本文關鍵詞：軍用工程機械虛擬疲勞試驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

分類號
ＵＤＣ

ＴＰ３９１．９，Ｕ４６２．３＋６

學號

０４０３００９ ３

密級

壘孟

工學碩士學位論文

軍用工程機械 虛擬疲勞試驗研究

碩士生姓名 學科專業(yè)

叢

擅

狃煎王焦

研究方向丑靠性達驗理詮塹這苤
指導教師

尚建盥熬拯

國防科學技術大學研究生院 二ｏｏ六年十一月

國防科學技術大學研究生院學位論文

摘要
本文的研究工作來源于總裝備部。軍用工程機械行駛可靠性模擬試驗理論與方法研
究”項目。

本文在綜合了虛擬樣機技術、有限元技術、疲勞理論等多種學科和技術的基礎上，通 過對虛擬樣機建模、虛擬試驗過程控制、虛擬載荷譜獲取、虛擬疲勞壽命預測等諸多虛擬 疲勞試驗的關鍵技術進行研究，結合軍用工程機械結構和作業(yè)環(huán)境的特殊性，提出了適合 于軍用工程機械的將工作裝置與底盤兩大系統(tǒng)分開建模、分別試驗的思想；并通過對ＭＳＣ 動力學仿真，有限元分析、疲勞壽命分析軟件的集成應用，提出了該軍用工程機械兩大系 統(tǒng)各自虛擬疲勞試驗的流程，組建了虛擬疲勞試驗系統(tǒng)。 隨后，本文在ＡＤＡＭＳ環(huán)境中分別建立了某裝載裝置與某高速輪式多用工程車底盤系 統(tǒng)的虛擬樣機，根據在＿Ｐ２Ｚ試驗系統(tǒng)中描述的方法，先后對兩虛擬樣機分別進行了作業(yè)仿 真與虛擬道路行駛仿真；分別獲得了時域與模態(tài)載荷譜；最后，對兩系統(tǒng)分別進行了基于 時域載荷與摸態(tài)應力恢復的虛擬疲勞試驗，預測了各自系統(tǒng)上金屬結構零部件的疲勞壽命 及疲勞壽命安全系數；通過與現(xiàn)有實裝試驗標準及數據進行比對，驗證了該系統(tǒng)在軍用工 程機械可靠性驗證試驗中的有效性。 本虛擬疲勞試驗系統(tǒng)的建立結束了長期以來我軍工程機械的可靠性試驗主要依賴道 路行駛試驗或專用試驗場試驗的歷史，克服了傳統(tǒng)試驗方法存在試驗周期長、費用高，試 驗條件難以控制，試驗中有一定的安全隱患等同有缺陷，為加速我軍軍用工程機械更新?lián)Q 代，提高軍用工程機械的可靠性試驗水平奠定了堅實的基礎． 關鍵詞；虛擬試驗，工程機械，虛擬樣機，疲勞試驗，載荷譜，模態(tài)應力恢復

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國防科學技術大學研究生院學位論文

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｌ Ａｒｍａｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ

ｐｒｏｊｅｆｔ

‘＇Ｔｈｅｏｒｙ＆Ｍｅｔｈｏｄ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ

Ｏｉｌ

ｔｈｅ Ｒｉｄｉｎｇ

Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ

Ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＣＶ）■
ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ（ｖＰ），ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ

Ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ

ｆｌＥＡ），
ｌｉｆｅ

ｆａｔｉｇｕｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｅｔｅ．，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆｖｉｒｔｕａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ

Ｏｆｆ＇Ｊ９ ｓｕｃｈ ａｓ

ｔｈｅ ＶＰ’Ｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，

ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｖｉ＿ｒｔｕａｌ ｔｅｓｔｓ，ｖｉｒｔｕａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ，ｖｉｒｔｕａｌ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｅｔｅ，ｈａｖｅ

ｆａｔｉｇｕｅ

ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｂｙ

ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｏｆ

ｍｉｌｉｔａｒｙ ＣＶｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ｅｎｖｉｒｏｌｌｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ＣＶ ｉｎ

ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ

ｓ）ｒｓｔｅｍｓ＿———ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｓｓｉｓ

ｓｙｓｔｅｍ．Ｅａｃｈ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌＩ ｂｅ ｍｏｄｅｌｅｄ
ａｓ

ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ｂａｓｅｄ

Ｏｎ

ｉｔｓ ｏｗｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｕｃｈ

ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ，ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ，ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ，ａｎｄ ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ。Ｗｅ
ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＶｓ．

ｆｏｕｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ＶＦｌｒ

ｔｗｏ

ｓｙｓｔｅｍｓ

ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ

ＶＦＴｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ＶＦＴ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｌｉｔａｒｙ

Ｔｈｅ ＶＰｓ ｏｆｓｏｍｅ
ｕｐ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ

ｌｏａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｓｓｉｓ ｏｆａ
Ｏｉｌ

ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｗｈｅｅｌｅｄ

ｓｃｒａｐｅｒ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ

ＡＤＡＭＳ．Ｂａｓｅ

ｔｈｅ、，ＦＴ

ｓｙｓｔｅｍ，ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ

ｌｏａｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｉｍｅ

ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ｄｏｍａｉｎ Ｗｅｒｅ

ａｃｑｕｉｒｅｄ

ｂｙ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｏａｄ ｒｉｄｉｎｇ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｓｅｃｏｎｄ，ＶＦｒｓ ｗ讎ｄｏｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｆｏｒｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒａ（ｕｓｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｌｌｓ ｍｏｄａｌ
ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｓｓ

ｒｅｃｏｖｅｒｙ（ＭＳＲ）ｔｏ ｒｅｖＡ３ｖｅｒ ｍｏｄａｌ

ｎｏｄｅ

ｓｐｅｃｔｒａ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ

ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ’ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｈｅｓｅ

ｐａｒｔｓ’ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｆａｔｉｇｕｅ ｓａｆｅ ＶＦｒｓ’ｒｅｓｕｌｔ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔ’ｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ

ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆＶＦＴ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ｐｒｏｖｅｄ． Ｔｈｉｓ ＶＦｒ

ｄｅｍｏｎｓ扛ａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆｔｈａ

ｍｉｆｉｔａｒｙ ＣＶ ＷａＳ

ｓｙｓｔｅｍ
ａｓ

ｔｅｒｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｏａｄ ｒｉｄｉｎｇ ｔｅｓｔ

ｏｒ

ｐｒｏｖｉｎｇ

ｇｒｏｕｎｄ口Ｇ）ｔｅｓｔ

ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｍｉｌｉｔａｒｙ ＣＶ’Ｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ

ｔｅｓｔ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ
ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，
ｏｎ

ｔｏ ａ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｏｒ ｆａｔｉｇｕｅ＆ｄｔｗａｂｉｌｉｔｙ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔａｋｉｎｇ ｉｔ嬲ａ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ

ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔ，ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ
ｓａｖｅ

ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｘｐｅｌＪｍｅｎｔ＇￥ｒｉｓｋ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

ｅ】（ｐｅＩｌ辯．Ｔｈｅ

ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｕｌｄ ｔａｋｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｌｅｖｅｌ

ａｄｖａｎｔａｇｅ

ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
ＣＶｓ．

ｔｈｅ ＣＶ’ｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ

ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｕｐｄａｔｅ ｏｆｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｌ－ｔ１１ａｌ ｔｅｓｔ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｖｉ／Ｒｌａｌ

ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｆａｔｉｇｕｅ

ｔｅｓｔ，ｌｏａｄｉｎｇ

ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｍｏｄａｌ

ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｃｏｖｅｒｙ

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獨創(chuàng)性聲明

本人聲明所呈交的學位論文是我本人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果．盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學技術大學或其它 教育機構的學位或證書而使用過的材科．與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意． 學位論文題目：

星旦三蕉扭拭虐拯瘥塋毯墜丑窺

學位論文作者簽名：

叢緬

日期：

ｚ耐年，，月弦日

。學位論文版權使用授權書

本人完全了解國防科學技術大學有關保留，使用學位論文的規(guī)定．本人授權 國防科學技術大學可以保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據 庫進行檢索，可以采用影印，縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文． （保密學位論文在解密后適用本授權書．） 學位論文題目：

