基于刚柔耦合的自卸汽车卸载作业安全性分析_胡洋洋.pdf

第 卷 第期青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）年 月 （）文章编号：（）；：基于刚柔耦合的自卸汽车卸载作业安全性分析胡洋洋，司敏杰，孙明伟，程晓东，刘大维（青岛大学机电工程学院，山东 青岛 ；中国重汽集团青岛重工有限公司，山东 青岛 ）摘要：针对自卸汽车卸载作业时发生的侧翻问题，本文利用 软件建立了柔性车架，采用 软件建立了刚柔耦合的无副车架自卸汽车整车虚拟样机模型。该模型由柔性车架、车箱、举升机构、双前桥、中后桥、前悬架、后平衡悬架及轮胎等部件组成，并对自卸汽车在不同路面横向坡度卸载作业进行仿真分析，得到自卸汽车安全作业的路面横向坡度与举升角、装载量之间的关系，研究了不同装载量及有无副车架对其稳定性的影响。研究结果表明，自卸汽车在举升卸载过程中，在装载量一定的情况下，路面横向坡度越大，临界举升角越小；在路面横向坡度一定的情况下，装载量越大，临界举升角越小；在路面横向坡度及装载量一定的情况下，无副车架自卸汽车比有副车架自卸汽车作业更稳定；自卸汽车未正常卸载的侧翻横向坡度角小于正常卸载的侧翻横向坡度角。该研究对自卸汽车的稳定性设计及作业安全性具有一定的参考价值。关键词：自卸汽车；举升卸载；侧翻；作业安全中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：山东省重点研发计划项目（）作者简介：胡洋洋（），男，硕士研究生，主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术。通信作者：刘大维（），男，博士，教授，主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术。：近年来，自卸汽车在卸载作业过程中经常出现侧翻失稳的现象，因此自卸汽车侧翻成为了一个重要的安全问题 。目前，国内外许多专家学者及生产企业对汽车的作业安全性做了大量研究。张海波等人基于 软件，建立了自卸汽车整车虚拟样机模型，对自卸汽车作业稳定性进行仿真分析，得到各个使用工况的侧翻临界值；李润峰等人基于 进行二次开发研究，提出了一种针对自卸汽车举升工况稳定性的主动安全设计系统，并对自卸汽车的稳定性方案设计进行仿真验证；喻云龙等人通过建立理论模型，得到影响车辆侧倾的主要参数，并采用 软件仿真，建立载重汽车模型，通过场地仿真实验找到侧翻临界值，最后通过仿真优化了控制方案，提高了车辆的抗侧翻能力；刘广明等人 建立了九自由度半挂汽车侧翻预警参考模型，提出了可以超实时预测半挂汽车侧翻危险状态的 侧翻预警算法，有效提高了半挂汽车的侧倾稳定性；张俊等人 从理论的角度阐述了重型汽车发生侧翻的条件，以重型汽车本身的构造分析了侧翻原因，并提出了其应对侧倾的措施；孙会来等人 基于 软件，建立了牵引车 半挂车的整车模型，通过建立对应的环境模型进行仿真试验，确定了各种试验工况下的侧翻临界值，但对自卸汽车作业安全性的研究较少 。因此，本文采用 和 软件建立刚柔耦合的无副车架自卸汽车整车虚拟样机模型 ，对自卸汽车的举升卸载安全性进行仿真分析。该研究为减少或避免自卸汽车作业时的侧翻事故提供了参考依据。自卸汽车卸载作业的安全性自卸汽车通常采用车箱与车架分离的结构，导致自卸汽车车箱在卸货时刚度较弱。同时，受装载物料理化性质及气候、道路、卸货场地的影响，自卸汽车举升或倾卸物料时，在短暂时间内会失去稳定性，车架和货青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷图自卸汽车卸载示意图箱严重扭曲，导致整车发生倾翻。与一般载货汽车相比，自卸汽车的底盘车架和车箱等尺寸参数决定了其质心较高，因此自卸汽车发生危险的可能性也较高。自卸汽车卸载示意图如图所示。当自卸汽车在一定路面横向坡度下进行卸载作业时，由于重力分力的作用，自卸汽车悬架会发生变形，即左、右悬架因受力不均而产生不同程度的弹性变形，此时车箱和货物相对于车桥轴线会产生角位移，举升卸载作业过程中，角位移随车箱和货物质心的升高不断变化 。