基于路面隨機輸入的大伸縮比車載轉運平臺的動態分析*

劉彪杰，劉攀，祁孟偉

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基于路面隨機輸入的大伸縮比車載轉運平臺的動態分析*

劉彪杰，劉攀，祁孟偉

（成都師范學院 物理與工程技術學院，四川 成都 610000）

在分析路面頻率與時間頻率功率譜密度關系的基礎上，建立了路面隨機信號生成模型，仿真生成C級路面譜；在SOLIDWORKS中建立車載轉運作業平臺的參數化有限元模型，分析各工況下輪胎接地點的載荷譜大小，利用傳遞函數等相關公式得到路面隨機輸入下的平臺動態響應特征，最后在ANSYS中進行模態分析、隨機振動分析得到其應力大小，分析轉運平臺的結構，給出模型改善建議，提高其可靠性以達到預期效果。

功率譜密度；路面譜；預應力模態；隨機振動

前言

隨著專用汽車技術的迅猛發展，對車載轉運平臺性能的需求有所增加。現有轉運作業平臺多為液壓系統作業，動態特性欠佳、工作變形大，且其在調平過程中難以實現定比傳動，影響運載設備穩定性，考慮到液壓件制造精度及裝配要求高，且易受環境影響，發生故障不易檢查和排除等因素[1]。針對現有車載轉運平臺設計出大伸縮比電機升降式車載轉運平臺，使該設備具有以下功能：（1）作為升降平臺，采用大伸縮比二級復合式支腿，其安裝空間小，且可使車載平臺重心偏低，同時滿足車載儀器快速精準升到一定高度；（2）作為轉運平臺，其在多工況下轉運時表現出較好的動態特性，譬如轉運時車架變形小，運載設備受路面沖擊小等；（3）大伸縮比轉運平臺在運載特殊精密儀器時，機動性和抗干擾能力強。

該升降轉運作業平臺是一款有針對性的實用型綜合性能良好的車載轉運作業平臺，既具有底盤功能，又可作為穩定工作平臺使用[2-3]。

1 路面不平度時域模型的建立

路面不平度作為汽車的激勵，受到國內外專家的關注，1984年國際標準化組織在文件ISO/TC108/SC2N67中提出了“路面不平度表示方法草案”，中國也參照制定了相應的國家標準，由長春汽車研究所起草制定了GB/T7031—1986《車輛振動輸入路面不平度表示方法標準》。兩份文件中均建議路面功率譜密度Gq(n)用（1）式作為擬合表達式：

式中n 為空間頻率，n0參考空間頻率，Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值[4]。

本文采用濾波白噪聲生成路面譜。即：

式中q(t)為路面位移，依照GB/T4970—2009，C級瀝青路面時，Gq(n0)=256*10-6m-3，u=40km/h，即11.11m/s，W（t）為均值為零的高斯白噪聲，f0為下截止頻率，取值0.1Hz。

Simulink仿真圖樣如圖1所示，汽車所受地面激勵輸入的仿真信號如圖2所示。

圖1 Simulink仿真圖樣

圖2 汽車所受地面激勵輸入時域仿真信號

（橫軸為時間/s, 縱軸為位移/mm）

2 車載平臺和懸掛系統Simulink建模及作用于車架節點的頻域特性

模型的建立以及激勵的頻域化處理是接下來分析的基礎。模型的簡化有利于建模，但過于簡化往往導致分析結果誤差偏大，因此模型的建立至關重要。車架的隨機振動分析，激勵源于路面，經懸掛系統作用于車架，頻域化處理便于對車架動態分析。

2.1 三維建模

本文采用solid works軟件對轉運作業平臺進行三維建模，其相關性能設計參數如下：

①微型車載轉運作業平臺載重約為2t，長3m，寬1.2m；

②轉運作業平臺升降最大行程為1300mm，升降時間小于4分鐘；

③支腿和平臺總成材料主要是Q235，其驅動部分選用型號為SJA200的螺旋升降電機。

車載轉運平臺總成如下圖3所示：

圖3 大伸縮比車載轉運平臺總成

2.2 懸掛系統Simulink建模

轉運平臺簧下質量m1=36Kg，簧上質量m2=400Kg，輪胎剛度k1=170000，懸掛剛度k2=13000，對應阻尼c=1000。所建Simulink仿真如下圖4所示。

圖4 1/4轉運平臺懸掛系統建模

2.3 作用于車架節點的路面激勵的頻域響應

將路面時域激勵信號輸入懸掛系統的Simulink模型，求解出作用于車架節點的緩沖后的時域激勵，然后通過傅里葉變換，換算出作用于車架節點的激勵的頻域響應，以便于對車架作隨機振動分析。換算后激勵的頻域響應如下圖5所示。