懶踟獬：牡
學位論文作者簽名：

星旦王猩扭擅廑趙逸蒸遺墜盈壅

絲掏

日期：

．２－”６年７ｆ月歹９日

日期：訓年１１月；－日

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第一章緒論
§１．１課題來源與研究意義
軍用工程機械是陸軍武器裝備的重要組成部分，是伴隨部隊機動、提供作戰(zhàn)工程保障 的主要軍事裝備，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用，其發(fā)展水平的高低直接影響著軍隊工程 裝備的工程保障能力．我國軍用工程機械的研究開始于建國初期，但真正形成規(guī)模是在２０ 世紀７０年代。改革開放后，隨著我國經濟的快速發(fā)展，我軍軍用工程機械的研制和開發(fā) 也走上了快速發(fā)展的軌道，目前已經形成了以野戰(zhàn)工程機械、建筑機械和保障機械三大門 類為主的幾十種工程機械裝備，品種，規(guī)格基本齊全． 軍用工程機械的可靠性、耐久性試驗是提高和保證其質量的重要手段．我軍對工程裝 備進行的可靠性和耐久性試驗的內容繁多，主要包括：整車可靠性、耐久性、振動性能分 析；零部件（如懸架、軸橋）等的疲勞試驗和動力特性試驗；工程裝備工作裝置的可靠性 和適應性試驗；基型底盤的動力性能分析等“１． 長期以來，我軍對軍用工程機械進行的整車級別的可靠性試驗，主要依靠實車道路行 駛試驗或專用試驗場試驗．當采用這兩種試驗方式進行試驗時，要想全面的獲得試驗對象 的可靠性疲勞壽命數據，就必須使用多輛試驗樣車在事先選定的具有一定配比的各種路面 上行駛至足夠的里程（參照ＧＪＢ４１１０，鑒定試驗一般要求行駛３０００公里），甚至要求行駛 至出現(xiàn)致命故障為止．由于在通常情況下，工程機械均具有較長的疲勞壽命（數千小時或 數十萬公里），且不同試驗樣車出現(xiàn)的故障形式和位置也不盡相同，因此進行一次完整的 實車試驗，從試驗準備到試驗報告編寫，往往需要歷經一年至數年時間，使用數臺試驗樣 車，累計行駛數萬公里，耗費的資金也動輒以百萬甚至千萬計．此外，由于試驗對象往往 是新研制的型號，對其進行試驗對于試驗人員也存在著較大的風險． 同樣的情況也存在于對工程機械工作裝置的可靠性試驗上．對工作裝置進行可靠性試 驗，目前較為常用的是實裝作業(yè)試驗．試驗要求用數臺試驗樣機完成一定時間的某種類型 的作業(yè)任務。參照ＧＪＢ４１１０標準，單臺樣機的總作業(yè)時間不少于１０００小時。可以看出， 該試驗也是十分費時費力的。 正是由于目前的試驗方法（上述兩種試驗統(tǒng)稱為外場試驗）存在上述周期長、費用高， 試驗條件難以控制，試驗中有一定的安全隱患等缺陷，已無法適應當前新軍事變革環(huán)境下， 對軍用工程機械品種更新快、可靠性要求高的特點．我軍當前迫切需要找到一種試驗成本 低、周期短、結果可信性高的可靠性試驗方法來取代或部分取代現(xiàn)有的試驗方法． 目前，在國內外的通用汽車領域應用已十分普遍的手段是用室內臺架模擬試驗（簡稱 臺架試驗）部分替代原有代價高昂的實車路面試驗．臺架試驗采用電液伺服系統(tǒng)中的伺服 作動器對被試車輛進行多方向的動態(tài)加載，達到在室內試驗臺架上模擬復現(xiàn)車輛外場行駛
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載荷歷程的目的，參見圖１－１．與此同時，國內外一些工程機械生產企業(yè)通過將電液伺服 作動器作用于工程裝備作業(yè)裝置之上，模擬實際使用過程中的載荷，亦可將外場作業(yè)試驗 移至臺架上來完成，如圖１－２所示．由于進行室內模擬試驗時通常只保留了對車輛行駛可 靠性影響較大的載荷數據，刪除了影響較小的小載荷嘶”，試驗環(huán)境可人為控制，排除了 自然條件變化，操作人員失誤等影響因素，用這種模擬試驗系統(tǒng)進行試驗能以模擬手段部 分代替外場實車行駛可靠性試驗，顯著縮短試驗周期，大幅降低試驗費用、提高試驗結果 可信度，從而加快新產品的研制進度，全面提高產品的質量．總裝備部于２００５年啟動了 “軍用工程機械行駛可靠性模擬試驗理論與方法研究”項目，著手建立軍用工程機械室內 道路／作業(yè)模擬設備．在具備了室內模擬試驗條件之后，軍用工程機械的可靠性試驗可采 用外場試驗與室內模擬試驗相結合的方式進行，使可靠性試驗的質量和效率得到大幅提
高。

圖１－１道路模擬臺架試驗

圖１．２工作裝置臺架試驗

然而，采用臺架來進行軍用工程機械的可靠性疲勞試驗并不是一勞永逸的解決辦法． 自七十年代末我國引進第一臺室內道路模擬試驗設備以來，經過２０余年的發(fā)展，雖 然目前國內使用單位眾多，引進設備數量龐大，但僅有為數不多的具有很強技術、經濟實 力和豐富相關試驗經驗的大型廠家（如一汽、二汽、上汽等）能夠開展一定規(guī)模的該類試 驗，且已基本摸索出一套適合本廠產品的道路模擬試驗操作規(guī)范和壽命當量關系（指臺架 試驗壽命與實際使用壽命之間的關系）ｍ１，其它較小企業(yè)和研究機構限于財力、物力、時 間和技術等多方面原因。試驗的應用水平一直不高，甚至有些單位出現(xiàn)了花費高昂價格從 國外引進的設備長期閑置的遺憾局面．在工程機械領域，目前國內只有徐州工程機械集團 擁有較為完整的試驗系統(tǒng)，但通過實地調研發(fā)現(xiàn)，作為我國工程機械生產龍頭企業(yè)的徐工 集團，自從１９９８年試驗系統(tǒng)建成以來，限于資金和技術上的原因，該試驗系統(tǒng)也未能得 到充分的利用． 另外值得考慮的是，臺架試驗的花費與外場試驗相比雖然有了較大幅度的降低，但臺 架疲勞試驗屬于破壞性試驗，采用實車進行試驗的臺架試驗方法仍然避免不了樣車成本的 開支；由于臺架試驗系統(tǒng)屬于大功率用電系統(tǒng)，完成一次試驗所需支付的電費成本也是一 筆不小的開支．以徐工進行的一次臺架試驗為例，僅單臺樣車成本就超過３００萬，電費也 花費了近２０萬元，試驗成本很高．此外，由于車輛使用環(huán)境的多樣性、隨機性和不確定 性，疲勞壽命估算理論不完善等多種原因，使得模擬試驗系統(tǒng)在我國的整體應用水平發(fā)展

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緩慢，試驗結果分散性大、可信度低。 因此，如何使我軍目前正在建設的同類系統(tǒng)，在缺乏相關使用經驗和技術積累的不利 條件下，在需要充分考慮軍用工程機械使用環(huán)境的特殊性的基礎上，以最低的試驗成本發(fā) 揮出其應有的作用，就成為了先期急需解決的問題。
’

近年來，基于虛擬樣機仿真、有限元分析等技術的虛擬試驗系統(tǒng)已經逐漸應用于國外 汽車及工程機械生產企業(yè)．使用該系統(tǒng)除了能夠對整車系統(tǒng)進行動力學分析，噪聲、振動 和舒適性（ＮｖＨ）分析，碰撞模擬和乘員保護及評價以外，還能夠對整車系統(tǒng)進行疲勞壽

