120吨重型平板车动力学仿真及结构优化.pdf

中图分类号T H 2 2 8 U D C6 2 1 硕士学位论文 学校代码 Q 至三三 密级 公珏 12 0 吨重型平板车动力学仿真及结构优化 1 ’1。 “ L u l a t i r a r e p t i m i z a t i o n D y n a m i c s s i m u l a t i o na n dS t r u c t u r eo o t i m i z a t i o n o f12 0t o nP l a t f o r mV e h i c l e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 潘珏承 机械电子工程 工程车辆技术 机电工程学院 李力 论文答辩日期．三呈堡』 z 答辩委员会主席二鲻 中南大学 二。一三年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名筮堕章 日期韭年』月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务 储繇盗碎导师签名盘吼韭年』月上日 1 2 0 吨重型平板车动力学仿真及结构优化 摘要重型平板车是钢厂等运输的关键设备，在物流运输过程中起着 重要作用。本文所研究的P T l 2 0 重型平板车在鞍钢、宝钢等公司均投 入使用，其研究具有重要的现实意义。该重型平板车载重量大，对悬 挂系统稳定性、转向系统协同性、关键部件受力等要求均较高。车辆 实际工作时出现V 型推力杆断裂，部分轮胎磨损严重等问题，因此 有必要对该类重型平板车的整车及关键部件进行深入的研究及动力 学分析，使其结构更加合理，运输过程中更加安全、稳定、高效。本 文以此背景展开，具体工作和结论如下 1 、基于多刚体动力学理论，并利用A D A M S 仿真软件，对整车 仿真成败关键的轮胎模型进行了深入分析，并最终建立起重型平板车 多刚体动力学仿真模型。开展车辆平地满载工况速度性能仿真研究， 得到车辆最大速度。 2 、利用A M E S i m 软件，建立重型平板车悬挂系统及转向系统的 液压仿真模型。突破A D A M S 与A M E S i m 软件接口技术，建立起重 型平板车机械系统和液压系统的联合仿真模型。 3 、开展重型平板车平地直线、爬1 0 ％坡、正常行驶转向三种工 况下A D A M S ．A M E S i m 联合仿真，获知重型平板车的爬坡性能、转 向性能、行驶平顺性，并获得整车及关键部件的动力学和运动学结果。 仿真结果表明，重型平板车运动学和动力学结果曲线反映了车体的实 际行驶状况，表明其建模和仿真正确，可为车辆的结构优化提供参考。 4 、针对转向系统现有问题，利用A D A M S 参数化仿真技术，对 现有车辆转向系统进行结构优化。优化结果表明，转向系统优化后车 辆转向中心更加靠近距离前后驱动轴相等的中心线上，符合预定的优 化要求。 5 、利用己出厂的P T l 2 0 重型平板车进行车辆满载最小转向半径 测试，满载最高车速测试。测试结果表明车辆主要行驶性能满足初始 设计要求，且与仿真结果基本一致，验证了车辆动力学建模的正确性。 图8 6 幅，表1 3 个，参考文献7 1 篇。 关键词重型平板车；A D A M S ；A M E S i m ；联合仿真；结构优化 分类号T H 2 2 8 D y n a m i c ss i m u l a t i o na n dS t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n o f12 0t o nP l a t f o r mV e h i c l e A b s t r a c t H e a v y - d u t yp l a t f o r mv e h i c l ei st h ek e yt r a n s p o r te q u i p m e n t o f s t e e lm i l l s ，p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h et r a n s p o r tp r o c e s s ．P T12 0 h e a v y d u t yp l a t f o r mv e h i c l es t u d i e di nt h i sp a p e rw a su s e di nt h eA n s h a n s t e e l ，B a o s h a ns t e e la n do t h e rc o m p a n i e s ，t h er e s e a r c hh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ．A st h eh e a v y d u t yp l a t f o r mv e h i c l eh a sab i gl o a d c a p a c i t y , t h es t a b i l i t yo fi t ss u s p e n s i o ns y s t e m ，t h ec o o p e r a t i v i t yo fi t s s t e e r i n gs y s t e m ，t h ef o r c eo fi t sc r i t i c a lc o m p o n e n ta r ea l lh a v eah i 曲 r e q u i r e m e n t ．