基于SolidWorks

基于SolidWorks的自卸举升机构仿真设计的研究

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∙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零部件具体设计的一系列设计工作，并对举升机构关键零部件进行了受力分析，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，提供了一种快速可靠的自卸举升机构设计方法。

本文探讨研究了自卸举升机构仿真设计的相关内容。

1引言

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，效率较低于本文是在为某公司自卸车的设计中，运用Sol idWorks软件，对白卸汽车连杆式液压举升机构进行三维建模，建立虚拟样机。然后采用C OSMOSmotion对举升机构进行运动仿真，并把运动过程中的零件的受力输出给COSMOS Works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细的静态分析和强度校核。本文试通过虚拟样机技术、运动仿真和有限元技术结合，为自卸车的工程设计提供一种新的思路。

2仿真模型的建立

本文是在SolidWorks环境下建模，用COSMOSMotion进行运动仿真。仿真前，先抽象出系统的力学结构和物理特性，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

以车厢与副车架的铰支点0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。

(2)创建三维实体模型

本模型有6个零件，分别是载荷(车厢)、三角板(左、右)、支撑杆、液压缸体、液压活塞杆和车架，并指定车架为固定件。

在该模型中，车架与车厢分别作为固定件和载荷，本文不再对此进行分析。液压缸体和液压活塞杆作为液压缸总成，基本上是标准配套件，由整车生产厂根据举升质量和机构总布置进行选型，在此，本文不作分析。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，同时承受着支撑杆的支撑作用。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。用三维的长方体作为载荷，载荷是根据整车总布置及设计要求确定。确定后的长方体的尺寸为:4000mm·2000mm·600mm,额定载质量加车湘自重共为6G，考虑悬架动态变化;，在额定载质量基础上增加10% ,另外考虑超载1t左右，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。由丁各构件间的摩擦力相对于各构件所受的压力所，片比例很小，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，速度为46 mm/s，仿真时间是16s，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。

3仿真结果与分析

由图3可知，最大举升角为510,满足设计要求。

由图4可知，在举升到约3.5s(对应图3，可知发生举升到约70时)，油缸最大推力为1 28922N。随后，在举升过程中，活塞杆的力逐渐减小。本图的曲线很接近图5所示的理想油压特性曲线(曲线变化平缓，Pmax在0°~15°之间)，说明本机构设计比较合理。

由图6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40)，数值为80962N，随后逐渐减小。

由图7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32966N。随后，丫角板对车厢作用力逐渐减小。

图4、图6,图7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地板的结构设计提供了数值依据。

4对关键零件-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，在铰支点刀对支撑杆有压力。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，三角板自重，也会对三角板的应力、应变和位移产生一定影响。

根据虚拟样机模型确定的连接尺寸，结合三角板三处绞接孔的受力曲线图和工程实践，参考同类产品，重新建立三角板的实体模型，并使用COSMOSWorks分析软件进行静态分析。模型采用4节点的实体单元，进行网格划分，划分后的二角板模型，如图8所示。

材料采用ZG230-450,材料属性见表1o

通过COSMOSMotiun进行运动仿真和COSMOSWorks输人运动载荷功能，在多个时间瞬间(画面)输人运动载荷。通过使用设计情形分析这些时间瞬间的三角板零件，确定三角板上产生最大应力的关键时间瞬间，再对此关键时间瞬间进行静态有限元分析。

通过对图4,6,7的受力分析，可知只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9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9，可知:在举升过程中，最大vonMises应力最可能出现在第7组(画面时间第3.5s，举升到约7°时)。

(2)三角板的静态分析: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。

三角板应力分布如图10所示。由图10可以看出，整个三角板的应力水平较好，最大为184.1 MPa，最大应力发生在与车厢连接的铰接孔A处，尚未达到三角板材料的强度极限230MPa。通过图11，可知三角板最大静态位移量为1.092mm，发生在三角板与车厢、三角板与拉杆连接处，位移变化量也在设计允许范围内。另外举升质量中已考虑悬架动态变化和超载因素，因此将此三角板运用于自卸车举升机构是可行的，根据以上设计分析制作的样机经过反复举升试验，以及在矿区实际使用一年后自卸机构无变形、裂纹发生，也说明了该设计分析是合理的。

5结论