命分析．這就在外場試驗與臺架試驗之外，提供了一種全新的可靠性試驗方式一可靠性
虛擬疲勞試驗。這種新型的可靠性試驗方式的優(yōu)越性是顯而易見的： １）整個試驗過程均在計算機上通過仿真計算完成，無需實裝樣車，無需大功率、高 耗能設備，試驗成本相比臺架試驗進一步大幅降低； ２）在已有試驗對象虛擬樣機的前提下，虛擬疲勞試驗的全部時間僅為仿真計算時間， 與外場試驗和臺架試驗長達數月的試驗時間相比，虛擬試驗的時間大幅縮小至以 小時來計算； ３）試驗環(huán)境靈活多樣，試驗的可重復性強，能夠快速地進行多種類型的可靠性試驗， 并對多種試驗方案進行比較；‘ ４）完全沒有安全隱患； ５）能夠在試驗對象沒有物理樣機的情況下開展試驗，在工程機械設計的早期即對其 疲勞壽命進行預測，對設計方案的改進提供參考： ６）可以作為外場試驗及臺架試驗的前序試驗，找出試驗對象疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，
‘

為后續(xù)實裝試驗提供指導． 然而，擁有上述諸多優(yōu)越特性的虛擬疲勞試驗目前仍處于起步階段，且主要應用于通 用汽車領域。 本課題的研究工作，就是要借鑒國外已有虛擬試驗系統(tǒng)的組織形式和實現(xiàn)方案，利用 現(xiàn)有的軟件環(huán)境，綜合運用虛擬樣機技術、有限元技術、疲勞理論等多種學科和技術，試 圖探索出一種全新的、適應性強、結果可信度高的軍用工程機械可靠性虛擬疲勞試驗方法， 并最終建立一套虛擬疲勞試驗系統(tǒng)，滿足軍隊對軍用工程機械高效、低成本的可靠性疲勞 試驗技術的迫切需要．同時，該虛擬疲勞試驗可為即將建成的軍用工程機械臺架模擬試驗 系統(tǒng)提供有益的指導和必要的補充，為加速我軍用工程機械更新?lián)Q代，提高我軍用工程機 械的可靠性試驗水平奠定堅實的基礎．

§１．２虛擬疲勞試驗國內外發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀
１．２．１國外發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀 在可靠性試驗方面，國外研究處于領先地位．在虛擬疲勞試驗領域，亦不例外，其各
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主要核心技術均由國外學者或組織首先提出和應用． 事實上，作為虛擬試驗的核心技術之一的虛擬試驗環(huán)境技術的出現(xiàn)是與模擬（臺架） 試驗的發(fā)展密不可分的．這是由于臺架試驗本身可以認為是將虛擬試驗中試驗對象的虛擬 樣機替換為實際的物理樣機，兩者所用到的對試驗環(huán)境的模擬再現(xiàn)技術，在許多方面有著 許多共同之處．早在上世紀６０年代，美國Ｆｏｒｄ公司的Ｗ＇ｄｌｉａｎ Ｊ．Ｓｉｄｅｌｋｏ在一篇論文中提出 了應用液壓伺服作動器進行車架疲勞試驗的方法，他們把行駛載荷譜分析、編程疲勞試驗 及道路試驗相互結合起來進行新車架的試驗研究，首次將計算機應用于道路模擬試驗，從 而把車輛零部件試驗技術推進了一大步。１９６５年，美國通用汽車公司凱迪拉克工廠建成了 世界上最早的道路模擬試驗裝置．１９７５年，Ｓｔｙｌｅｓ和Ｄｏｄｄｓ發(fā)展了有關路形模擬理論，并 且把１９６９年出現(xiàn)的快速傅利葉變換（ＦＦＴ）技術用于道路模擬試驗．１９７７年，美國ＭＴＳ
公司推出ＲＰＣ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌ）軟件，１９７９年德國的申克（ＳＣＨＥＮＣＫ，現(xiàn)屬

美國英斯特朗公司）公司推出ＩＴＦＣ（Ｉｔｅｒａｄｖｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ 費爾法斯特（Ｆａｉｒｈｕｒｓｔ）公司推出ＩＤＣ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）系統(tǒng)，１９８７年

Ｄｅｃｏｍｖｏｌｕｔｉｏｎ

Ｃｏｎｔｒ０１）軟件。這三個軟

件都可以在時域或頻域內按給定誤差要求再現(xiàn)道路激勵的響應，實現(xiàn)在實驗室內再現(xiàn)車輛 道路行駛的載荷歷程．所有這些算法和軟件最終成為用于虛擬疲勞試驗的虛擬道路的技術
基礎。

虛擬試驗的另一個核心技術是虛擬樣機技術．其是建立在多剛體系統(tǒng)動力學理論基礎 上，以機械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心的一項技術．１９６６年Ｒｏｂｅｒｓｏｎ和 Ｗｉｔｔｅｎｂｕｒｇ創(chuàng)造性地將圖論引入多剛體系統(tǒng)動力學，使這個學科分支跨入新階段，他們利 用圖論的一些基本概念和數學工具成功地描述了機械系統(tǒng)內各剛體之間的結構特征，借助 圖論工具可使各種不同結構的系統(tǒng)能用統(tǒng)一的數學模型來描述．在隨后的幾十年中，計算 機可視化技術及動畫技術的發(fā)展為這項技術提供了友好的用戶界面，將分散的零部件設計 和分析技術（如零部件的ＣＡＤ建模和有限元分析ＦＥＡ）集成在一起，提供一個全新研發(fā)機械 產品的設計方法．近年來，在通用汽車領域，隨著汽車ＣＡＥ技術的不斷發(fā)展，軟硬件功 能大幅度提高，整車系統(tǒng)的虛擬樣機及其純軟件仿真已經實現(xiàn)． 上述虛擬樣機與虛擬道路結合在一起，就組成了一個最基本的虛擬試驗平臺。在國外 已有的虛擬試驗平臺中，最有影響的是美國工程技術合作公司（ＥＴＡ公司）在 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＡＮ軟件平臺上針對通用汽車進行二次開發(fā)推出的虛擬試驗場（Ⅵｒｎｌａｌ
Ｐｒｏｖｉｎｇ

Ｇｒｏｕｎｄ簡稱ｖＰｃ）．該虛擬試驗平臺以整車系統(tǒng)為分析對象，考慮系統(tǒng)各類非線性，

以標準路面和車速為負荷，對整車系統(tǒng)同時進行結構疲勞、全頻率振動噪聲分析和數據處 理及碰撞歷程仿真，快捷地完成整車性能分析以及疲勞壽命預測等任務，達到在產品設計 前期即可得到樣車道路試驗結果的“整車性能預測”結果，大量節(jié)省開發(fā)時間和成本，有 很廣闊的應用與發(fā)展空間阻“．此外，美國機械系統(tǒng)測試（ＮＩＴＳ）公司開發(fā)的虛擬試驗室 系統(tǒng)（ｖＩＬ），通過在產品或部件上安裝虛擬傳感器，并將不同的測試環(huán)境應用于該虛擬樣 機之上，即可獲得產品的疲勞強度、動態(tài)特性、操作舒適性、噪聲以及振動等試驗結果． 在ｙｒＬ中，一旦虛擬樣機確定，可以反復進行試驗，并根據虛擬試驗結果對設計進行反復
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修改，從而獲得最佳設計方案。

在工程機械領域，全球最大的工程機械制造企ｇ卜—咔特彼勒徹，不僅擁有整車試驗
系統(tǒng)，而且建有駕駛室、驅動橋、懸架等零部件專用模擬試驗系統(tǒng)．該公司的技術中心早 在１９９５年即已有９６通道的模擬加載裝置，其中包括兩套８通道整機模擬試驗系統(tǒng)．在虛