为防止自卸汽车不发生侧翻，整车重力所指方向的延长线与地面的交点坐标（，）需满足 （）（）式中，为整车瞬时质心高度，；为车架相对车桥轴线旋转中心的离地高度，；为车箱和货物相对于车桥轴线产生的角位移；为轮胎平均接地宽度，。自卸汽车整车刚柔耦合模型的建立自卸汽车整车虚拟样机模型假设条件）除了车架、钢板弹簧、衬套及轮胎外，其他零部件（如货箱、驾驶室及发动机等）均假设为刚性体，即不考虑这些总成自身的变形。）只考虑自卸汽车发动机及驾驶室等各自总成的重力，并采用固定约束将以上部件与车架连接。）在自卸汽车举升卸载过程中，只考虑地面、车箱内物料及自身结构对卸载作业安全性的影响，不考虑风力等其他外界因素。自卸汽车整车虚拟样机建模自卸汽车为结构型式，整备质量为 ，装载质量为 ，车箱尺寸为 ，轴距为 ，前轮距为 ，后轮距为 ；前钢板弹簧的垂直刚度系数为 ，后钢板弹簧的垂直刚度系数为 ，轮胎型号为 ，举升机构为前顶式。本文利用 软件，建立刚柔耦合的无副车架自卸汽车整车虚拟样机模型，该模型由柔性车架、车箱、举升机构、双前桥、中后桥、前悬架、后平衡悬架及轮胎等部件组成。车架为边梁式结构，主要是由纵梁和横梁组成，二者采用铆钉连接，将车架三维模型通过软件接口导入 软件，对其进行几何清理、划分网格、赋材料属性等。内外纵梁及横梁材料属性均定义为 ，屈服极限为 ，弹性模量为 ，泊松比为 。划分网格时，车架的纵梁和横梁等厚度较小的钢板构件，均采用边长 的四边形板壳单元（）进行划分，网格长度和厚度根据实际模型进行调整，尽可能的使单元形状规则，避免单元的某边过长或过短以及某内角太大或太小。在构建装配关系时，采用刚性单元将装配孔的边缘和中心建立约束关系，然后对相应的装配孔中心点进行刚性连接，点焊处采用点焊单元进行模拟。在 软件中建立车架有限元模型后，根据车架所连接的部件位置创建关键点，即在 软件中建立整车虚拟样机模型时，创建用于连接柔性车架和其他刚性部件的外部节点。一个连接位置对应一个外部节点，该车架共有 个外部节点，用于连接驾驶室、发动机、前后钢板弹簧、举升机构、车箱及前后悬架等部件，最后通过 输出 软件可识别的模态中性文件，即 文件。车架有限元模型及外部节点如图所示。本文采用钢板弹簧工具箱，并应用离散梁单元快速建立钢板弹簧模型，将该模型在 中进行整车装配，计算结果可靠。第期胡洋洋，等：基于刚柔耦合的自卸汽车卸载作业安全性分析对自卸汽车作业安全性进行分析时，需选用合适的轮胎及路面模拟轮胎与路面之间的接触，软件提供了多种用于动力学仿真计算的轮胎模型，如 轮胎模型、轮胎模型、魔术公式轮胎模型、柔性环轮胎模型及用户自定义轮胎模型。本文选用 软件中的 魔术公式轮胎模型。软件中提供了二维平面路面模型和三维平面路面模型，分别用于模拟不同的路面激励。本文采用二维平面路面模型，将左右两侧的轮胎分别建立在块地面上。在 的界面下，驾驶室和发动机与车架之间采用固定副连接，举升机构底座与车架之间，上支点与车箱之间，车箱后翻转支座与车架之间均采用旋转副连接。为防止前悬架的钢板弹簧和车架及后平衡悬架的钢板弹簧与中后桥的连接产生过约束情况，本文采用轴套连接。在设置轴套刚度时，对各部件之间存在运动关系方向上的平动或转动设置小刚度，其余方向的平动或转动设置大刚度。因此，前钢板弹簧两端采用轴套与车架连接，中部采用固定副分别与双前桥连接；后平衡悬架两端分别与中后桥、后桥用轴套连接，中部用转动副与平衡轴连接；平衡轴与车架之间用固定副连接。自卸汽车整车虚拟样机模型如图所示。图车架有限元模型及外部节点图自卸汽车整车虚拟样机模型 自卸汽车卸载作业安全性仿真分析由自卸汽车侧翻机理可知，自卸汽车在一定路面横向坡度举升卸载时，随着举升机构的升高，车箱和货物的质心不断升高，在路面横向坡度的影响下，整车质心偏移量也不断增大，自卸汽车将会发生偏载现象，此时在整车质心处会产生一个偏载力矩，导致车轮与地面脱离，整车将会侧翻。在仿真计算过程中，通过监测自卸汽车左右两侧车轮与地面是否发生脱离，判断自卸汽车在卸载过程中的侧翻临界值。当自卸汽车一侧的车轮与地面发生脱离，即自卸汽车一侧车轮的法向反力均为零，则可确定自卸汽车发生了侧翻。