NASTRAN及ADAMS对装载机进行动强度分析.doc

利用NASTRAN和ADAMS组合对装载机整车动强度分析
福田雷沃国际重工股份有限公司计算分析室
冷峻 丁雄飞 杜伟 刘安宁 毋海鱼
摘 要：装载机经常会在恶劣的工地工作，高低不平路面会给机器带来很大的冲击，局部地方会因为冲击产生变形和损坏。按照传统的方法，在产品试制时，模拟装载机不同的作业工况，验证产品的强度测试及可靠性试验，来验证产品的结构是否能满足使用要求，这样物理样机试验当然是最有效的验证方法，但是有时需要几轮物理样机试验，费用较高，并且周期长。本文利用CAE分析手段，在产品在设计阶段，利用有限元NASTRAN和MSC Adams/View多体动力学软件建立装载机的多体动力学模型，通过在动力学分析模型上加入各种曲线函数来模拟路面对轮胎的激励，进动力计算分析，很容易获得装载机在过不平路面时各部件应力随时间变化值，并将其计算结果与物理样机的测试结果进行对比，两者的结果比较一致。此方法在产品的设计的应用，能有效的减少物理样机的试验次数，同时为物理样机试验提供指导。
关键词： Nastran Adams 多体动力学 装载机 动态强度分析

装载机是一种具有较高作业效率的工程机械。主要用于对松散的堆积物料进行铲、装、运、挖等作业。也可以用来整理、刮平场地以及进行牵引作业；换装相应的工作装置后，还可以进行挖土、起重以及装卸棒料等作业。因此，装载机被广泛应用于城建、矿山、铁路、公路、水电、油田、国防以及机场建设等工程施工中，对加速工程进度、保证工程质量、改善劳动条件、提高工作效率以及降低施工成本等都具有极为重要的作用。
在设计完产品后，通常需要验证它的强度是否满足我们的设计要求，这就需要做相关的分析工作。静力学分析往往比较简单，但是如果需要得到机器在不平路面上行使时，部件随时间变化的应力值。一般分析软件做起来就比较复杂了，在Adams中建立虚拟样机来模拟车辆在路面行驶是一个不错的方法。
1装载机结构简介
根据分析需要，将装载机产品的结构简化成以下5个部分。即铲斗、摇臂、动臂、前车架、后车架。轮胎在Adams软件中可以建立，需要修改轮胎的特性参数如轮胎的半径、宽度、垂直刚度和阻尼、纵向滑移刚度、测偏刚度等。

图1 装载机结构简图
2 FL966装载机动力学模型的建立
为计算得到各部件的应力值，所以在Adams中需要将各部件由刚性体用 Nastran生成的模态中性文件（MNF）来代替。由于分析所要关心的部位为铲斗，摇臂，动臂，前车架，后车架，所以只对这些部件生成模态中性文件，其余如驾驶室、发动机、载荷箱等部件用质量块代替。
在有限元分析软件中将各个部件划好网格。销轴连接地方用刚性杆连接。如图2

图2 局部有限元模型

图3 装载机有限元模型
然后将有限元模型转化为中性文件（MNF），导入Adams中，开始构建虚拟样机模型。车辆在路面上行驶，轮胎会随着路面的高低不平而上下振动。在模拟这种动态工况时，简化路面，在前后桥各轮毂处建立四个轮胎，轮胎类型选用UA轮胎，半径为805mm，宽度为400mm，垂直刚度1500N/mm，阻尼为1.2。根据轮胎半径在相关位置建立四个凸台。如图4

图4 动力学模型
在凸台施加运动副和驱动，如图5

图5 凸台施加约束模型
在相关部位施加正确的约束副。如
图6，为连接部位之一

图6 连接部位施加约束图
实验台的激励为理想的路面激励，在MOTION里施加AKISPL函数来模拟装载机过高200mm，长400mm的垫块，前后台架的激励根据车速和装载机轴距进行适当的延时。理想路面激励曲线如图7和图8。

图7 前端实验台路面数据

图8 后端实验台数据路面
创建好这两个曲线后，然后在各个MOTION函数里输入AKISPL函数，由于前桥两个轮胎是同时滚过垫块的，所以前端左右轮毂处输入函数都为AKISPL(time,0,SPLINE_qianlun, 0)。后端左右轮毂处输入函数都为AKISPL(time,0,SPLINE_houlun, 0)。
3仿真分析
车速设定为8KM/h，仿真步长0.01，仿真时间3S，工作装置和前后车架在仿真过程中各主要受力部位应力如下图所示；（图中白色线框代表在该区域读取应力）

图9 动臂应力云图1

图10 动臂应力云图2
图11 动臂中节点1411590的应力随时间变化图

图12 前车架应力云图

图13 前车架节点720509的应力随时间变化图
测量前桥左右两边轮毂处与地面垂直方向的加速度，如图14、15

图14 前桥右边轮毂处的加速度曲线图

图15 前桥左边轮毂处的加速度曲线图
4试验验证
为验证分析结果的准确性，在相同工况，通过仪器测的前桥左右两边轮毂处的加速度图如图16

图16 实验测试图
模拟装载机以8㎞/h的速度过垫块时冲击。
垫块形状及尺寸如图17

图17 垫块截面的尺寸
测试前桥左右两边加速度曲线如图18、19

图18 前桥右边轮毂处的加速度曲线图（仪器测试）

图19 前桥左边轮毂处的加速度曲线图（仪器测试）
5.分析结论
通过比较图14—19，可以看出分析测得的加速度曲线和实验仪器测得的曲线相似，误差在10%以内。说明模型调试比较成功。
在仿真计算所得的应力值与实验测试数据较为接近，最大应力出现在动臂和前车架上，如图10和图13所示，应力值在130Mpa左右，这两处位置结构相对薄弱。
用此类方法建立的全数字化模型来模拟车辆过障碍物的瞬态响应是一个比较不错的方法之一，路面对轮胎的激励载荷曲线可根据实际情况自己编写，给定较准确轮胎参数便可使分析结果更为准确。此方法在工程上的应用能有效的减少试验次数，缩短产品开发周期，同时也为设计改进提供理论依据。

参考文献
[1]NASTRAN用户手册
[2]周毅，许先锋 集成化疲劳分析在车身开发中的应用/MSC.Software计算机辅助工程

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