擬試驗方面，２００５年，比利時Ｌ瞄公司為卡特彼勒公司提供用于噪聲和振動研究的虛擬試
驗室和測試試驗室，該虛擬試驗室能夠對新設計方案的振動舒適性和噪聲性能進行優(yōu)化。 從最初的虛擬樣機階段到最終的樣機論證階段，利用ＬＭＳ虛擬試驗室，工程師可以分析有 限元模型和測試模型之問的關系，從而提高有限元模型的精度㈨． １２．２國內發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀 由于國內目前使用的各種與可靠性試驗或虛擬試驗相關的軟硬件均為國外引進，因此 我國對虛擬試驗的研究目前整體仍處于使用國外先進的軟硬件進行相關領域的應用研究 這一階段．由于虛擬樣機技術在我國已經成功地運用于汽車零部件優(yōu)化，整車性能分析與 評價、新技術開發(fā)、汽車制造模擬及質量管理等領域，因此在利用虛擬樣機技術完成零部 件的虛擬疲勞試驗方面，國內的通用汽車領域亦走在了其它領域之前．不過從目前情況來 看，起步相比國外仍然較晚，并且沒有形成系統(tǒng)． ２００２年，上海匯眾汽車制造有限公司的錢鋒即提出了通過將三維設計軟件ＵＧ、虛擬 樣機建模與分析軟件ＡＤＡＭＳ、有限元分析軟件№峪ＴＲＡＮ等結合起來綜合運用完成基于車 輛虛擬樣機的虛擬疲勞試驗的思想，并且指出了通過虛擬試驗可以用來確定臺架疲勞試驗 中的當量疲勞壽命，指導臺架試驗的方案設計，為臺架試驗大綱的擬訂提供依據等虛擬試 驗的優(yōu)點和用途㈨。但由于當時國內軟硬件環(huán)境皆不成熟，尚不具備實現(xiàn)該試驗的條件， 該思想在其后的幾年內一直未被實現(xiàn)． ２００５年，合肥工業(yè)大學的趙韓，錢德猛等針對某種型號客車的空氣懸架．應用多體動

力學軟件ＡＤＡＭＳ構建了懸架的虛擬樣機，進行了動力學仿真分析，然后應用ＡＮＳＹＳ軟件
對彈簧支架進行了分析，計算了彈簧支架的應力、變形特性和疲勞壽命咖１．在論文中，趙 韓等使用了從ｕＧ到ＡＤＡＭｓ再至ＯＡＮＳＹＳ的試驗分析路徑，驗證了在當時的軟件環(huán)境已經足 以完成虛擬疲勞試驗． ２００６年２月，重慶大學機械傳動國家重點實驗室的胡玉梅，陶麗芳等與長安汽車股份 有限公司試驗所的馮剛實現(xiàn)了基于多體動力學仿真與有限元強度分析結合的車身疲勞強 度分析，對車身高應力區(qū)域迸行了疲勞壽命估計，為實際試驗中應變貼片的位置提供了指 導．并且通過將該虛擬試驗結果與實際臺架試驗相比較，發(fā)現(xiàn)與實際試驗結果吻合良好， 虛擬試驗獲得了成功油１．這是我國有報道的首次將整車多體動力學模型（虛擬樣機）應用 于虛擬疲勞試驗，并且獲得了比較滿意的效果，顯示出利用現(xiàn)有軟硬件環(huán)境全面開展虛擬 疲勞試驗的條件已經趨于成熟． 然而，在工程機械領域，虛擬樣機技術在國內應用的廣度和深度均遠遠落后于通用汽
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車領域．從目前公布的資料來看，僅限于工程機械工作裝置的機構設計與優(yōu)化、液壓系統(tǒng) 設計等較為基礎的仿真和優(yōu)化等應用呻?“胤“…”，對于基于虛擬樣機技術的虛擬試驗基本 沒有涉及，在虛擬疲勞試驗方面更是一片空白．

§１．３本文主要研究內容
本文在綜合研究了虛擬樣機技術、有限元技術、疲勞理論等多種學科和技術的基礎上 利用有成熟的軟件環(huán)境，結合軍用工程機械特殊的結構與使用環(huán)境構建能夠適合其不同類 型虛擬疲勞試驗的試驗系統(tǒng)。主要的研究內容如下： 第一章對本課題的來源和意義，虛擬疲勞試驗發(fā)展的歷程和現(xiàn)狀進行阿述； 第二章概括了現(xiàn)有疲勞壽命預測理論的發(fā)展歷程，并對現(xiàn)有軍用工程機械可靠性疲勞 試驗的分類和試驗方法加以介紹。 第三章詳細分析了要在計算機中仿真出不同種類的可靠性疲勞試驗，目前需要解決的 各項關鍵技術．通過分析，提出了各關鍵技術的解決方案．而后進一步阿述了在解決上述 關鍵技術的前提下如何搭建出適合于軍用工程機械虛擬疲勞分析的試驗系統(tǒng)． 第四章選定兩個具體的研究對象，使用第三章提出的方法建立了其各自的虛擬樣機模
型。

第五和第六章繼續(xù)使用第三章中提出的試驗方法，對第四章中建立的虛擬樣機分別完 成了兩種不同類型的虛擬疲勞試驗，通過與現(xiàn)有試驗標準或數據進行比較分析，驗證了本 課題中所提出的虛擬試驗方法的有效性． 第七章對全文的工作進行了總結，列舉了本課題研究的創(chuàng)新點和不足，對未來需要改 進的地方做出了展望。

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．

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第二章疲勞壽命預測理論與可靠性疲勞試驗
§２．１引言
磨損、腐蝕和疲勞破壞是機械零件和工程結構的三種主要破壞形式，也是工程機械失 效的主要原因．在工程機械中，雖然因磨損和腐蝕而造成的損失都是十分可觀的”１，但由 于磨損和腐蝕進程很慢，一般可以通過定期更換或修理易損零件的方式來解決，而疲勞破 壞往往是突然發(fā)生并極易引發(fā)事故，因此，更為工程界所重視。 對機械結構疲勞問題的研究可追溯至１９世紀初葉，經過２個世紀的探索，已經發(fā)展 成為一門綜合性的學科．由于工程上的疲勞問題非常多樣復雜，所以對各種疲勞問題的研 究一直沒有停止過． １９２４年Ｐａｌｍｇｅｒ首次將線性累積損傷模型應用于瑞典的軸承工業(yè)，預測不同載荷條件 下球軸承的疲勞壽命，第一次將應力與疲勞壽命聯(lián)系了起來；１９３７年，就職于美國西屋

（ＷｅｓｔｉｎｇＨｏｕｓｅ）公司發(fā)電機組分部的工程師Ｌａｎｍ４獨立提出了類似的假設，用于預測鋼
制壓力管道的壽命；１９４５年，美國道格拉斯（Ｄｏｕｇｌａｓ）飛機公司的工程師Ｍｉｌｌｅｒ發(fā)展了Ｌａｎｃｅｒ 的線性累積損傷理論并成功地應用于鋁制飛機蒙皮的壽命預測．這一巨大的成功將Ｍｉｌｌｅｒ 與線性累積損傷準則聯(lián)系在了一起，產生了Ｍ．ｍｅｒ準則“”． Ｍｉｎｅｒ準則作為疲勞壽命預測的基本準則，自從提出以來，就被證明有相當大的局限性． 半個多世紀以來，經過眾多研究先后出現(xiàn)了基于損傷曲線法的非線性累積損傷理論 （Ｍａｎｓｏｎ模型）、基于材料物理性能退化概念的非線性累積損傷理論（頁篤毅模型）、基于 連續(xù)損傷力學概念的非線性累積損傷理論（Ｃｈａｂｏｃｈｅｌ模型）、考慮載荷問相互作用效應的 非線性累積損傷理論（Ｃｏｒｔａｎ－Ｄｏｌａｎ模型）、基于能量法的非線性累積損傷理論（Ｎ－ｕ模型） 等，多達幾十種％“““刪．然而，這些累積損傷理論有的未給出重要參數的確定方法， 有的計算過于繁雜，有的只能用于少數特殊情況等，均不能廣泛應用于各種類型的工程實 踐．而眾多的工程應用實例證明，最基本的Ｍｉｎｅｒ線性疲勞累積損傷理論具有很好的可證性、 可適性、可驗性和可行性，特別是當結構或材料受到隨機載荷作用時，如果隨機載荷系列 中的疲勞載荷幾乎都處于高周疲勞（ＨＣＦ）區(qū)，使用Ｍｉｎｅｒ線性疲勞累積損傷理論已經能得
‘

到可信的結果ｍ“”。 近２０年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元方法借助計算機得以有效地實現(xiàn)并 廣泛應用于結構分析、熱分析，電磁分析、流體分析、耦合場分析等場合，一些適用面廣， 通用性強的有限元軟件己經成為許多高新科學和技術的基本工具和有效手段研““’刪．有 限元分析中的結構分析部分提供的靜力分析、模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析在 多數情況下，都能準確地計算仿真出機械結構受載下的應力和應變信息，而這些正是疲勞
分析所需的．
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上述介紹的疲勞壽命預測理論、有限元結構分析同材料屬性一起，就構成了進行本課 題研究的虛擬疲勞試驗的最基本條件．．