T h eVt h r u s tr o db r e a ka n ds o m et i r e sw e a rw h e nt h ev e h i c l e w o r k ，t om a k ei t ss t r u c t u r em o r er e a s o n a b l ea n dr a n s p o r tp r o c e s sm o r e s e c u r e ，s t a b l ea n de f f i c i e n t ，i n - d e p t hr e s e a r c ha n df o r c ea n a l y s i so nt h e k e yc o m p o n e n t so ft h i s k i n do fh e a v y - d u t y p l a t f o r m v e h i c l ea r e n e c e s s a r y ．B a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w i n g 1 ．T h ea c c u r a t yo faf i r em o d e li sc r u c i a lf o rt h eS u c c e s so rf a i l u r eo f t h ew h o l ev e c h i c l e ．S o ，t h et i r em o d e li sd e e p l ys t u d i e df i r s t ．T h e n ，b y u s i n gA D A M Ss o f t w a r ew h i c hb a s e do nm u l t i - - r i g i d - - b o d yd y n a m i c s t h e o r y , t h em u l t i - - r i g i d - b o d yd y n a m i c sm o d e lo fH e a v y - - d u t yp l a t f o r m v e h i c l ew a sb u i l ti nt h ep a p e r ． 2 ．B yu s i n gA D A M Ss o f t w a r e ，t h es u s p e n s i o ns y s t e ma n ds t e e r i n g s y s t e mo ft h ev e c h i c l ew e r eb u i l t ，b ys o l v i n gt h ei n t e r f a c em e t h o d b e t w e e nA D A M Sa n dA M E s i ms o f t w a r e ，t h eC O s i m u l a t i o nm o d e lo ft h e m e c h a n i c a l - h y d r a u l i cc o m b i n e ds y s t e m f o rt h eh e a v y d u t yp l a t f o r m v e h i c l eh a db e e ns e tu p ． 3 ．T h eC O - s i m u l a t i o n so ff l a tr o a dd r i v i n g ，c l i m b i n g10 ％s l o p e ，p i v o t s t e e r i n gw e r ec o m p l e t e d ．T h e nt h ev e h i c l e ’Sc l i m b i n ga b i l i t y , s t e e r i n g q u a l i t i e s ，d r i v i n gs m o o t h n e s s ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sp a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d ．T h eC O ．s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eC O ．s i m u l a t i o nm o d e la n d s i m u l a t i o nm e t h o d si nt h ep a p e ra r er i g h t ，t h er e s u l t sC a np r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ev e h i c l e ’Ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ． 4 ．A c c o r d i n gt oe x i s t i n gd e f e c to ft h es t e e r i n gs y s t e m ，b yu s i n g A D A M S p a r a m e t r i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h e e x i s t i n gv e h i c l es t e e r i n gs y s t e mw a sc a r r i e do u t ．O p t i m i z a t i o nr e s u l t s I I I s h o wt h a tt h es t e e rc e n t e ra f t e ro p t i m i z a t i o nw a sc l o s e rt ot h ec e n t e rl i n e w h i c hh a st h ee q u a ld i s t a n c ew i t hf r o n ta n db a c kd r i v ew h e e l s ． 5 ．M a i np e r f o r m a n c et e s t su n d e rs e v e r a lw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r e c a r r i e do u tb yu s i n gP T12 0h e a v y - d u t yp l a t f o r mv e h i c l e ．