液压模块组合挂车动态响应及疲劳寿命预测研究

摘要

随着运输与物流业快速发展，大型专用运输车被越来越多的运用于重型设备及重型结构的运输上。专用汽车工业在设计与应用过程中不仅要考虑提高运行速度、装载系数以及降低运输成本，更需要提高运行的安全性、平顺性和轻量化的，这已然成为行业的发展趋势。在各种大型专用运输车中，液压模块组合挂车是一种特大、特重的货物陆路运输工具。由于挂车的车架重量与结构尺寸大，其结构弹性固有频率的动态特征与刚柔耦合现象会直接影响车辆系统的动态响应。目前，液压模块组合挂车系统动态响应方面的研究文献较少，主要是由于该车由多部件、机构与系统组成，具有大型复杂多体系统的特点。关于挂车的结构强度的研究多采取静态分析方法，该方法虽然方法简单，但是不能全面地反映挂车在实际运行中结构所承受的随机交变动载荷。因此，本文将有限元分析、多体动力学仿真与结构疲劳分析相结合，以用于对液压模块组合挂车的装载方案设计、以及对系统动态响应特性与结构疲劳强度的研究，具有较强的工程意义和学术价值。论文完成了主要工作和取得的主要结论如下:
　　(1)当研究15轴线式液压模块组合挂车系统的动态响应时，在充分考虑车架的弹性固有动态特征后，利用ANSYS建立了车架结构的有限元模型，合理地选取了模型的主自由度，采用子结构缩减自由度的模态分析方法求得结构固有频率与振型。计算结果表明:缩减自由度法得出的车架前20阶模态能够满足模型计算精度要求，大幅提高计算效率;
　　(2)探讨了多体系统中刚体、柔体运动学与动力学方程的建立与求解方法。基于流体的力学微分方程组和流体的流动方程，建立了液压悬挂系统的液压缸工作状态动力学方程，并结合多体系统动力学方程,推导出了含液压悬挂系统的挂车多体系统动力学方程;
　　(3)在考虑车架弹性动态特征和液压悬挂系统对挂车系统动态响应特性的影响后，建立了15轴线式液压模块组合挂车的多刚体和刚柔耦合多体系统两种模型，结合挂车道路振动试验验证了模型的准确性。对比分析的结果表明:刚柔耦合多体系统模型仿真计算结果与对应试验测点的实际频谱变化规律基本吻合，模态频率值相对误差较小。由此验证了刚柔耦合多体系统模型的准确性;
　　(4)在针对液压模块组合挂车的支架装载方案设计中，通过有限元静态分析获得车架结构的应力水平和垂向变形量。并以此为评价参数，研究了支架数量及其位置和液压悬挂系统的支撑方式对车架承受载荷能力的影响。最终提出了具有最少支架数量，同时也能够满足车架强度要求的三支架装载方案P3-2;
　　(5)在三支架装载方案P3-2的多体系统动力学模型的基础上，研究了在不同路面不平度及不同车速下的运行工况对挂车系统动态响应特性的影响。仿真计算的结果表明:挂车部件的垂向加速度均方根值与部件间的动载荷随路面不平度及车速的增加而增大，在正弦形凹凸路面冲击下悬架摆臂的垂向加速度和车轴的动载荷急剧增大;液压回路系统能够有效地使同属于一个液压缸组中的车轴承受相等的载荷，同时减小作用于车架上的动载荷;由于支架刚度与液压悬挂系统的影响，车架左右两边和前后部分的垂向加速度值都大于纵向对称面与接近支架的部分。
　　(6)在研究挂车的运行工况对摆臂和车架结构疲劳寿命的影响时，运用有限元准静态叠加法进行了结构动态响应分析，计算获得结构的应力历程。基于局部应力应变法建立了摆臂疲劳寿命预测模型。计算结果表明:摆臂疲劳危险部位出现在已发生断裂的断面位置，危险部位的应力水平已进入塑性状态;挂车在B级、C级与D级路面的运行工况下，危险部位的疲劳寿命均大于挂车使用年限;而在凹凸路面的运行下，其寿命随路面起伏幅值及车速的增加而急剧缩短;计算的结果符合物流公司的运行记录:摆臂断裂故障常发生在凹凸不平的复杂路段。
　　(7)以国际焊接学会的《焊接结构和构件的疲劳设计》标准的热点应力方法为依据，对车架焊接结构建立了危险部位的疲劳寿命预测模型。计算结果得出:挂车在凹凸路面S2类、车速为5.55m/s的运行工况下，各危险部位的最小疲劳寿命为13.51年小于挂车使用年限，但大于挂车报废年限。根据挂车的摆臂和车架结构疲劳寿命预测的结果，提出了考虑摆臂和车架结构强度的适用运行工况。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 液压模块挂车的发展与研究现状