§２．２疲勞壽命預測理論
２．２．１疲勞壽命定義與疲勞分類 強度、剛度和疲勞壽命是工程結構和機械使用的三個基本要求．材料在應力或應變的 反復作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞，構件在低于拉伸強度極限的交變應力的反復作用 下，發(fā)生裂紋萌生和擴展并導致突然斷裂的失效方式，稱為疲勞破壞。疲勞破壞是工程結 構和機械失效的主要原因之一，也是工程機械零部件失效的主要形式，其過程可以看作是 構件上裂紋由初始長度逐漸增大到最大可接受長度的過程。對于一般的機械機構來說，疲 勞失效的過程可以分為裂紋形成與裂紋擴展兩個階段。早期人們認為，一個構件只要出現(xiàn) 眼睛看得見的裂紋，即認為構件到壽命了。后來發(fā)現(xiàn)許多構件出現(xiàn)了眼睛可見的裂紋后， 并不馬上破壞，構件還能承受一定時期的循環(huán)載荷的作用，有的甚至可以經歷很長的時間， 所以提出新的疲勞裂紋壽命概念。新的壽命概念認為，疲勞壽命應該包括裂紋形成壽命和 疲勞裂紋擴展壽命兩者的總和眨蚓．不過，一般情況下，對于金屬結構件，尤其是在高周 疲勞的情況下，裂紋形成期占據了其疲勞壽命的絕大部分。對于疲勞耐久性試驗來說，結 構或機械從載荷作用直至破壞所經歷的載荷循環(huán)的次數或時間稱為疲勞壽命。。 根據構件疲勞破壞前所經歷的循環(huán)次數，疲勞可分為： 低周疲勞（ＬＣＦ）：在循環(huán)應力水平較高，接近或超過材料的屈服極限時，塑性應變起 主導作用，在每一次應力循環(huán)中都發(fā)生了望性變形，塑性變形累積致使發(fā)生疲勞斷裂，疲 勞斷裂前應力循環(huán)次數較少，一般少于１０４次，此時疲勞壽命較短，稱為應變疲勞或低周 疲勞． 高周疲勞（ＨＣＦ）：在常溫下工作的結構和機械的疲勞破壞取決于外載的大�。畯奈⒂^ 上看，疲勞裂紋的萌生都與局部微觀塑性有關，但從宏觀上看，在循環(huán)應力水平遠低于材 料的屈服極限時，彈性應變起主導作用，此時疲勞壽命較長，疲勞斷裂前的應力循環(huán)次數 大于１０５次，這種疲勞稱為應力疲勞或高周疲勞． 根據不同的外部載荷造成不同的疲勞破壞形式，可以將疲勞分為： 機械疲勞：構件在交交機械應力作用下引起的疲勞破壞． 蠕變疲勞：循環(huán)載荷和循環(huán)溫度同時作用引起的疲勞失效． 腐蝕疲勞：在存在腐蝕性化學介質或致脆介質的環(huán)境中施加循環(huán)載荷引起的疲勞失 效。 滑動接觸疲勞和滾動接觸疲勞；載荷的反復作用與材料問的滑動和滾動接觸相結合分 別產生的疲勞失效． 微動疲勞：脈動應力與表面間的來回相對運動和摩擦滑動共同作用產生的疲勞失效。

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根據載荷頻率的不同，疲勞又可劃分為： 靜疲勞；當載荷頻率遠低于結構固有頻率時，可視為靜疲勞． 振動疲勞。當載荷頻率與結構固有頻率相當時，可視為振動疲勞． 聲疲勞：當載荷頻率遠高于結構固有頻率時，可視為聲疲勞． 工程機械的工作環(huán)境特點和使用壽命要求決定了其工作裝置結構件的疲勞大多屬于 高周、機械、靜疲勞，而其底盤零部件的疲勞大多屬于高周、機械、振動疲勞“１。 ２．２．２疲勞累積損傷理論概述 圖Ｉ－Ｉ為某金屬試件在連續(xù)加載條件下直至初始裂紋形成的截面示意圖呦。圖中以初 始裂紋區(qū)為中心呈輻射狀展開的貝殼狀斑紋區(qū)域展示了不同應力循環(huán)次數對試件疲勞的 影響，斑紋的致密程度反映了疲勞發(fā)生的速度。圖中右部局部放大圖中類似樹木年輪的條 紋反映了載荷每一次循環(huán)對試件產生的影響．

圖２—１連續(xù)載荷下金屬的疲勞進程

由圖２－Ｉ可以看出，構件疲勞破壞是一個連續(xù)的過程，這個連續(xù)的過程可以看作是其 上載荷作用對其造成的損傷的累積，當損傷超過了某臨界損傷時，即被認為發(fā)生了疲勞破 壞．由此可以看出，要構造一個疲勞累積損傷理論，必須定量地回答三個問題： １）一個載荷循環(huán)對材料或結構造成多大損傷； ２）多個載荷循環(huán)時損傷是如何累加的；
．

３）失效時臨界損傷有多大． 疲勞累積損傷理論是預測疲勞壽命的理論基礎，就工程要求而言，建立疲勞損傷理論 的主要目的，是要能夠根據結構的使用條件預估其使用壽命．疲勞累積損傷理論目前已提
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出幾十個，但是目前在工程實踐中應用最為廣泛的還是線性損傷累積理論，因為它計算簡 單，理論通俗易懂，而且絕大多數情況下能較好地預測疲勞壽命的均值。 ２．２．３線性疲勞累積損傷理論 線性疲勞累積損傷理論是指在循環(huán)載荷作用下，疲勞是可以線性累加的，，各個應力之 間相互獨立、互不干涉，當累加的損傷達到某一數值時，試件發(fā)生疲勞破壞。 線性累積損傷理論中最典型的理論是Ｍｉｌｌｅｌ＂理論．其基本內容為： １）在任意等幅疲勞載荷下，材料在每一應力循環(huán)中吸收等量的凈功，凈功累積到臨 界值，即發(fā)生疲勞破壞； ２）在不同等幅及變幅疲勞載荷下，材料最終破壞的臨界凈功全部相等； ３）在變幅疲勞載荷下，材料各級應力循環(huán)中吸收的凈功相互獨立，與應力等級的順 序無關． Ｍｉｎｅｒ法則可用數學公式描述如下：
‘

ｙ善＝ｌ（２－１）’
急＾｛
其中ｎ——應力水平級數 颶——第ｆ級應力水平的應力循環(huán)數 Ｍ——第ｆ級應力水平的疲勞壽命
公式（２．１）中定義一個循環(huán)造成的損傷：
‘

圩¨

Ｄ＝嘉
Ｄ＝ｎＮ

（２—２）
．

Ｎ為對應于當前載荷水平Ｓ的疲勞壽命。 則在等幅載荷下，ｎ個循環(huán)造成的損傷為：
（２＿３）

在變幅載荷條件下，盯個循環(huán)造成的損傷：

肚蕃畝
式中川為對應于當前載荷水平Ｓ的疲勞壽命．
ｒｌ等于其疲勞壽命Ｎ，疲勞破壞發(fā)生。

∽４’

由式（２－２）（２—３）（２－４）可知，臨界疲勞損傷￡ｋ＝Ｉ，即當Ｄ＝Ｉ時，載荷循環(huán)次數 Ｍｉｎｃｒ］｛Ｊ］論可以認為是線性損傷、線性累積循環(huán)比（其累計的是循環(huán)而并不是損傷）理

論，其成功之處在于大量的實驗結果（特別是隨機譜試驗）顯示臨界疲勞損傷％的均值
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確實接近于ｌ，在工程上因簡便而得到廣泛的應用，其他確定性的方法則需要進行大量試 驗來擬合眾多參數，精度并不比Ｍｉｎｅｒ理論更好咖．

