度 曲线 F i g ．7 Ti me Do ma i n Ro a d R o u g h n e s s C u r v e o f B Gr a d e 4 H M T振动测试及仿真的结果相 比 7 4 ． 1 HMT振动测试 尸 1 1 ． 5 N ／ m m 8 1 r R‘ 盯R‘ s i nl 2 油液流动是形成液压系统动载荷 的主要原 因， 根据l l l可通过 简化 的双油缸系统进行分析 ， 如图 5所示。可以求得液压动载时 系统最大压力 p A p p 1 誓 9 式中 △ P 一动载荷压力升高值 ； p 一油液密度； c 一冲击波在油 管中的传播速度，可以依据液压油的体积模量和管道内径 及壁厚计算出， 一般 c 值为 8 9 0 m ／ s 到 1 2 7 0 m ／ s 。 对于多轴多 缸系统可以由此式推断出。 液压回路系统中， 把前 5 个轴线 的 1 5个油缸打通，后 1 0个轴线的 3 0个油缸分为左右两 组， 分别打通， 则得到一个 3点支撑的平面液压回路系统。 酉 霪 图 5双油缸系统 F i g ．5 Do u b l e Hy d r a u l i c Cy l i n d e r s S y s t e m 在 H MT悬架及车体的不同位置上进行振动测量试验， 从振 动角度验证有限元模型与刚柔多体动力学模型的准确性。H MT 装载货物， 如图 1 所示。在运行时被同定在车体的装载平板上通 过两个主支承件 。测试现场是在T厂 ， 路面面层以水泥混凝 土可 相应 B等级路面。测试系统主要 由丹麦 B K振动测量 系统包括 电荷放大器 、 加速度传感器及多通道高频 A ／ D采集组成， 如图 8 所示。传感器为垂向加速度测量式； 采样时间为2 5 s ； 采样频率为 1 0 K； 截止频率为 2 ～ 1 0 0 0 K ； 最大稳定车速为 8 k m ／ h 。 测点 1 、 2和 3分别在第 5 轴线上的 个摆臂轴头位置处 ； 测点 4 到测点 8在 车体的装载平板上如图 9与图 l O 所示。在车速相对稳定的时间 范围， 选取测试信号范围从 5 2 0 s 进行振动频谱分析 ， 得到各 个测试点的频域曲线， 如图 1 1 所示。 图 8测试仪器系统及数据处理 F i g ． 8 Ex p e r i me n t a l I n s t r u me n t a t i o n S y s t e m a n d Da t a P r o c e s s i n g 1 2 6 机 械 设计 与 制造 No ． 2 F e b ． 2 01 3 围值大于仿真结果。可能是试验时， 同一个轴线每轮轴受来自路 面不平度激励是不一样的， 另外实际情况中部件之间的接触面是 有缝隙的。除了I I 区， 试验的最大幅值也大于仿真结果。三个液 压缸组 的液压压力变动 ， 如图 1 3 所示 。 冀一 a 前 1 5个液压缸组 9 8 7 6 5 4 O 0． 0 1 ． 0 2 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 6 0 7． 0 8． 0 9． 0 1 0． 0 T i m e s e c b 后右边的 l 5 个液压缸组 0 1 0 2 ．0 3 ．0 4 ．0 5 ．0 6 ．0 7 ．0 8 ．0 9 ． 0 1 0 ．0 T i me s e c c 后左边的 1 5个液压缸组 图 l 3不同液压缸组的液压压力变动曲线 F i g ． 1 3 Hy d r a u l i c P r e s s u r e F l u c t u a t i o n Cu r v e s o f Di f f e r e n t Hy d r a u l i c C y l i n d e r Gr o u p 5不同运行工况对该车的仿真算例 按 G B 7 0 3 1 8 6 标准提供的 A级， B级和 C级路面数据， 以上 述的路面不平度时域激励及加载方法，由车速为 2 ． 2 m ／ s ； 3 ． 0 m ／ s ； 3 ． 6 m ／ s 与 4 ． 4 r n ／ s 生成相应 1 2 个路面不平度激励曲线，对刚柔耦 合动力学模型进行仿真计算。 一般常用加速度均方根值 R MS 来 评价车辆的动态响应及平顺性， 另外， 动载荷系数也通过加速度 均方根值来计算 ，1 RMS n 1 0 从仿真计算结果得到车体质心点和第八轴线的第二个摆臂 简称为摆臂 8 ～ 2 质心点的垂向加速度均方根值， 如图 1 4 、 图 1 5 所示 。 车速 m／ s 图 1 4车体质心的加速度 RMS 值 F i g ． 1 4 Ac c e l e r a t i o n RMS o f F r a me Ce n t r o i d 羹 蚓 量 车速 m／ s 图 l 5摆臂 8 2 质心 的加速度 RMS 值 F i g ． 1 5 A c c e l e r a t i o n R MS o f S w i n g A n n 8 - 2 C e n t r o i d 6总结 从仿真计算结果， 再通过振动实验校验， 可得出以下结论 1 所建立的模型包括车体有限元与挂车刚柔耦合动力学模型具有一 定的准确 ， 该模型能够反映实际整车及车体部件的振动特眭。可 采用模型对该车作进一步研究分析； 2 在整车动力学模型中的液 压回路系统， 虽然已省去了一些液压元件， 但能够执行系统的职能 及保证基本部分的工作状态； 3 从仿真计算结果表明， 随着车速与 路面不平度的增加， 挂车的动态响应及平顺性变差； 4 仿真计算结 果与试验测量数据有一些差别， 除了上面已提及， 还可能来自 模型 中选用的结构参数值与实际参数值之间存在一定偏差；除了车体， 其他构件都不考虑柔性体特性的影响； 激励仿真曲线与实际路面不 平度也有偏差； 建立有限元模型与动力学模型时已进行简化等。 参考文献 [ 1 ] 陈黝生．组合挂车液压悬挂动载荷分析[ D ] 上海 同济大学， 2 0 0 7 3 5 0 ． Ch a n L i a n g s h e n g ． An a l y s i s o f d y n a mi c l o a d o n h y d r a u l i c s u s p e n s i o n s y s t e m o f a s s e m b l e d t r a i l e r[ D] ． S h a n g h a i T o n g j i U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 3 - 5 0 ． [ 2 ] 王超 ， 高秀华 ， 张小江 ， 等． 