图自卸汽车侧翻状态自卸汽车卸载作业仿真工况的确定针对自卸汽车在作业卸载时容易失稳的问题，本文主要对自卸汽车在举升卸载作业时的侧翻现象进行分析。根据自卸汽车的实际使用情况及作业路面凹凸不平的特点，确定了举升机构举升但未能正常卸载和举升机构举升且能正常卸载种计算工况。自卸汽车侧翻状态如图所示。横向坡度倾角是由左右两侧车轮接触的块地面的高度差形成，自卸汽车举升过程通过举升活塞杆与油缸之间移动副的相对运动实现。为模拟自卸汽车的正常卸货工况，相对于车箱的运动，通过对车箱内货物的添加来实现车箱内货物质心的偏移。对于自卸汽车举升卸载时车箱内货物质量的变化，通过在车箱质心处建立一个垂直力，并构造合理的 函数来定义垂直力的大小来实现。结合自卸汽车实际卸载工况，采用 函数，近似模拟正常卸载变化过程为 （，）（）式中，为车箱内货物的质量，；为货物开始倾卸的时刻，；为货物结束倾卸的时刻，。青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷仿真结果与分析在非正常卸载工况下，当装载量为 和路面横向坡度为 时，自卸汽车发生侧翻，自卸汽车卸载作业过程中各车轮法向反力曲线如图所示。图自卸汽车卸载作业过程中各车轮法向反力曲线由图 和图 可以看出，当自卸汽车非正常卸载，路面横向坡度为 ，举升角为 时，前桥左侧车轮法向反力为零，前桥左侧车轮开始脱离地面，自卸汽车开始失稳并具有侧翻倾向；当中前桥车轮、中后桥车轮与后桥车轮在举升角分别为 ，时，左侧车轮法向反力全部为零，自卸汽车发生侧翻。当自卸汽车正常卸载，举升角为 左右时，由于货物的大量倾卸，使左右两侧车轮的法向反力不断下降，当举升卸载结束时，左右两侧车轮的法向反力均不为零，自卸汽车未发生侧翻。装载量为 时，考虑柔性车架与刚性车架对自卸汽车非正常卸载与正常卸载时作业安全性的影响。柔性车架与刚性车架对自卸汽车作业安全性的影响如图所示。图柔性车架与刚性车架对自卸汽车作业安全性的影响第期胡洋洋，等：基于刚柔耦合的自卸汽车卸载作业安全性分析由图可以看出，考虑柔性车架后，自卸汽车卸载作业时的临界举升角小于刚性车架的临界举升角。自卸汽车在实际卸载作业中，车架存在变形现象，建立仿真分析模型时，考虑车架的柔性，可使仿真分析更接近实际使用工况。在非正常卸载与正常卸载条件下，当装载量为 时，有无副车架对自卸汽车作业安全性的影响如图所示。由图可以看出，在举升卸载作业过程中无副车架自卸汽车比有副车架自卸汽车更安全。由于没有副车架，自卸汽车的整车质心高度降低，在举升卸载过程中更加安全。图有无副车架对自卸汽车作业安全性的影响在非正常卸载与正常卸载条件下，不同装载量对自卸汽车作业安全性的影响如图所示。由图可以看出，自卸汽车在非正常卸载和正常卸载过程中，在装载量相同的情况下，路面横向坡度越大，临界举升角越小；在路面横向坡度相同的情况下，装载量越大，自卸汽车发生侧翻的临界举升角越小，因此应避免超载运输的卸载作业。图不同装载量对自卸汽车作业安全性的影响 结束语本文基于 软件和 软件，建立了刚柔耦合的无副车架自卸汽车整车虚拟样机模型，综合研究了不同装载量及有无副车架对自卸汽车在非正常卸载及正常卸载时作业安全性的影响。确定了种计算工况，并对自卸汽车卸载作业安全性进行仿真分析。仿真结果表明，自卸汽车在举升卸载过程中，在装载量一定的情况下，路面横向坡度越大，临界举升角越小；在路面横向坡度一定的情况下，装载量越大，其临界举升角越小。在路面横向坡度及装载量一定的情况下，无副车架自卸汽车比有副车架的自卸汽车作业更稳定，自卸汽车未正常卸载小于正常卸载的侧翻横向坡度角，即自卸汽车非正常卸载作业更容易发生侧翻。该研究为减少或避免自卸汽车作业时的侧翻事故提供了参考依据。青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷参考文献：高正国，刘大维，严天一，等基于虚拟样机的自卸汽车卸载作业侧翻分析安全与环境学报，（）：田永刚，赵晶，吴少祥 自卸车侧翻稳定性分析 汽车科技，（）：关曲光，胡明茂，宫爱红基于侧翻贡献度的自卸车举升作业侧倾稳定性科学技术与工程，（）：李汉杰，李润峰，刘俊