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来源 e-works
0 引言
自卸车作为一种专用汽车，广泛用于工程建设中。组合连杆式液压举升机构在自卸汽车中应用广泛，早期主要采用复变函数理论或三角函数理论对这种机构的运动和动力学进行分析，然而这种方法比较繁杂，当机构进行修改后，要重复整个复杂的计算过程，效率低、产品开发周期长。本文是在为某公司自卸车的设计中，运用SolidWorks软件，建立举升机构虚拟样机，然后采用COSMOSMotion进行运动仿真，并把运动过程中的零件的受力输出给COSMOSWorks软件进行分析，得到该零件在任意时刻的最大应力，进而得到整个举升过程中的最大应力和对应的举升瞬间角度，再进一步对该瞬间进行详纲的静态分析和强度校核。这种通过虚拟样机技术、运动仿真和有限元技术结合的设计方法，为自卸车的工程设计提供一种新的思路。
1 仿真模型的建立
仿真前，先抽象出系统的力学结构，建立几何模型。然后根据系统各零部件的运动规律确定其约束关系，施加约束副，最后施加力驱动或运动驱动，进行仿真分析。
(1)建立自卸汽车举升机构等效模型简图。如图1所示，以车厢与副车架的铰支点O点为原点建立坐标系，△ABC为三角板，BD为拉杆，CE为油缸。在A点三角板与车厢铰接，在B点三角板与拉杆铰接，在C点三角板与油缸铰接，在D点拉杆与副车架铰接，在E点与油缸与副车架铰接。ABCDE、A＇B＇C＇DE分别为举升机构举升前、后位置。
图1 举升机构样机等效模型简图
(2)创建三维实体模型。本模型有6个零件，分别是车厢（载荷）、三角板（左、右）、支撑杆、液压缸体、液压活塞杆和副车架，并指定副车架为固定件。
在整个机构中，三角板的运动和受力最为复杂，它起着把油缸的推力传递给车厢的功能，同时承受着拉杆的作用。因而，本文以三角板作为机构中的关键零件进行详细分析。
假设在举升过程中，车厢的重量不发生变化。根据该车型设计要求的额定载质量，考虑悬架动态变化、车厢自重及超载因素，实际按8T作为举升质量进行运动学和受力分析。
创建约束副：车厢在O点用旋转副固结在副车架，三角臂在A点用旋转副与车厢连接，在B点与支撑杆用旋转副联接，在C点与活塞杆用旋转副联接。液压缸体在D点用旋转副固结在车架，与活塞杆用移动副联接。由于各构件间的摩擦力相对于各构件所受的压力所占比例很小，所以本例不考虑摩擦。
创建驱动：本文假定活塞相对缸体匀速移动，所以在移动副中创建直线驱动，总行程790mm（油缸行程），仿真时间是20s，总步数为320步，对此机构进行仿真。图2是在仿真结束时刻的模型图。
图2 自卸车的虚拟样机模型（举升后）
2 仿真结果与分析
由图3可知，最大举升角为57°，满足设计要求。
图3 举升角度随举升时间变化曲线图
由图4可知，在举升到约3s（对应图3，可知发生举升到约7°时），油缸最大推力为162 554N。随后，在举升过程中，活塞杆的力逐渐减小。本例仿真曲线很接近图7所示的理想油压特性曲线（曲线变化平缓、Pmax在0-15°），说明本机构设计比较合理。
图4 油缸总推力随举升时间变化的曲线图
图5 支撑杆与三角板作用力曲线图
图6 是车厢与三角板作用力曲线图
图7 理想油压特性曲线图
由图5可知，支撑杆对三角板最大作用力发生在举升到约1.6s时（举升到约4°），数值为103.833N，随后逐渐减小。
由图6可知，三角板对车厢最大推力也发生在举升到约1.6s时，左右两侧均为38.794N。随后，三角板对车厢作用力逐渐减小。
图4、图5、图6的仿真结果对支撑杆、三角板、液压机构的强度设计及对车厢底板的结构设计提供了数值依据。
3 对关键零件一三角板的有限元分析
(1)设计情形分析。三角板在铰支点A受到车厢的压力，在铰支点C受液压油缸推杆的推力，在铰支点B对支撑杆有压力。三角板受力状况随其位置变化而变化，采用传统的解析法对其进行应力分析，难度很大。
另外，三角板本身自重，也会对三角板的应力、应变和位移产生一定影响，与其它文献相比，本文没有忽略。
根据虚拟样机模型确定的连接尺寸，选择材料ZG270-500，初步建立三角板的简单实体模型，采用4节点的实体单元，进行网格划分，使用COSMOSWorks分析软件进行静态分析。
通过COSMOSMotion进行运动仿真和COSMOSWorks输入运动载荷功能，可在多个时刻输入运动载荷。通过使用设计情形分析这些瞬间状态的三角板零件，可以确定三角板上产生最大应力的关键时刻和位置。
