基于ADAMS与ANSYS的装载机工作装置动力学仿真

范晓峰，宋绪丁，万一品

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安710064）

装载机工作装置的好坏直接体现装载机的性能的优略，对其进行动力学模拟仿真能减少设计成本以及设计时间并能从一定程度上检测产品质量。文献[1]对装载机工作装置进行了纯刚体动力学分析，得到在掘起时刻时受力最大；文献[2]建立了装载机工作装置的刚柔耦合模型，分析了其动力学与运动学特性；文献[3]通过比较了装载机工作装置的纯刚形体模型与刚柔耦合模型动力学分析结果，得出刚柔耦合模型与实际情况更相符。本文以某厂5 t装载机为研究对象，通过对建立的刚柔耦合模型进行动力学分析，得到应力云图以及应力时间曲线，为后续装载机工作装置的结构优化提供参考。

1 刚柔耦合模型的建立

装载机工作装置二维平面结构图如图1所示。

图1 装载机工作装置平面图

装载机工作装置在工作时其动臂受载荷较大，极易发生变形；如果把它当成刚性体考虑就默认了其受力时不会产生变形，这与实际情况相脱离，这时引入柔性体来解决这一难题。ADAMS中主要根据模态叠加合成原理来描述柔性体，其实质是计算物体每一时刻由模态向量和模态坐标表示的弹性位移来说明物体的变形[4]。

利用文献[4]理论基础，用柔性体来代替纯刚体的动臂来进行刚柔耦合动力学仿真；采用在ANSYS中生成柔性体，并将其导入到ADAMS中构建刚柔耦合模型来进行刚柔耦合动力学分析，同时主节点与铰孔间采用梁单元来连接以此来传递载荷到动臂上。如图2为装载机工作装置的刚柔耦合模型。

图2 装载机工作装置的刚柔耦合模型

2 装载机工作装置外载荷计算

装载机工作装置在工作过程中主要受到的外载荷有插入阻力、掘起阻力以及物料和本机自重。以下以散装物料为例计算其工作载荷，计算公式如下：

（1）插入阻力

式中a表示铲斗插入料堆的深度，大小为85 cm；b表示铲斗的宽度大小，其值为300 cm；ξ1表示物料间的紧密系数，这里取0.7；ξ2表示物料类型影响系数，这里取值0.17.ξ3表示所铲装物料堆高度的影响系数，取1.15；ξ4表示铲斗本身形状的影响系数，其大小一般在1.1到1.8之间，对于没有齿尖的铲斗取值一般较大，这里取1.4.

（2）掘起阻力

式中M表示铲斗自重加上额定载重的质量，为6 150 kg；a和上式表述一样即插入料堆深度为0.85 m；L1表示铲斗斗尖到铲斗下铰孔的水平距离，其大小等于1.27 m，L2代表铲斗下铰孔与地面的垂直距离，其值为0.31m；L3描述铲斗质心到铲斗下铰孔的水平距离，为0.53 m；具体表述如图3所示。通过计算得到插入阻力为145.4 kN，掘起阻力大小为120.6 kN.

图3 节点的应力时间图

3 动力学仿真

借助ADAMS模型完成装载机插入物料，掘起物料，举升物料以及卸载物料这四种工况的仿真，其中驱动以及载荷的添加由step函数实现，如下所示：

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

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

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

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

物料重力函数：STEP（time，2，0，3，-49000）

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

如图3为最大应力节点的应力时间历程图，从图中可知，应力最大出现在第3 s时刻，大小为211 MPa.

4 结论

通过ANSYS生成拉杆、摇臂以及动臂的模态中性文件导入到ADAMS中建立了装载机工作装置的刚柔耦合模型，通过公式计算得到装载机工作装置的插入阻力与掘起阻力，并对其进行了动力学分析，得到其应力最大时刻发生在掘起物料结束到收斗的瞬间；其应力变化总体趋势为在铲掘物料时逐渐变大，在收斗瞬间达到峰值，然后随着卸料应力开始减小，随着卸料的结束最后趋于平稳。