多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析[ J ] 肌 械设 计与制造 ， 2 0 1 1 1 1 2 0 2 - 2 0 4 ． Wa n g C h a o ，G a o X i u h u a ， Z h a n g Xi a o - j i a n g ，e t a 1． R i g i d fl e x i b l e c o u p l i n g a n a l y s i s f o r s t e e r i n g s y s t e m o f m u l t i a x l e v e h i c l e [ J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 l 1 1 2 0 2 - 2 0 4 ． l 3 J He n k A． v a n d e r V o r s t ． C o m p u t a t i o n a l Me t h o d s for L a r g e E i g e n v a l u e P r o b l e m[ M] ． H a n d b o o k o f N u me r i c a l An a l y s i s P r e s s ， 2 0 0 2 8 3 - 1 7 9 ． [ 4 ] 邢俊文． MS C ．AD A MS F l e x 与 A u t o F l e x培训教程 [ M] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 6 1 8 5 1 9 9 ． X i n g J u n - w e n ． MS C ．A D AMS F l e x a n d A u t o fl e x T r a i n n i n g G u i d e [ M] ． B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 6 1 8 5 1 9 9 ． [ 5 ] 包学海 ， 池茂儒 ， 卢耀辉 ， 等． 基于子结构法 的车辆系统 刚柔混合动力 学建模方法研究 [ J ] _铁道机车车辆 ， 2 0 0 9 ， 2 9 3 8 - 1 1 ． B a o X u e h a l ，C h i Ma o r u ， L u Y a o h u i ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n v e h i c l e s y s t e m d y n a mi c s mo d e l o f r i g i d- fl e x i b l e mix t u r e b a s e d o n s u b s t r u c t u r e me t h o d [ J ] ． R a i l w a y L o c o mo t i v e ＆C a r ， 2 0 0 9 ． 2 9 3 8 1 1 ． l 6 j He r b e r t E ． Me r r i t t ． H y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e ms [ M J ． J o h n Wi l e y S o n s I n c P r e s s ，1 9 6 721 2 5 ． [ 7 ] 谢云叶． D 3 2平车刚柔系统动态响应及凹底架疲劳强度研究 [ D] ．北 京 北京交通大学 ， 2 0 0 9 8 1 - 8 5 ． X i e Yu n y e ． S t u d y o n d y n a mi c r e s p o n s e o f D 3 2 fl a t c a r r i g i d - fl e x i b l e s y s t e m a n d f a t i g u e s t r e n g t h o f d e p r e s s e d c e n t e r fl a t fl a me [ D] ． B e ij i n g B e ij i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 9 8 1 - 8 5 ． [ 8 ] 刘献栋 ， 邓志党 ， 高峰．公路路面不平度的数值模拟方法研究[ J ] ． 北京 航空航天大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 9 9 8 4 3 8 4 6 ． L i u X i a n d o n g ， D e n g Z h i - d a n g ， G a o F e n g ． R e s e a r c h O il t h e me t h o d o f s i m u l a t i n g r o a d r o u g h n e s s n u me r i c a l l y [ J ] ． J o u r n a l o f B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ， 2 0 0 3 ， 2 9 9 8 4 3 8 4 6 ． [ 9 ] 桂水荣， 陈水生 ， 唐志军． 基于 F o u r i e r 逆变换法 的桥面不平度模拟及 测试分析[ J ] ．公路工程 ， 2 0 0 7 ， 2 3 6 3 9 4 3 ． G u i S h u i r o n g ， C h e n S h u i - s b e n g ， T a n g Z h i - j u n ． N u me r i c a l s i m u l a t i o n b a s e d o n f o u r i e r i n v e rse t r a n s f o r m a n d a n a l y s e o f t e s t i n g o f r o a d s u r f a c e r o u g h n e s s o n b 6 d g e [ J ] ． Hi g h w a y E n g i n e e r i n g ． 2 0 0 7 ， 2 3 6 3 9 4 3 ． 一 * * g叠， 【1 0 _ 事 0 口一 岂 ∞ ∞ 一 * 鲁 吕， 【1 0 0 一 0 鲁∞ ∞ 0 I d * * 鲁昌 暑； ‘一 0 皇窭皇