柔性液压挖掘机械的动力学仿真工控

柔性液压挖掘机械的动力学仿真

柔性液压挖掘机械的动力学仿真 2011： 一、前言 RecurDyn 软件是韩国FunctionBay公司的旗舰产品，是新一代的多体动力学仿真分析软件，它采用全新的运动方程理论和完全递归算法，计算极其快速稳定，非常适合于求解大规模的多体系统动力学问题，尤其是接触问题和柔性多体动力学问题。 RecurDyn 为用户提供许多方便使用的功能（如亲切的用户界面、丰富的函数库、子系统建模、图形分层等），建模快捷、方便、直观、准确。 RecurDyn软件与各类CAD/CAE软件及液压控制软件等均有非常良好的接口关系，且其高效的求解效率使得多软件联合仿真解决大规模问题和实时仿真成为可能。 由于软件在理论上的先进性、良好的建模界面及接口关系，在国内外获得充分肯定与认同，目前已广泛应用于航空航天、军事车辆、军事装备、工程机械、电器设备、娱乐设备、汽车卡车、铁道、船舶机械及其他通用机械等领域。 利用RecurDyn软件，建立起液压发掘机械“Zaxis200”的动力学模型。模型包含两条履带系统和底盘系统，并考虑了车架及履带系统中轮架的柔性变形。仿真分析了加速行进过坎的振动情况，通过与实际测量数据进行比较，模型的准确性得到有效验证。 二、建模 通常，液压发掘机械的履带系统并不象汽车一样有弹簧、阻尼一类的悬挂系统。变形主要集中在车架和履带系统中承重轮架上，因此准确的动力学仿真分析是有必要考虑它们的弹性变形的。RecurDyn动力学软件可以方便地与MSC/NASTRAN、ANSYS、I-DEAS等有限元分析软件接口，将有限元模型传递到RecurDyn软件中来，从而建立起含柔性零部件的刚柔耦合机械系统。本例中柔性体从MSC/NASTRAN中生成（见图1）。履带系统如履带片、承重轮、主动轮等为刚体（见图2），均由软件模板生成，建模非常快速有效。其他部分如配重、发动机体、驾驶舱等用等效的质量、惯量替代，与车架的链接采用相应的弹簧阻尼器以模拟橡胶特性。

图1 车架与轮架的FEM模型

图2 履带系统

图3 整机模型

三、行进过程的动力学仿真分析 耐久性测试是每个车型必须考核的标准项目，它的目的是考察每一零部件在振动和冲击作用下是否存在寿命缺陷。由于路面试验测试的周期长、费用极高，仿真分析就变得非常有意义了。但在进行零部件耐久性分析之前，我们必须先准确获取零部件受载的时间历程，即需要准确的动力学仿真分析。然而，对于这样复杂的动力学系统，以前的仿真分析难以给出令人满意的动力学结果，这使得耐久性性能只能通过试验才能确定。为了考察RecurDyn履带式液压发掘机械动力学仿真结果在耐久性分析上的可行性，本例对模型在加速过坎工况（见图4）冲击加速度进行了仿真。将结果在时间轴上拷贝，便可作为耐久性测试的载荷时间历程数据。

图4 过坎时的情况

图5给出了模型过坎时的过程，从这一过程中我们可以清晰地了解到履带与坎接触时的运动状况。为了考证仿真结果的准确性，在仿真的同时，还对实际物理样机进行了路测，二者结果非常吻合。

图5 履带过坎不同时刻的运动情况

本文仅提取出车体某处的振动加速度的仿真结果和实测结果，图6是它们FFT结果的对比，从对比可以看出，FFT变换后的幅值和频率分布均吻合良好，模型完全满足耐久性分析的数据要求。

a）仿真结果

b）实测结果 图6 FFT变换结果

四、挖掘过程的仿真分析 最近，公司对RecurDyn模型在挖掘过程（见图7）的动力学仿真正确性同样进行了验证。针对液压油缸各种不同运动组合形式，仿真分析了其各零部件之间的受载情况，仿真与试验测量结果对比同样有着良好的吻合度。图8是某个工况分析的载荷作用下车架的应力分布云图。

图7 挖掘过程

图8 车架的动应力云图

从图8可以看出，RecurDyn软件仿真结果同样可以用于动应力及强度校核的分析。 五、结论 仿真结果的加速度FFT变化结果无论是在频率分布上还是在幅值上均与实测结果非常吻合，证明RecurDyn软件在履带式液压发掘机械动力学仿真方面强大的功能优势。 由于履带式液压发掘机械动力学建模的复杂性，在此之前，即使是象Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. 这样的知名企业，也无法准确模拟仿真其动力学特性，但是采用RecurDyn软件后，动力学仿真技术在这一高度复杂系统上真正得到了实际的应用。并且，产品的质量在设计阶段就得到了有效的控制，产品的可靠性得到了更有效的保障，相信这项技术今后必将发挥更大的效能。

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