但是Ｍｉｎｅｒ理論的主要不足之處在于：
ａ．損傷與載荷狀態(tài)無關； ｂ．累積損傷與載荷次序無關； ｃ．不能考慮載荷間的相互作用． 許多事實證明，疲勞損傷與載荷的狀態(tài)、順序以及之問的相互作用有著密切的關聯(lián)。 因此，為了克服Ｍｉｎｅｒ理論的不足，許多學者提出了各種修正的線性累積損傷理論。其中 使用相對較多、容易理解的，是被稱為相對Ｍｉｎｅｒ法則的線性損傷累積理論． 根據許多研究者對臨界損傷的進一步研究，發(fā)現(xiàn)它與加載順序、載荷譜類型及材料的 分散性等因素有很大關系。但對于同類零件，在相似載荷譜下，則有比較接近的臨界損傷 值。因此，使用同類零件，以相似載荷譜下的試驗值進行壽命估算，就可大大提高壽命估 算精度．這種取消了原始Ｍｉｎｅｒ理論中關于臨界損傷值三ｋ等于ｌ的假設，而由試驗或經 驗數據確定Ｄ，值，并由此估算試件壽命的線性累積損傷理論，即為相對Ｍｉｎｅｒ法則（又稱 為修正Ｍｉｎｅｒ法則）。 相對Ｍｉｎｅｒ法則由數學公式描述如下：

Ｄ＝∑石＝９ 。＝∑ｔ可ｎｉ’ｎｉｉ＝Ｉ＝９ ¨ｆ
式中Ｄ，為同類零件在類似載荷譜下的損傷和試驗值。

（２—４）

試驗證明，在多數情況下，修正Ｍ：ｉｎｅｒ法貝ＺＪ的估算壽命的安全性要高于原始Ｍｉｎｅｒ法Ｎ
￡鋁】
●

除了原始與修正Ｍｉｎｅｒ法則，另一種有代表性線性累積損傷理論，稱為雙線性累積損 傷理論．該理論是由Ｓａｌｌｓｏｎ與Ｈａｌｆｏｒｄ經過大量試驗，于１９８１年總結得出的。 基于疲勞損傷的過程可分為裂紋形成與裂紋擴展的假設，Ｍａｎｓｏ】ａ等將損傷累積的過 程亦分為前期和后期兩個階段（第一階段與第二階段），在兩個階段中損傷累積分別遵循 不同的線性規(guī)律，且試驗證明，兩階段的劃分僅與加載應力水平對應的疲勞壽命有關，而 與材料、加載順序無關。其第一階段的壽命Ⅳ１，和第二階段的壽命Ⅳ２。的計算式如下：

蟣＝Ⅳ＾ｅ】【ｐ（ｚⅣ；）
其中≯、Ｚ為常數，計算公式如下：

（２—５）

‘

擊＝

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Ｚ＝

Ⅳ２，＝兒一Ⅳｌ，

（２—６）

式中．以為第ｆ級載荷下的等幅疲勞壽命；Ｍ為載荷譜中最高應力水平下的疲勞壽命；
Ⅳ２為載荷譜中損傷最大的應力水平下的疲勞壽命． 由式（２－５）（２－６）可以看出，雙線性累積損傷理論考慮了多級加載的情形，且預計 壽命僅與Ｍ、Ⅳ２之比有關，比＾缸咐原理更好地逼近了實際且計算同樣簡便，在工程應用
中廣泛被使用翻。

§２．３軍用工程機械可靠性疲勞試驗
２３．１概述 在軍用工程機械的設計過程中，所使用的各種技術手段是否能達到預期效果，工程機 械產品制造出來后，實際上達到了什么樣的可靠性水平，都必須由可靠性試驗來驗證．而 疲勞試驗即為其中一種主要方式．軍用工程機械可靠性疲勞試驗是指通過人為制造或模擬 行駛及作業(yè)條件，記錄和分析工程機械各零部件的疲勞壽命，進而評估整體可靠性水平的 試驗．該試驗是促使軍用工程機械可靠性水平提高和對其進行可靠性評定的重要手段． 典型的可靠性疲勞試驗，按照試驗目的不同，可以分為四種類型：篩選（老練）試驗、 可靠性增長試驗、可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗“１．這四種試驗雖然目的不同，但試 驗手段基本相同．對于軍用工程機械，以往主要采取實車試驗場試驗或路面試驗，如第一 章所述，該種試驗方式有其固有的缺陷，目前正逐步被試驗代價相對較低的室內模擬試驗 代替．模擬可靠性疲勞試驗按照試驗手段的不同，主要又可分結構疲勞試驗和振動疲勞試
驗。

２．３．２結構疲勞試驗 通過人為再現(xiàn)軍用工程機械各種復雜工作環(huán)境或施加等效載荷的方法，考察其在各種 復雜作業(yè)條件下工作載荷以及物料的隨機變載與沖擊載荷對各零部件壽命的影響，并獲得 其機械結構綜合疲勞壽命的試驗稱謂結構疲勞試驗（本文所指試驗均針對軍用工程機械， 下文同）。 結構疲勞試驗可以縮尺寸進行，也可直接用全尺寸零件進行，還可以用整個結構直至 整機進行。其中整機試驗可以得到最準確的結果，但由于費用高昂，一般只用于可靠性驗 證和驗收試驗。
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結構疲勞試驗按載荷性質劃分，可分為以下幾種類型： ?１）等幅疲勞試驗 等幅疲勞試驗是最早提出的一種疲勞試驗。在這種試驗中，實際的載荷實踐歷程，用 一個造成損傷最大的代表性載荷來代表．這一載荷是一種假定的平均載荷。在試驗中載荷 的幅值不變。此外，為了縮短試驗周期，把試驗載荷加大，進行強化疲勞試驗． 該試驗的特點是簡單易行，因此，盡管等幅疲勞試驗的產生已有一百余年歷史，但至 今仍不失為工程機械構件的重要試驗方法之一． 等幅疲勞試驗的不足之處是顯而易見的．由于采用的平均載荷不能代表實際的隨機載 荷，試驗結果與實際情況時出入較大；載荷強化后，結構內部某些不可避免的缺陷對高載 荷特別敏感，因而會造成早期破壞，而這在實際使用過程中是不會發(fā)生的；因采用平均載 荷和載荷強化，試驗結果常常不能準確地再現(xiàn)危險部位和破壞形式． 由于等幅疲勞試驗存在上述缺陷，繼而出現(xiàn)了以下試驗形式。 ２）程序疲勞試驗 程序疲勞試驗是用若干個不同幅值的等幅載荷，以一定順序加載來模擬實際載荷的試 驗．按規(guī)定的程序加載一遍后，又重復進行若干遍，直至達到一定的載荷循環(huán)次數，或受 試件出現(xiàn)破壞為止。 程序疲勞試驗的依據是：由全部峰值按真實次序排列的載荷時間歷程代替實際的實踐 歷程，兩者造成的損傷相同，而與相鄰峰值之間經過的時間無關．這樣，我們關心的只是 載荷的幅值，而真實的時間尺度則是無關緊要的。 程序疲勞試驗，不但可以用來確定結構的薄弱部位，而且可以利用試驗結果預測結構 壽命，還可以通過載荷強化，以縮短試驗周期。此種試驗方法在工程機械領域同樣被廣泛 使用． 但是這種試驗方法也有不足之處：沒有考慮加載次序和載荷分級數等因素的影響；沒 有考慮用分級載荷代替連續(xù)隨機變化的實際載荷產生的偏差。 ３）隨機疲勞試驗 嚴格地說，隨機疲勞試驗屬于程序試驗的一種，其加載次序與一般程序疲勞試驗相比， 不是分級的而是隨機的． 目前，有三種方法可用以實現(xiàn)隨機疲勞試驗，分別是偽隨機疲勞試驗法、功率譜密度 函數法、遠程參數控制試驗法。其中功率譜密度法近年來受到普遍重視。 功率譜密度疲勞試驗是一種譜形模擬的隨機疲勞試驗方法．它是由現(xiàn)場實測得到載荷 時間歷程，經功率譜分析獲得功率譜密度函數，且將此功率譜密度函數作為加載依據．如 圖２－２所示。