T h em i n i m u m t u r n i n gr a d i u st e s t ．t h ef u U1 0 a d v e h i c l et o ps p e e dt e s tw e r ec a r r i e d o u t ．T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em a i np e r f o r m a n c e sa l lm e e tt h ei n i t i a l d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n di s c o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e r e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l i n go ft h ev e h i c l ed y n a m i c s ． K e y w o r d s H e a v y ．d u t yp l a t f o r mv e h i c l e ；A D A M S ；A M E S i m ； C O ．s i m u l a t i o n ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T H 2 2 8 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 国内外平板车研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 ．1 国外平板车研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．2 国内平板车研究现状⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 本文所使用的研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 ．1 动力学仿真技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 多学科联合仿真技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．4 ．3 参数化仿真技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 研究意义及目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．6 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 重型平板车多刚体动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1A D A M S 动力学理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 ．1 广义坐标的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 动力学方程的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．3 动力学方程的求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．4 A D A M S 求解器设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 重型平板车结构特点与技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 重型平板车结构特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 ．2 重型平板车基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 重型平板车动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 重型平板车三维实体建模⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．2 重型平板车P R O E 模型导入A D A M S ／V i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．3 重型平板车约束副和驱动的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 重型平板车轮胎建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 ．1 轮胎模型概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4 ．2 改进的F i a l a 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．4 ．3A D A M S ／T i r e 模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．4 轮胎参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．5 重型平板车路面建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．1 9 2 ．