1．2．1 发展现状

1．2．2 HMAT的研究现状

1．2．3 存在的问题

1．3 基于刚柔耦合仿真的车辆动态响应及结构强度研究现状

1．3．1 弹性体和刚柔耦合的研究综述

1．3．2 车辆刚柔耦合动态响应及结构强度研究

1．4 研究对象的概述

1．5 论文的主要研究内容及技术路线

第2章 挂车车架的弹性固有动态特征分析

2．1 结构动力学问题的有限元法

2．1．1 有限元法的基本理论

2．1．2 结构有限元模型的动力学方程

2．2 结构多自由度系统的模态分析

2．2．1 模态分析的基础理论

2．2．2 模态分析的特征方程及相关参数

2．3 车架结构有限元模型建立及动态特征分析

2．3．1 车架结构有限元模型建立

2．3．2 车架有限元模型的模态计算分析

2．3．3 车架有限元模型的缩减自由度模态计算

2．4 本章小结

第3章 整车刚柔耦合多体系统模型的建立

3．1 多体系统动力学模型的建模方法

3．2 多刚体系统动力学方程的建立

3．2．1 基本概念

3．2．2 多刚体系统动力学方程

3．3 柔性体动力学方程的建立

3．3．1 子结构模态综合方法与柔性体运动学方程

3．3．2 柔性体动力学方程的建立

3．3．4 刚柔耦合方式

3．4 含液压悬挂系统的挂车多体系统动力学方程建立

3．4．1 流体运动状态的基本方程

3．4．2 含液压悬挂系统的挂车多体系统动力学方程

3．5 挂车刚柔耦合多体系统模型的建立

3．1．1 车架柔性体的处理

3．1．2 液压回路系统的建立

3．1．3 轮胎模型

3．1．4 整车刚柔耦合多体系统模型

3．6 本章小结

第4章 挂车多体系统动力学仿真分析

4．1 多体系统方程的求解与分析方法

4．1．1 ADAMS／Slover求解过程

4．1．2 多体系统分析的方程求解

4．2 路面随机不平度激励信号的数值模拟

4．2．1 路面不平度的研究方法

4．2．2 路面不平度的数值模拟

4．3 多体系统动力学仿真与振动试验的对比分析

4．3．1 HMAT道路行驶的振动试验测试

4．3．2 仿真计算与振动试验结果的对比分析

4．4 本章小结

第5章 挂车装载方案设计及动态响应特性研究

5．1 HMAT装载方式的概述

5．1．1 三种装载方式的特点

5．1．2 液压悬挂系统的支撑方式

5．2 HMAT装载方案设计与车架有限元静态分析

5．2．1 装载方案设计

5．2．2 车架结构有限元静态分析

5．3 运行工况对车辆系统动态响应特性的影响研究

5．3．1 路面等级与速度对系统动态响应的影响

5．3．2 HMAT在不同货物重量的运行工况

5．3．3 凹凸路面对的HMAT系统动态响应的影响

5．4 本章小结

第6章 摆臂和车架结构的疲劳寿命预测

6．1 结构疲劳寿命分析的相关理论

6．1．1 疲劳寿命分析估算方法

6．1．2 随机载荷统计处理和疲劳累积损伤理论

6．2 焊接钢结构疲劳强度的概述

6．2．1 焊接钢结构疲劳强度的特点

6．2．2 焊接钢结构的疲劳分析方法

6．3 摆臂结构疲劳寿命预测

6．3．1 摆臂结构有限元的应力历程计算

6．3．2 摆臂结构的疲劳寿命预测模型

6．3．3 摆臂疲劳寿命预测与分析

6．4 车架焊接结构疲劳寿命预测

6．4．1 车架应力时间历程的计算

6．4．2 焊接结构的热点应力疲劳寿命预测模型

6．4．3 车架结构疲劳寿命预测与分析

6．5 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及参加科研项目情况