通过对图4、5、6的受力分析，可知三角板最大受力情况应发生在20°以内，对应举升时间为前8s内。现每隔0.5s将这前8s共划分为17组，作为设计情形进行应力分析。如图8所示，以组为横坐标，纵坐标为对应各组的最大应力。通过查看图8，可知：在举升过程中，最大von Mises应力最可能出现在第6组（画面时间第3秒，举升到约70时）。
图8 举升过程三角板最大应力变化图
对最大von Mises应力最可能出现的画面时的三角板执行详细的静态分析，应力分布如图9所示。三角板的最大应力值为219.4MPa，接近于许用应力225MPa，主要发生在与车厢连接的铰接孔A处及与拉杆连接的铰接孔B处，三角板的中间部分，应力最低，且应力分布很不均匀。
图9 改进前的三角板应力图解
根据FEA图解，对三角板进行改进，方案如下：①对铰接孔处加强；②外缘厚度在原55mm基础上略增加，中心处适当减少材料，厚度调整为40；③在三条边处形成框架，保持三角板足够的刚度。改进后质量为78.2kg，比改进前的82.4减少了4.2kg。
对改进后的三角板进行FEA分析，应力分布如图10所示，静态位移如图11所示。
图10 改进后的三角板及应力分布图
图11 改进后的三角板静态位移分布图
通过图10分析可知：经过结构改进后的三角板，一方面，质量减轻了4.2kg，更为重要的是，改进后最高应力为151.9MPa，同改进前的最高应力为219.4MPa相比有明显下降。且应力分布要均匀；最大静态位移虽有所上升，在圆销孔处的静态位移量为1.657-1.659mm，但仍低于设计要求的最大值2.5mm。分析结果表明：基于有限元的分析改进是非常有效的。
根据以上设计分析制作的三角板装配在样机上经过反复举升试验，以及在矿区实际使用后无变形、裂纹发生，也说明了该设计分析是合理的。
4 结束语
通过联合虚拟样机技术、运动仿真与有限元技术对自卸车举升机构进行设计，完成了从举升机构布置到关键零部件的改进设计等一系列工作，并在理论与实际相结合的基础上对设计的结果做出正确的评估。其仿真效果良好，结果形象直观，是一种快速可靠的自卸举升机构设计方法，
SolidWorks 2010版本以后：
COSMOSWorks 升级后名称为 SolidWorks Simulation
COSMOSMotion 升级后名称为 SolidWorks Motion
社区站务 
AutoCAD 
Inventor 
Revit 
Navisworks 
Solidworks 
3dsmax 
ProE 
Sketchup 
ACE 
ACM 
CATIA 
Vault 
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来源 e-works
0 引言
自卸车作为一种专用汽车，广泛用于工程建设中。组合连杆式液压举升机构在自卸汽车中应用广泛，早期主要采用复变函数理论或三角函数理论对这种机构的运动和动力学进行分析，然而这种方法比较繁杂，当机构进行修改后，要重复整个复杂的计算过程，效率低、产品开发周期长。本文是在为某公司自卸车的设计中，运用SolidWorks软件，建立举升机构虚拟样机，然后采用COSMOSMotion进行运动仿真，并把运动过程中的零件的受力输出给COSMOSWorks软件进行分析，得到该零件在任意时刻的最大应力，进而得到整个举升过程中的最大应力和对应的举升瞬间角度，再进一步对该瞬间进行详纲的静态分析和强度校核。这种通过虚拟样机技术、运动仿真和有限元技术结合的设计方法，为自卸车的工程设计提供一种新的思路。
1 仿真模型的建立
仿真前，先抽象出系统的力学结构，建立几何模型。然后根据系统各零部件的运动规律确定其约束关系，施加约束副，最后施加力驱动或运动驱动，进行仿真分析。
(1)建立自卸汽车举升机构等效模型简图。如图1所示，以车厢与副车架的铰支点O点为原点建立坐标系，△ABC为三角板，BD为拉杆，CE为油缸。在A点三角板与车厢铰接，在B点三角板与拉杆铰接，在C点三角板与油缸铰接，在D点拉杆与副车架铰接，在E点与油缸与副车架铰接。ABCDE、A＇B＇C＇DE分别为举升机构举升前、后位置。
图1 举升机构样机等效模型简图
(2)创建三维实体模型。本模型有6个零件，分别是车厢（载荷）、三角板（左、右）、支撑杆、液压缸体、液压活塞杆和副车架，并指定副车架为固定件。
在整个机构中，三角板的运动和受力最为复杂，它起着把油缸的推力传递给车厢的功能，同时承受着拉杆的作用。因而，本文以三角板作为机构中的关键零件进行详细分析。
假设在举升过程中，车厢的重量不发生变化。根据该车型设计要求的额定载质量，考虑悬架动态变化、车厢自重及超载因素，实际按8T作为举升质量进行运动学和受力分析。