6 重型平板车整车模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．7 重型平板车车辆速度性能仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 重型平板车联合仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 重型平板车机一液联合仿真方案的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 重型平板车液压系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 悬挂系统液压系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2 转向系统液压系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．3 重型平板车机．液联合仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 重型平板车联合仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 重型平板车直线行走联合仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．1 仿真设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．2 运动学仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．3 动力学仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 重型平板车爬坡行走联合仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 - 2 ．1 仿真设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．2 ．2 运动学仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．3 动力学仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 重型平板车转向行走联合仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．1 仿真设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．2 运动学仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．3 动力学仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 重型平板车转向系统结构改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．1 重型平板车现有转向系统分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 重型平板车转向系统参数化设计及结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．1 设计点的选取及参数化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 ．2 优化目标函数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．2 ．3 参数化仿真及仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．3 重型平板车优化后转向系统仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 重型平板车行驶性能测试实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．1 测试实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．1 主要测试项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．2 主要测试设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．2 测试结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 ．1 车辆满载最小转向半径测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．2 ．2 车辆满载平地最高车速测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 7 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 亟堂僮论窒 绪论 1 绪论 1 ．1 前言 随着我国经济、科技及社会高速发展，在军工、桥梁、船舶制造、工程机械 及粉末冶金等各个领域，重型、大型设备的物流运输任务不断增加；如钢铁厂钢 材的运输【1 1 、船舶制造厂船部件的运输安装[ 2 ] 、高速公路大吨位物资的运输等。 重型平板车在物流运输过程中起着重要作用，其需求量逐年提高，车辆载重量要 求也不断提高，这对于重型平板车的转向系统及液压悬挂等产生了很多不利影 响，它的结构优化及产品创新能很大程度上提高运输的可靠性、灵活性及高效性。 因此重型平板车的研发及改进始终受到业内广泛的重视【3 ，4 1 。 重型平板车一般包括以下部分结构、动力系统、液力 液压 系统及控制系 统。