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【6h】

非公路铰接式自卸车平顺性建模、仿真与优化研究

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摘要

车辆平顺性是车辆的重要性能指标之一，长期以米国内外学者在研究车辆平顺性时大都采用地面是刚性的假设条件。但是，当非公路车辆行驶在软路面上时，地面变形将会对车辆的动力学特性产生较大影响，在这种情况下必须考虑地面力学特性与车辆的交互作用。本文以一款新型铰接式自卸车为研究对象，在国家自然基金项目“基于变形地面的重型工程车辆悬架系统优化机理研究”及江苏省自然科学基金项目“用于软路面车辆动力学仿真的轮胎接地模型的研究”的支持下，综合运用车辆地面力学理论、多体动力学理论、有限元方法以及虚拟样机技术建立轮胎—地面接触模型、轮胎动态子结构模型和铰接式自卸车虚拟样机整车模型，在ADAMS/Simulink联合仿真环境下，集成轮胎—地面—整车模型，建立车辆—地面耦合仿真系统。利用该仿真系统深入研究非公路地面特性与车辆参数对车辆平顺性的影响，最后通过对悬架系统的参数优化，提高了铰接式自卸车的行驶平顺性。全文包括以下内容：
　　 1.利用有限元方法，建立二维土壤弹塑性模型、轮胎模型及轮胎土壤—接触模型，计算和分析各种工况下轮胎与土壤的接触过程，得到轮胎与土壤接触的初步规律，为整车与非公路地面相互作用及其平顺性的研究打下基础。
　　 2.分析目前车辆地面力学研究中有关土壤建模的各种方法以及采用半经验法建立的各种承压和剪切模型及各自适用范围，提出本文采用半经验法建立土壤模型。利用轮胎强度脱圈试验机完成轮胎的径向载荷-变形试验，获得轮胎径向变形、接地印迹、接地压力和径向刚度与径向载荷、充气压力之间的关系，为建立轮胎—地面接触模型提供必要的参数和依据。根据轮胎地面接地实际情况，作出合理假设，建立基于不平非公路地面的刚性轮模型和Bekker弹性轮模型。通过该模型，可以获得地面反力、土壤沉陷量和轮胎接地平均压力。
　　 3.以轮胎模态试验获取的模态参数及参数化轮胎有限元模型为基础，通过优化方法，使有限元模型的计算模态参数与试验模态参数一致，获得动力学等效的轮胎模型，将该模型视作连接车辆与地面的子结构，基于修正的Craig-Bampton方法和轮胎接地界面特性，得到轮胎子结构的主模态集和约束模态集，建立适合在ADAMS环境中用于车辆平顺性仿真的轮胎动态子结构模型。
　　 4.在分析铰接式自卸车拓扑构型的基础上，对车辆行驶过程中相对变形较大的悬架杆件进行柔性化建模，对实车的关键柔性连接件进行了相关测试试验，获得了柔性连接副的各种参数，建立了符合工程实际的铰接式自卸车虚拟样机模型。通过SCHENCK整车道路模拟试验台实施了铰接式自卸车整车台架振动试验。通过对多种工况下模型的数值仿真和实验对比，验证了模型的正确性。
　　 5.利用ADAMS/Simulink联合仿真技术将轮胎—地面接触模型、轮胎动态子结构模型以及AD250整车虚拟样机模型进行集成，并考虑地面不平度、左右路谱相关性以及多通过问题，建立车辆—地面耦合系统仿真模型。利用该系统进行了满载下的多工况仿真，在符合悬架动挠度和轮胎动载荷要求的工况中，选出在特定土壤类型上具有最佳牵引效率的车速和胎压的组合作为合理工况，从而确定铰接式自卸车悬架系统参数优化的目标工况。
　　 6.选取对车辆平顺性影响大的前后悬架弹簧刚度、液压阻尼器和后悬架弹簧阻尼作为设计变量，以驾驶室座椅下地板的垂向加速度均方根值为目标函数，以悬架动挠度和轮胎动载荷为约束条件，利用遗传优化算法获得在每种土壤类型下，对于GBD、GBE和GBF级地面具有最佳平顺性的悬架参数最优值，可用于指导AD250的现有悬架系统改进，或者是对AD250的半主动、主动悬架的研制提供参考。
　　 7.总结全文工作，指出本文值得进一步研究和需要完善的地方。对非公路车辆在松软地面上行驶特性的研究工作作出展望。

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