创建约束副：车厢在O点用旋转副固结在副车架，三角臂在A点用旋转副与车厢连接，在B点与支撑杆用旋转副联接，在C点与活塞杆用旋转副联接。液压缸体在D点用旋转副固结在车架，与活塞杆用移动副联接。由于各构件间的摩擦力相对于各构件所受的压力所占比例很小，所以本例不考虑摩擦。
创建驱动：本文假定活塞相对缸体匀速移动，所以在移动副中创建直线驱动，总行程790mm（油缸行程），仿真时间是20s，总步数为320步，对此机构进行仿真。图2是在仿真结束时刻的模型图。
图2 自卸车的虚拟样机模型（举升后）
2 仿真结果与分析
由图3可知，最大举升角为57°，满足设计要求。
图3 举升角度随举升时间变化曲线图
由图4可知，在举升到约3s（对应图3，可知发生举升到约7°时），油缸最大推力为162 554N。随后，在举升过程中，活塞杆的力逐渐减小。本例仿真曲线很接近图7所示的理想油压特性曲线（曲线变化平缓、Pmax在0-15°），说明本机构设计比较合理。
图4 油缸总推力随举升时间变化的曲线图
图5 支撑杆与三角板作用力曲线图
图6 是车厢与三角板作用力曲线图
图7 理想油压特性曲线图
由图5可知，支撑杆对三角板最大作用力发生在举升到约1.6s时（举升到约4°），数值为103.833N，随后逐渐减小。
由图6可知，三角板对车厢最大推力也发生在举升到约1.6s时，左右两侧均为38.794N。随后，三角板对车厢作用力逐渐减小。
图4、图5、图6的仿真结果对支撑杆、三角板、液压机构的强度设计及对车厢底板的结构设计提供了数值依据。
3 对关键零件一三角板的有限元分析
(1)设计情形分析。三角板在铰支点A受到车厢的压力，在铰支点C受液压油缸推杆的推力，在铰支点B对支撑杆有压力。三角板受力状况随其位置变化而变化，采用传统的解析法对其进行应力分析，难度很大。
另外，三角板本身自重，也会对三角板的应力、应变和位移产生一定影响，与其它文献相比，本文没有忽略。
根据虚拟样机模型确定的连接尺寸，选择材料ZG270-500，初步建立三角板的简单实体模型，采用4节点的实体单元，进行网格划分，使用COSMOSWorks分析软件进行静态分析。
通过COSMOSMotion进行运动仿真和COSMOSWorks输入运动载荷功能，可在多个时刻输入运动载荷。通过使用设计情形分析这些瞬间状态的三角板零件，可以确定三角板上产生最大应力的关键时刻和位置。
通过对图4、5、6的受力分析，可知三角板最大受力情况应发生在20°以内，对应举升时间为前8s内。现每隔0.5s将这前8s共划分为17组，作为设计情形进行应力分析。如图8所示，以组为横坐标，纵坐标为对应各组的最大应力。通过查看图8，可知：在举升过程中，最大von Mises应力最可能出现在第6组（画面时间第3秒，举升到约70时）。
图8 举升过程三角板最大应力变化图
对最大von Mises应力最可能出现的画面时的三角板执行详细的静态分析，应力分布如图9所示。三角板的最大应力值为219.4MPa，接近于许用应力225MPa，主要发生在与车厢连接的铰接孔A处及与拉杆连接的铰接孔B处，三角板的中间部分，应力最低，且应力分布很不均匀。
图9 改进前的三角板应力图解
根据FEA图解，对三角板进行改进，方案如下：①对铰接孔处加强；②外缘厚度在原55mm基础上略增加，中心处适当减少材料，厚度调整为40；③在三条边处形成框架，保持三角板足够的刚度。改进后质量为78.2kg，比改进前的82.4减少了4.2kg。
对改进后的三角板进行FEA分析，应力分布如图10所示，静态位移如图11所示。
图10 改进后的三角板及应力分布图
图11 改进后的三角板静态位移分布图
通过图10分析可知：经过结构改进后的三角板，一方面，质量减轻了4.2kg，更为重要的是，改进后最高应力为151.9MPa，同改进前的最高应力为219.4MPa相比有明显下降。且应力分布要均匀；最大静态位移虽有所上升，在圆销孔处的静态位移量为1.657-1.659mm，但仍低于设计要求的最大值2.5mm。分析结果表明：基于有限元的分析改进是非常有效的。
根据以上设计分析制作的三角板装配在样机上经过反复举升试验，以及在矿区实际使用后无变形、裂纹发生，也说明了该设计分析是合理的。
4 结束语
通过联合虚拟样机技术、运动仿真与有限元技术对自卸车举升机构进行设计，完成了从举升机构布置到关键零部件的改进设计等一系列工作，并在理论与实际相结合的基础上对设计的结果做出正确的评估。其仿真效果良好，结果形象直观，是一种快速可靠的自卸举升机构设计方法，
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