圖5 作用于車架節點處位移的頻域響應

3 車載轉運平臺的動態分析

結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構的影響。與靜力學不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷及它對阻尼和慣性的影響[6]。本文針對車架作以下分析， 在分析靜力學的基礎上，對車架進行預應力模態分析，然后將Simulink 仿真出的位移頻域響應作為激勵，對車架進行隨機振動分析。

3.1 分析前處理

將之前建立好的三維模型導入至ANSYS分析模塊中，修改材料參數后，網格劃分共有117911個節點，42123個單元。邊界約束條件為約束車架懸掛節點的橫向和縱向的自由度，對其垂向自由度不作限制，然后對車架進行加載，除自重外，加載1t 均布力于車載臺面。先對車加靜力學分析，然后進行預應力模態和隨機振動分析。具體分析流程如下圖6所示。

圖6 動態分析流程圖

3.2 預應力模態分析

車架預應力模態分析中的邊界條件模擬真實工況，能準確的求解出車架在具體工況下的動態性能[5]。其結果不僅可用來分析車架的性能，還可以通過固有頻率和振型直接對車架的結構進行評價。此處考慮的預應力情況，是在C級路面上勻速行駛時，由自身質量和承載質量而產生的預應力。預應力模態分析結果如下圖7所示。

圖7 預應力模態分析結果

由于C級路面激勵頻率小于30Hz，從分析結果來看，車架的結構設計合理，避開了源于路面激勵而引起的共振等災害滿足車載平臺的運輸需求。

3.3 隨機振動分析

隨機振動分為單點和多點，單點隨機振動分析時要求在結構的一個點集上指定一個功率譜密度；多點隨機振動分析時，則要求在模型的不同點集上指定不同的功率譜密度[6-7]。本文采用單點隨機振動對車架進行分析，分析結果如下圖8，圖9所示。

圖8 隨機振動位移云圖

圖9 隨機振動應力云圖

由云圖7可知，車架在位移頻域激勵下，兩前支腿中部和轉向支架處出現位移變形最大，但仍小于1mm,變形較小，不影響車載平臺的使用性能；云圖8分析可知，車架應力最大處出現在懸掛支撐處以及四個支腿安裝支架附近，最大應力為14.186MPa，遠小于材料的屈服極限，車架的安全系數極高，結構設計和選材滿足設計需求。

4 結論

本文針對以電機作為驅動的車載轉運平臺模型，仿真出在C級路面激勵下，經懸掛系統后作用于車架的位移頻域激勵 ，通過對車架靜力學，預應力模態分析得到了平臺的應力、應變變化情況及預應力模態相關參數，并對其進行PSD位移隨機振動分析。結果表明設計的轉運平臺具有動態變形小，運載設備受路面沖擊小，且受力良好，安全系數高等優點，符合設計要求，同時這也為轉運作業平臺的前期開發研究提供依據，縮短了設計周期，降低了設計成本。

[1] 馮晉祥.專用汽車設計[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2] 韓婷.基于ANSYS的車架拓撲優化[D].武漢:武漢理工大學,2013. 4.

[3] 王亮.車載穩定平臺結構設計及其動態特性分析[D].成都:西華大學,2013.

[4] 金爽.白噪聲路譜的生成和汽車平順性仿真[J].北京:科技傳播, 2012.7.

[5] 曹群豪.軍用客車車身骨架結構隨機振動特性與疲勞分析[D].上海:上海交通大學,2007.

[6] 李兵. ANSYSN Workbench 設計,仿真與優化[M].北京:清華大學出社,2013.3.

[7] 買買提尼·艾尼. ANSYS Workbench 14.0仿真技術與工程實踐[M].北京:清華大學出版社,2013.4.

A Large Scale Magnification Ratio of Car Transport Platform Dynamic Analysis Basedon the Random Road Input

Liu Biaojie, Liu Pan, Qi Mengwei

（Chengdu Normal University, College of Physics and Engineering, Sichuan Chengdu 610000）

Based on the relationship between the analysis of pavement frequency and the frequency-time spectral density function, set up a model of random signal generative model, and generate a C level road spectrum; establish a car transport work platform Parametric finite element model in SOLIDWORKS . Analyzing the size of the tire ground under the condition of load spectrum, then using the transfer function and relevant formulas to get the platform for the dynamic response under road random input and proceeding the modal analysis in ANSYS, then doing the random vibration analysis to get its stress, at last analyzing the structure of transport platform and giving the improvement suggestions of the model to improve the reliability to achieve the desired effect.

power spectral density; Road surface spectrum; pre-stressed modal; Random vibration

A

1671-7988(2019)03-118-03

U462

A

1671-7988(2019)03-118-03

U462

劉彪杰，（1986-），男，碩士研究生，就職于成都師范學院物理與工程技術學院，研究方向，汽車性能測試與仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.037