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．１‘
圖２－２功率譜密度函數曲線

功率譜密度函數在其整個頻段上可將其分為若干個連續(xù)的窄帶頻段，每個頻段的帶寬

為塵曠，中心頻率分別為Ｚ、Ｚ、Ｚ……Ｚ，每個中心頻率處的幅值均方值近似為：
Ｊ；＝Ｇ＠）鱸
公式中Ｇ∽）為中心頻率Ｚ處的功率譜密度。
進行疲勞試驗時，可根據中心頻率處幅值的均方值大小調節(jié)載荷幅值． 功率譜密度法能很好地模擬實際載荷，試驗結果與實際情況更為接近．但該試驗比前 述試驗方法復雜，試驗成本較高，此外要模擬的載荷時間歷程應該是平穩(wěn)或寬平穩(wěn)的隨機
過程．
（２—７）

４）使用復現(xiàn)試驗 使用復現(xiàn)試驗把在現(xiàn)場作業(yè)時記錄下的載荷時間歷程作為疲勞試驗的輸入載荷，從而 復現(xiàn)全部載荷時間歷程． 這種試驗方法的優(yōu)點是能精確地再現(xiàn)實際載荷，不需要進行繁雜的數據處理，理論上 簡單易行．通過數據處理去除小載荷，試驗還可以加速進行．但是該試驗要求所記錄的現(xiàn) 場載荷歷程必須具有典型性，否則試驗結果與實際情況有較大的差別。此外該試驗使用的 載荷歷程通用性差，試驗成本較高． ２．３．３振動疲勞試驗 工程機械在行駛和作業(yè)過程中，由于受到路面、作業(yè)對象的沖擊擾動，以及發(fā)動機、 傳動系的運轉不平衡，均會產生振動．由于工程機械作業(yè)和本身結構的特點，如施工現(xiàn)場 道路條件差，挖掘裝載時受到的動載荷大，以及車架多不設懸掛裝置，這些都使工程機械 的振動較之其它機械、車輛更為嚴重．因此，工程機械的零部件，尤其是發(fā)動機、底盤部 件、各種儀表、電氣件都處在強烈的振動條件下工作。為了檢查這些部件承受振動時是否
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能達到預期的疲勞壽命，進行振動疲勞試驗是十分必要的。 １）周期性振動試驗 ２）沖擊試驗 ３）隨機振動試驗

，

振動疲勞試驗又稱動力強度試驗，按振動載荷加載形式，又可分為以下幾種類型：

其中隨機振動試驗由于包含有更多的帶寬，能全面考查像工程機械這類復雜機械結構 的振動疲勞強度。同時，隨機試驗的振動強度大，和周期振動試驗相比，可以節(jié)省試驗時 間．近年來，隨著試驗設備與技術的發(fā)展，隨機振動試驗的應用日益增多，已成為動力強 度試驗的重要手段。
‘ ．

與結構疲勞試驗中的隨機疲勞試驗類似，隨機振動試驗亦采用基于功率譜還原的載荷 獲取方式，但前者關心的是還原出載荷的幅值而后者關心的是載荷的頻率對試件疲勞壽命
的影響。

在隨機振動試驗中，有一類通過測得試驗路面的路面不平度的功率譜密度函數，以路 面不平度的空問譜結合行駛速度，轉化為作用于輪胎的時間譜，從而再現(xiàn)各種道路行駛對 車輛的振動激勵的試驗，稱為道路模擬試驗。 一次典型的道路模擬試驗包括以下步驟： １）獲取實際工況下的數據；
‘

２）根據不同的試驗目的對獲得的信號進行處理，形成要在室內模擬復現(xiàn)的期望信號；
３）測量整個試驗系統(tǒng)的頻響函數矩陣；
４）生成初始驅動信號；
‘

５）不斷迭代，直到模擬精度達到要求，得到修正后的驅動信號； ６）根據不同試驗種類，輸出步驟５得到的驅動信號，進行道路模擬試驗，對試件性能進
行評估．

道路模擬控制系統(tǒng)是一套由軟、硬件配合組成的計算機測控系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理框圖如
圖２－３所示：

母荷占
系統(tǒng)

圖２－３道路模擬試驗系統(tǒng)

目前，在試驗室內進行汽車零部件使用工況的模擬試驗，可以排除氣候等因素的影響， 大大縮短試驗周期和節(jié)約資金，試驗結果重復性強，精度高、試驗可控性好，便于對比． 由于這種試驗方法的先進性與適用性，盡管所用試驗設備比較昂貴，掌握這種技術也具有

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一定的難度，道路模擬試驗在汽車零部件可靠性與耐久性研究方面得到了廣泛應用Ｍ。

§２．４本章小結
本章在介紹了疲勞壽命及其預測理論的基礎上，分析比較了各種類型的可靠性疲勞試 驗以及適用的范圍，并且具體介紹了對于軍用工程機械通常所進行的試驗。為后續(xù)建立軍 用虛擬疲勞試驗平臺提供了理論依據與參考．

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第三章軍用工程機械虛擬疲勞試驗系統(tǒng)
§３．１虛擬試驗技術及其在工程方面的應用
從廣義上講，任何不使用或部分使用實際硬件來構造試驗環(huán)境，完成實際物理試驗的 方法和技術都可以稱為虛擬試驗。虛擬試驗可以定義為在虛擬環(huán)境中進行的試驗“． 虛擬試驗的試驗對象是虛擬的，被稱為物理對象的“虛擬原型”．而虛擬試驗的試驗 環(huán)境亦是虛擬的，是基于軟件工程研制的仿真試驗系統(tǒng)，它允許設計者將虛擬原型“安裝” 在其上進行“試驗”，借助交互式技術和試驗分析技術，使設計者在設計階段就能對產品 的運行性能進行評價或體驗。 在工業(yè)應用領域，虛擬試驗技術作為先進制造技術的基礎，在世界各國被普遍予以重 視并迅速發(fā)展。美國國家標準及技術研究所（ＮＩｓＴ）制造工程試驗室成功建立了國家先進 制造測試平臺，英國、日本、德國等在此領域均有所研究．我國最早開展虛擬制造研究的 機構是清華大學ＣＩＭＳ工程研究中心虛擬制造研究室，由于虛擬試驗技術出現(xiàn)較晚，研究 機構還很少，但發(fā)展趨勢與發(fā)達國家的差距逐步縮小。 虛擬試驗技術在車輛工程上應用起步較早．１９７２年，美國通用汽車公司首先開發(fā)了車 輛動力性和燃油經濟性的通用預測程序ＧＰＳＩＭ，該程序可以模擬汽車在任何工況下的瞬時 油耗、累計油耗、行駛時間和距離，預測諸如質量、傳動比、空氣阻尼系數等汽車設計參 數的變化對汽車性能的影響．美國能源復用試驗室ＮＲＥＬ在Ｍａｔｌａｂ環(huán)境下，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工 具箱開發(fā)的先進車輛模擬器（ＡＤⅥｓＯＲ），能夠在汽車未成型前評價出普通汽車、電動汽 車、混合動力車的動力性、經濟性和排放環(huán)保性等性能唧． 目前，利用虛擬樣機技術進行虛擬試驗已經取得了巨大成就．美國ＭＳＣ公司開發(fā)的
ＡＤＡＭＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｏｙ衄ＢＪＣ Ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）軟件是構造產品虛擬樣機的

一個很好的平臺嘲，其中的通用機械模塊ＡＤＡＭｓ／Ⅵｅｗ和車輛模塊ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ為虛擬樣機 的建模和測試提供了很好的支持環(huán)境．本課題正是選用此兩個模塊完成軍用工程機械虛擬 樣機的建模和作業(yè)仿真，并最終結合有限元分析軟件完成了虛擬疲勞試驗．

