基于ADAMS與ANSYS的裝載機工作裝置動力學仿真

范曉峰，宋緒丁，萬一品

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

裝載機工作裝置的好壞直接體現裝載機的性能的優略，對其進行動力學模擬仿真能減少設計成本以及設計時間并能從一定程度上檢測產品質量。文獻[1]對裝載機工作裝置進行了純剛體動力學分析，得到在掘起時刻時受力最大；文獻[2]建立了裝載機工作裝置的剛柔耦合模型，分析了其動力學與運動學特性；文獻[3]通過比較了裝載機工作裝置的純剛形體模型與剛柔耦合模型動力學分析結果，得出剛柔耦合模型與實際情況更相符。本文以某廠5 t裝載機為研究對象，通過對建立的剛柔耦合模型進行動力學分析，得到應力云圖以及應力時間曲線，為后續裝載機工作裝置的結構優化提供參考。

1 剛柔耦合模型的建立

裝載機工作裝置二維平面結構圖如圖1所示。

圖1 裝載機工作裝置平面圖

裝載機工作裝置在工作時其動臂受載荷較大，極易發生變形；如果把它當成剛性體考慮就默認了其受力時不會產生變形，這與實際情況相脫離，這時引入柔性體來解決這一難題。ADAMS中主要根據模態疊加合成原理來描述柔性體，其實質是計算物體每一時刻由模態向量和模態坐標表示的彈性位移來說明物體的變形[4]。

利用文獻[4]理論基礎，用柔性體來代替純剛體的動臂來進行剛柔耦合動力學仿真；采用在ANSYS中生成柔性體，并將其導入到ADAMS中構建剛柔耦合模型來進行剛柔耦合動力學分析，同時主節點與鉸孔間采用梁單元來連接以此來傳遞載荷到動臂上。如圖2為裝載機工作裝置的剛柔耦合模型。

圖2 裝載機工作裝置的剛柔耦合模型

2 裝載機工作裝置外載荷計算

裝載機工作裝置在工作過程中主要受到的外載荷有插入阻力、掘起阻力以及物料和本機自重。以下以散裝物料為例計算其工作載荷，計算公式如下：

（1）插入阻力

式中a表示鏟斗插入料堆的深度，大小為85 cm；b表示鏟斗的寬度大小，其值為300 cm；ξ1表示物料間的緊密系數，這里取0.7；ξ2表示物料類型影響系數，這里取值0.17.ξ3表示所鏟裝物料堆高度的影響系數，取1.15；ξ4表示鏟斗本身形狀的影響系數，其大小一般在1.1到1.8之間，對于沒有齒尖的鏟斗取值一般較大，這里取1.4.

（2）掘起阻力

式中M表示鏟斗自重加上額定載重的質量，為6 150 kg；a和上式表述一樣即插入料堆深度為0.85 m；L1表示鏟斗斗尖到鏟斗下鉸孔的水平距離，其大小等于1.27 m，L2代表鏟斗下鉸孔與地面的垂直距離，其值為0.31m；L3描述鏟斗質心到鏟斗下鉸孔的水平距離，為0.53 m；具體表述如圖3所示。通過計算得到插入阻力為145.4 kN，掘起阻力大小為120.6 kN.

圖3 節點的應力時間圖

3 動力學仿真

借助ADAMS模型完成裝載機插入物料，掘起物料，舉升物料以及卸載物料這四種工況的仿真，其中驅動以及載荷的添加由step函數實現，如下所示：

動臂油缸行程函數：STEP（time，6，0，12，0.680）+STEP（ time，13.5，0，17，-0.680）

轉斗油缸行程函數：STEP（time，0，0，1，0.2）+STEP（ time，3，0，6，0.3）+STEP（time，12，0，13.5，-0.5）

插入阻力函數：STEP（time，1，0，2.95，145376）+STEP（ time，2.95，0，3，-145376）

掘起阻力函數：STEP（ time，2.95，0，3，-120568）+STEP（ time，3，0，6，120568）

物料重力函數：STEP（time，2，0，3，-49000）

+STEP （time，3，0，12，0） +STEP （time，12，0，13.5，49000）

如圖3為最大應力節點的應力時間歷程圖，從圖中可知，應力最大出現在第3 s時刻，大小為211 MPa.

4 結論

通過ANSYS生成拉桿、搖臂以及動臂的模態中性文件導入到ADAMS中建立了裝載機工作裝置的剛柔耦合模型，通過公式計算得到裝載機工作裝置的插入阻力與掘起阻力，并對其進行了動力學分析，得到其應力最大時刻發生在掘起物料結束到收斗的瞬間；其應力變化總體趨勢為在鏟掘物料時逐漸變大，在收斗瞬間達到峰值，然后隨著卸料應力開始減小，隨著卸料的結束最后趨于平穩。