车架常采用整体钢架结构，可用来承担所运载物资的重量。其钢架结构采用 纵梁横梁相结合的方式，各梁箱型或工字型的结构提高了其抗扭抗弯能力。为了 实现轮组的转向，转向悬挂与车架采用回转支撑连接方式，转向悬挂系统由回转 支撑、悬挂油缸、车桥和轮组等组成【5 】。液压系统由动力驱动系统、转向及悬挂 系统等组成【6 ] 。驱动系统常用液压驱动或液力驱动。转向系统目前使用较多的有 四种方式液压缸推动连杆式、齿条带动齿轮式、蜗杆带动涡轮式及马达减速器 带动齿轮式。液压缸推动连杆式转向系统机构简单，制造方便，能实现 1 0 0 。 ．1 0 0 。左右的转向，但转弯半径较大；齿条带动齿轮式转向系统结构简单，能 实现 1 2 0 。～1 2 0 。左右的转向，但成本相对于液压缸推动连杆式转向系统高； 蜗杆带动涡轮式及马达减速器带动齿轮式转向系统解决了重型平板车转向角度 受限的问题，能实现 3 6 0 。 - 3 6 0 。的转向，但成本较高，协同转向控制系统要 求较甜7 | 。悬挂系统一般采用液压缸作为执行元件，使载货平台具有液压提升能 力，同时当路面不平时通过相连油缸的油液流动实现载荷均布，使车辆运行更加 平稳。 重型平板车的核心技术主要包括驱动系统技术、转向系统技术、悬挂系统技 术等。驱动系统常使用液压驱动或液力驱动，液力驱动对控制要求低，但对动力 传动轴、车桥等的布置及受力要求较高；液压驱动则对液压系统全局及局部功率 匹配、差速控制、极限载荷控制等有较高要求【8 1 。为了实现各种复杂工况下的车 辆行驶，重型平板车常常有多种行驶及转向方式，如横行、斜行、自动前转向等， 但同时对协同转向控制提出更高要求，各轮组转向角度的精准度要求高。否则， 在车辆行驶过程中将出现轮胎的卡滞现象【9 】。平板车转向系统的核心技术在于多 种转向方式的实现、单轮组转向精度的控制及多轮组协同转向的实现。悬挂系统 的关键技术主要包括悬挂系统自适应地面减震技术及整车抬升下降技术。这要求 整车具有各悬挂油缸独立升降功能，通过悬挂油缸的伸缩实现调平或者整车抬升 下降‘1 们。 本文所研究的重型平板车属于液力驱动自行走及液压提升能力的钢材等物 资运输专用车辆，是“机一电一液”一体化的新型工程机械产品是一种驱动桥 和转向系统分布式布置、转向油缸推动多连杆协同转向的机电液一体化运输车 辆，操作灵活，能完成各种作业任务；基于C A N 总线的分布式系统使其功能分 散，便于检测各个运行部件的实时状态，降低了车辆维护的成本【l 卜1 4 】。但由于载 重量较大，对传动轴、驱动桥的布置及受力要求、悬挂系统的稳定性、转向系统 协同性等要求均较高，因此有必要对该类重型平板车的整车及关键部件进行深入 的研究及受力分析，使其结构更加合理，运输过程中更加安全、稳定、高效，对 重型平板车的发展具有重要意义。 1 ．2 课题来源 本课题来源于中南大学和长沙凯瑞重工机械有限公司合作项目，课题名称为 “1 2 0 吨重型平板车动力学仿真及结构优化”。 1 ．3 国内外平板车研究现状 1 ．3 ．1 国外平板车研究现状 国外从1 9 3 0 年左右开始研发重型平板车，技术已较为成熟。如今重型平板 车可实现自动升降、全液压、微机控制【15 J ；并能制造出适用各种复杂工况的组 合式液压平板车。T I I 集团是全球特种平板车的制造领导者，由S c h e u e r l e 、 K A M A G 和N i c o l a s 三家公司组成。目前陆地1 5 0 0 0 吨的运输记录就由K A M A G 和S c h e u e r l e 两家公司，共调集多达3 5 6 轴的K A M A G 平板车及1 8 4 轴的S c h e u e r l e 平板车，通过模块化拼接，共同配合完成。德国的卡马克 K A M A O 公司为目前 国外实力最强的平板车制造商之一1 1 6 】；该公司已经能够生产载重量超过1 0 0 0 t 的平板车，如图1 ．1 为该公司1 0 0 0 t 全液压重型平板车，能实现载重平台的自助 升降，横移、斜移、绕前轴转向、原地转向等多种行驶方式。 国外研发实力较强的平板车制造商还有德国的戈尔德霍弗 G o l d h o f e r ，日本 的神钢电机 S h i n k o 、日本车辆 H i p p oS h a r y o 、T C M 株式会社，法国的N i c o l a s 公司以及意大利的C O M E T T O 公司等。图1 2 为意大利C O M M E T T O 公司自行 研发生产的大型船用平板车。 亟堂焦论塞缝i 盆 图卜1K A M A G 公司10 0 0 t 平板车 蠹薹麓j 雾缮≤ 图卜2C O M E T T O 公司船用平板车 1 ．3 ．2 国内平板车研究现状 国内平板车起步较晚，但随着我国造船业和基础建设的高速发展，各个船 厂及基础建设部门逐渐引进国外的一些重型平板车，这也为国内重型平板车的研 发生产打下了基础。九十年代上海船舶设备研究所对进口的尼古拉斯重型平板车 转向系统进行改进，并成功投入工作。这也标志着国内对重型平板车的研发达到 一个新的水平。 国内平板车研发起步较早的有郑州大方桥梁机械有限公司和秦皇岛通联特 种车辆有限公司。郑州大方桥梁机械有限公司已成功生产了D J Y 、D Z Y 等多种 型号的重型平板车，并已用于国内各船厂、钢铁厂、港口及基础设施等；2 0 0 4 年成功研发出我国第一台9 0 0 吨轮胎式运梁车和架桥机，用于铁路客运专线【1 7 1 ； 2 0 0 6 年成功研发出我国第一台2 5 0 0 t 轮胎式液压动力平板车，用于特大型构件运 亟堂僮i 金窒绪论 输。秦皇岛通联特种车辆有限公司以生产平板动力车、模块车、框架车、抱罐车 为主，图1 ．4 为该公司1 5 0 t 重型液压平板车，为3 轴2 4 轮胎平板车，负载重量 达到1 5 5 t ；该平板车第二排为断开式驱动桥，第一、三排为转向轮，已具备独立 转向功能，能实现绕原地转向等多种复杂转向方式‘1 8 1 。 图1 ．3 郑州大方D C G 系列钢厂运输专用车图1 ．