1、概述

    本文以公司某產(chǎn)品行走機(jī)構(gòu)為研究對象，該機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)架、鋼輪總成、驅(qū)動油缸、搖臂、絲杠。通過MotionView建立該產(chǎn)品行走機(jī)構(gòu)的多體動力學(xué)模型，通過多體動力學(xué)仿真分析，獲得了關(guān)鍵部件的工作載荷歷程，確定了部件的最大載荷。通過在HyperMesh中建立關(guān)鍵部件的有限元模型，加載MotionView輸出的載荷信息，通過OptiStruct計(jì)算分析，找到了結(jié)構(gòu)的主要受力位置，分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際破壞完全吻合。最后通過聯(lián)合仿真優(yōu)化分析，大幅降低了部件的鉸點(diǎn)載荷和應(yīng)力水平，保證了結(jié)構(gòu)的可靠性。

2、原結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析

    2.1 多體動力學(xué)模型建立

    在產(chǎn)品實(shí)際作業(yè)過程中，首先需要通過驅(qū)動此行走機(jī)構(gòu)中的油缸伸出，推動鋼輪總成支撐到鋼軌上，進(jìn)一步伸出油缸，使輪胎脫離地面，最終使鋼輪同時與輪胎和地面接觸，通過輪胎的驅(qū)動力帶動鋼輪在鋼軌上行走,大體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

  

圖1 結(jié)構(gòu)示意

    根據(jù)行走結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作原理，在MotionView中建立連接各部件恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動副、移動副、油缸位移驅(qū)動等，最終建立了整個行走機(jī)構(gòu)的多體動力學(xué)模型，對機(jī)構(gòu)支車運(yùn)行過程進(jìn)行多體動力學(xué)分析，得到了絲杠兩連接點(diǎn)的載荷歷程曲線如下圖2所示。

 

圖2 多體動力學(xué)模型

    通過上述多體動力學(xué)分析，鋼輪支地輪胎抬起瞬間,絲杠受到35T的壓力，當(dāng)剛輪與輪胎接觸瞬間，絲杠受到約30T的拉力，因此在整個支車過程中結(jié)構(gòu)受到巨大拉壓交變載荷的作用，很容易發(fā)生疲勞破壞。因此需要考慮對鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以降低支車過程的交變載荷。

    2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

    將上述多體動力學(xué)分析獲得的最大載荷加載到絲杠和車架上，在HyperMesh中建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，通過OptiStruct求解計(jì)算，得到絲杠及與其連接的車架位置應(yīng)力水平超過1000MPa，具體如下圖3、圖4所示，其發(fā)生破壞的可能性極大。

 

圖3 絲杠應(yīng)力結(jié)果

 

圖4 車架結(jié)果

    2.3 樣機(jī)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

    由于樣機(jī)采用的是上述分析結(jié)構(gòu)，在實(shí)車作業(yè)過程中車架和絲杠很快出現(xiàn)了斷裂破壞問題（如圖5），破壞位置和裂紋擴(kuò)展趨勢與分析結(jié)果完全吻合，說明了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

 

圖5 破壞圖片

3、新結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

    通過上述分析，可以確認(rèn)必須對原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以降低主要受力區(qū)域的應(yīng)力水平，提高行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的可靠性。一方面通過優(yōu)化行走機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)位置，降低上述部件作業(yè)運(yùn)行過程中鉸點(diǎn)的峰值載荷。另一方面優(yōu)化絲杠和車架的受力結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,以進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。

    3.1 多體動力學(xué)機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)優(yōu)化

    在已經(jīng)建立的多體動力學(xué)模型中,在保證機(jī)構(gòu)各項(xiàng)設(shè)計(jì)約束的前提下,通過適當(dāng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)相對位置,不斷降低絲杠兩鉸接點(diǎn)在實(shí)際支車作業(yè)過程中的最大載荷,優(yōu)化后通過MotionSolver多體動力學(xué)分析,荷歷程曲線變化如下圖6所示。

 

圖6 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比

    上述分析結(jié)果中紅色曲線為優(yōu)化后的鉸點(diǎn)載荷曲線，藍(lán)色曲線為原結(jié)構(gòu)鉸點(diǎn)載荷曲線。優(yōu)化后鋼輪支地輪胎抬起瞬間,絲杠最大受到7T的壓力，當(dāng)剛輪與輪胎接觸瞬間，絲杠受到最大約9T的拉力，其拉壓載荷幅值由原來的65噸降低到16噸，其交變載荷大幅降低，這將大大降低作業(yè)載荷對結(jié)構(gòu)的損傷程度。

    3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化分析

    在降低鉸點(diǎn)載荷的同時，對關(guān)鍵部件絲杠和車架同時進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化。將絲杠端部的潤滑油孔由兩端改到頭部，避免將其布置到最大的受力截面上；將車架鉸接點(diǎn)位置布置加強(qiáng)筋板，形成箱形結(jié)構(gòu)。

    將新的最大載荷加載到最新優(yōu)化的車架和絲杠模型上，在HyperMesh中建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，通過OptiStruct計(jì)算，得到新優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平如下圖7所示。

 

圖7 新結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

    通過上述分析結(jié)果，可以看到新優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平已經(jīng)大幅降低，絲杠應(yīng)力為149MPa，車架應(yīng)力水平130MPa，其可靠性已經(jīng)得到充分保證。

4、結(jié)論

    本文應(yīng)用HyperWorks軟件多個模塊產(chǎn)品，對某產(chǎn)品行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多體動力學(xué)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度聯(lián)合仿真分析。分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞情況完全吻合，說明分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過多體動力學(xué)分析進(jìn)行鉸點(diǎn)優(yōu)化，大幅降低了機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作過程的交變載荷幅值；通過對部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。兩者共同作用，最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平大幅降低，保證了產(chǎn)品的可靠性。

文章來源：CAE仿真學(xué)社