4 通联特种车辆1 5 0 吨液压平板车 由于从国外进口成本高，维修费用高等原因，近年来，我国其它一些厂家也 开始自主研发重型平板车，但由于国外在核心技术上的垄断，我国重型平板车的 研发与国外仍有较大差距，核心部件，关键组装技术及较复杂的电液控制技术仍 依赖国外。 1 ．4 本文所使用的研究方法 1 ．4 ．1 动力学仿真技术 传统的重型平板车动力学分析有以下三种方法第一，通过模型缩放的方法 进行车辆动力学分析。不过，随着平板车结构的复杂化，各部件精细化程度更高， 模型缩放的方法很难满足三维非线性动力学分析。第二，采用解析法，这种方法 需要对重型平板车进行简化，合并了部分部件，减少了整车的自由度，因而往往 得不到准确的分析结果或分析结果可信度较低。第三，制造重型平板车样机，并 对样机进行试验并对各部件进行受力测量，发现问题后，再进行结构上的改进， 反复试验及改进后，产品才能达到要求，这种方法虽然分析结果可信度高，但研 发成本高，研发周期长，不适用于一般重型平板车的研制。 目前，国外主要的重型平板车制造商都采用计算机仿真技术进行整车的设计 和性能的评估，降低了研发成本、研发周期，并较为准确地得到所需要的性能指 标，为整车的设计和主要部件的参数选定及选型提供有价值的参考数据。动力学 仿真技术作为一项新型仿真技术，在欧美、日本等发达国家早已得到广泛的应用， 其应用领域包括汽车制造行业、工程机械业、航空航天业、船舶制造业、军工行 业、生物医学等方面，为产品的研发开辟了一条新的道路，并带来了可观的经济 亟堂鱼途窒 绪论 效益。通过使用动力学仿真技术进行车辆的模型建立及分析研究，是车辆制造行 业进行产品研发的趋势和重要环节，具有较强的现实研究意义【1 9 1 。 从2 0 世纪8 0 年代起，国内部分公司及研发机构开始将动力学仿真技术用于 整车及部件的研发。其中使用较多的动力学仿真软件为A D A M S [ 2 0 , 2 1 ] ；即机械系 统动力学自动分析系统，该软件是美国M D I 公司开发的虚拟样机分析软件，如 今已经被广泛应用于各个行业。该软件可对所研究的机械系统进行静、动力学分 析，获取各部件及点的位移、速度、加速度和受力曲线。其仿真常用于预测被分 析系统的运动范围、动力学性能、受力脉冲等，并常作为有限元分析的输入条件 等。温荣耀等人利用A D A M S 完成新型出铝车的动力学建模工作，对所设计车 辆性能进行预测【2 2 】；庞辉等人利用A D A M S 建立某8 x 4 载货卡车虚拟样机模型， 并通过仿真得到相关运动学结果，为该车悬架系统优化计算提供依据及支持【2 3 J 。 以上所介绍的动力学仿真技术应用主要归纳为如下两点第一，对整个机械 系统及各部件的研发进行性能预测；第二，对已有的机械系统进行性能评估，对 出现故障的机械系统进行整机及故障部件的动力学分析，并进行改进后的性能评 估。本文使用A D A M S 动力学仿真技术主要用于对需要优化的车辆进行整车及 故障部件的动力学分析，提高研究效率的同时，较为准确地得到整车及主要零部 件的性能，并可获知较为完整的运动学及动力学结果，可为重型平板车及关键部 件的改进提供基础及支持。 1 ．4 ．2 多学科联合仿真技术 重型平板车属于复杂产品，由机械系统、液压系统、电子控制系统等组成， 传统的单领域仿真方法是针对产品的单个系统进行仿真，分析该系统对整车的影 响并为其它系统的仿真提供必要的参数。这将导致各个系统研究相对独立，设计 人员需要频繁地沟通及协同才能完成整个产品的设计，提高了产品的设计成本和 设计周期。通过单学科仿真研发出来的产品子系统，尽管可达到该系统本身的最 优化，但因为所研究的每个子系统之间存在相互干扰，集成后所形成的总系统中 各个子系统未必能达到性能最优化。因此，要想对类似于重型平板车这种复杂产 品进行可靠准确地仿真研究，就需要通过多学科联合仿真技术；将各个子系统关 键参数进行实时地交换，得到使产品总体最优化的仿真方法【2 4 1 。这种方法强调 的是系统整体的观点，通过对产品多个子系统的研究，达到对产品的多方位测试， 研究与性能评估，同时通过各软件接口技术，实现各子系统主要参数实时交换， 这种联合仿真方法，能使产品整体达到最优化，相比于多个子系统独立研究能得 到更加可靠的仿真结果。 多学科联合仿真技术在车辆悬挂的研究中也应用较多。菲业特研发中心将联 合仿真技术应用到新型摆式列车的半主动悬挂研发中，通过A D A M S 和M A T L A B 联合仿真研究不同参数的半主动悬挂对于乘客舒适度的影响【2 5 】。苗明等人应用 专业软件A D A M S ，M A T L A B 建立了轮式拖拉机机电液一体化的虚拟样机仿真 平台，在拖拉机运输状态下，进行了轮式拖拉机后悬挂系统的仿真分析，实现了拖 拉机农具主动减振的控制【2 6 】。以上悬挂系统研究中，通过联合仿真实现对系统 的主动控制或参数调试。 本文采用的A D A M S 与A M E S i m 软件联合仿真技术，主要用于实现重型平 板车悬挂系统液压及动力学系统关键参数实时交换，模拟随动悬挂油缸液压系统 效果，真实地反映液压悬挂系统对于车辆动力学仿真的影响，解决用弹簧代替液 压液压悬挂油缸所带来的动力学仿真失真问题。 1 ．4 ．3 参数化仿真技术 参数化设计的核心思想是将待确定的系统变量参数化，设定系统变量的初始 值、变化范围和变化间隔，不断更改参数值并计算目标函数值，直至目标函数值 满足初始设计要求。随着仿真技术的发展，参数化设计也更多地用于仿真分析计 算中，参数化仿真技术常用于新产品的开发、现有产品的性能评估及优化、为二 次仿真提供最优化参数等。 目前国内参数化仿真技术发展迅速。基于C A D 、P R O ．E 、A N S Y S 、A D A M S 等各种软件的参数化仿真技术均得到了不同程度的发展。参数化设计在车辆的转 向系统研发及优化上也应用较多。胡乙钦等人基于C A D 完成了机车车辆转向架 构架的参数化研究【27 1 。张卫东等人基于A D A M S 动力学软件完成了液压铁水包 运输平板车的动力学仿真[ 2 8 】；古捷等人利用A D A M S 完成了拼装式多轴平板车 转向