§３．２軍用工程機械虛擬樣機與虛擬疲勞試驗
仿照軍用工程機械實裝試驗的三種形式：外場試驗、試驗場試驗和臺架試驗，工程機 械的虛擬疲勞試驗也具有三種形式：第一種，采用生成隨機的路面模型直接對軍用工程機 械虛擬樣機進行整車虛擬疲勞試驗；第＝種，采用國際標準或國家標準的虛擬路面模型對 軍用工程機械虛擬樣機進行整車虛擬疲勞試驗；第三種，建立虛擬試驗臺架，采用直接加 載的方式對軍用工程機械整車虛擬樣機或零部件模型進行虛擬試驗．要完成上述三種試
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驗，需要對軍用工程機械虛擬樣機建模，虛擬試驗的過程控制，以及疲勞試驗的方法進行 探索和研究。 ３．２．１虛擬樣機建模 鑒于工程機械是一類特殊的機械產品，其既有類似通用車輛的底盤系統(tǒng)，又有類似通 用機械裝備的工作裝置，并且其兩部分的作業(yè)環(huán)境和零部件疲勞原因各具特點，本文將軍 用工程機械的虛擬樣機分為底盤虛擬樣機與工作裝置虛擬樣機兩部分．在底盤虛擬樣機中 將工作裝置簡化為質點，僅保留質心位置、質量等關鍵信息；在工作裝置虛擬樣機中，將 底盤部分簡化為質量塊，保留著地點位置、質心位置及質量等信息，或者完全忽略底盤， 將整個工作裝置。固定”安裝在虛擬空間中．兩虛擬樣機即可獨立完成仿真測試，分別考 核軍用工程機械底盤部分零部件和工作裝置的性能，又可聯(lián)合仿真用來模擬車輛各種行駛 狀態(tài)對工作裝置的影響以及作業(yè)時對底盤零部件的影響．虛擬樣機組成如圖３－ｌ所示．
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整車虛擬樣機 ｝ ：．……………?一－Ｉ…………………一?

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對于底盤虛擬樣機的建模，選用目前應用最為廣泛的汽車虛擬樣機開發(fā)軟件 ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ．該軟件已有各子系統(tǒng)模板，通過輸入實際車輛各關鍵設計參數，快速準確地 建立車輛各子系統(tǒng)的虛擬樣機，進而建立整車虛擬樣機。軍用工程機械的底盤虛擬樣機可 參考通用車輛虛擬樣機，即在得到底盤三維ＣＡＤ設計模型、懸架特性參數、輪胎模型參 數等數據的前提下，分別建立傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等子 系統(tǒng)模型，再由各子系統(tǒng)間的拓撲信息和安裝方式完成底盤虛擬樣機的建模。． 軍用工程機械上諸如推土、裝載、挖掘等工作裝置，多為機．電一液，氣壓裝置．因此， 對于工作裝置，在獲得其各組成零部件ＣＡＤ模型及裝配關系數據以及控制特性參數后， 即可使用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ、ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ、ＭＡＴＬＡＢ、ＳＩＭＵＬＩＮＫ等軟件聯(lián)合仿真，精 確地建立其虛擬樣機。
．

在完成底盤和工作裝置虛擬樣機的建模后，則可根據實際工作裝置與底盤的聯(lián)結方 式，在ＡＤＡＭＳ中選擇相應的約束副，使工作裝置虛擬樣機“安裝”于底盤虛擬樣機之上，

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并替換原有虛擬樣機中用以表示對方的簡化模型。 ３．２．２虛擬疲勞試驗的過程控制 對于軍用工程機械的虛擬道路試驗，其ＡＤＡＭｓ仿真控制過程如圖３－２所示。其中驅 動控制文件（ＤｃＦ）記錄了在仿真中對車輛虛擬樣機檔位、引擎、氣門、制動，轉向、離 合器等功能部件的控制模式及控制參數‰羽．利用ＤＣＦ文件以及道路文件即能夠精確實現(xiàn) 對整車虛擬樣機在各種行駛條件和狀態(tài)下的仿真。 對于虛擬臺架疲勞試驗則僅需將載荷歷程作為輸入，經ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ動力學解算后 輸出相應的響應結果，如圖３－３所示．其中載荷歷程可以來自虛擬道路譜，實測載荷譜、 仿真數據結果等各種測試手段．

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閉環(huán)控制算法

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ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ ＳｏＩｖ口

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圖３－２虛擬道路試驗

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圖３－３虛擬臺架試驗

第１９頁

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３．２．３虛擬疲勞試驗流程 對應于不同的測試對象，應施加不同類型的載荷譜，分別用于完成軍用工程機械虛擬 結構疲勞試驗與振動疲勞試驗．此兩種試驗僅在疲勞載荷加載方式上有所不同．對于前者， 需要提前對分析對象進行有限元靜力求解，而后者需要進行模態(tài)分析；前者在加載時需要 使加載通道和載荷譜一一對應，而后者需要按模態(tài)階數使模態(tài)位移歷程與模態(tài)形狀一一對 應． 為簡化試驗過程，兩試驗均使用線性累積損傷理論作為壽命預測理論，但該理論僅能 對高周疲勞得出理想的預測結果，考慮到工程機械車輛零部件需要考核的疲勞破壞大多為 高周疲勞（低周疲勞的零部件在使用時會定期更換），故該試驗方法對于軍用工程機械不 失有效性。概括來說，虛擬疲勞試驗方法如圖３—４所示。

圖３ｑ虛擬疲勞試驗流程

§３．３載荷譜獲取
作為虛擬疲勞試驗的輸入，載荷譜對試驗結果有不可忽視的影響。由上節(jié)分析可知， 對于軍用工程機械，當考察其底盤系統(tǒng)時，虛擬疲勞試驗往往建立在對其虛擬樣機進行虛 擬道路試驗的基礎之上；而為了考察其工作裝置，其虛擬疲勞試驗則往往建立在作業(yè)環(huán)境 復現(xiàn)的基礎之上．因此，如何生成用于虛擬道路試驗的道路譜和路面模型，如何從虛擬路 面試驗獲取疲勞試驗所需的載荷歷程，以及如何復現(xiàn)工程機械作業(yè)環(huán)境，就成為了虛擬疲 勞試驗能否真實再現(xiàn)實車試驗，虛擬試驗結果能否真實反映實車疲勞狀況的關鍵。 ３．３．１虛擬路面與振動載荷譜獲取 在計算機中，建立虛擬路面目前最為常用的辦法是根據路面不平度的統(tǒng)計特征經過時 域擴展，得到與實際路面具有等價性的路面起伏歷程嘲． 大量的測量分析結果表明，路面不平度具有隨機、平穩(wěn)和各態(tài)歷經的特性，因此可以 用平穩(wěn)隨機過程理論來分析描述。通常把道路垂直縱斷面與道路表面的交線作為路面不平
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度的樣本，通過樣本的數學特征一一方差或功率譜密度函數來描述路面。均值為零時，方 差可以反映路面不平度大小的總體情況；功率譜密度函數能夠表示路面不平度能量在空間 頻域的分布，它說明了路面不平度或者說路面波的結構．從功率譜密度函數不僅能了解路 面不平度的結構，還能反映出路面的總體特征．因此，功率譜密度函數是路面不平度的最 重要數學特征。
’

國標ＧＢ７０３１－８６中參照ＩＳＯ－８６０８標準使用路面功率譜密度來定義路面不平度統(tǒng)計特 性，其路面不平度位移功率譜密度擬合表達式采用下式；

ｑ（珂）＝Ｇｈ）【曇Ｊ
式中： 刀—空間頻率，ｍ。

ｎ＞Ｏ（３－１）

％一參考頻率，ｎｏ＝Ｏ．１ｍ一；

Ｇ（％）一路面不平度系數，ｍ２／ｍ－１； ｑ（療）—路面不平度，ｍｓ／ｍ－１；
國—頻率指數，經驗值白＝２．
已知在空問頻率�。加啠迹鹊穆访嫖灰谱V密度為ｑ ０），利用平穩(wěn)隨機過程的平均功 率的頻譜展開性質，路面不平度的方差仃！為：

Ｚ＝ｒＧ（刀脅（３－２）
將區(qū)間（Ｊ，ｌ，嗎）劃分為ｎ個小區(qū)間，取每個小區(qū)間的中心頻率‰。Ｏ＝ｌ，２’…，ｎ）處 的譜密度值仍（，‰。）代替Ｇ（”）在整個小區(qū)問內的值，則式（３－２）離散化后近似為

磚ａ∑Ｇ（‰¨）?觚

。（３－３）

對應每個小區(qū)間，現(xiàn)在要找到具有頻率％相Ｏ＝ｌ，２’…，療）且其標準差為

√ＧＪ（撐蒯。）?△珥正弦波函數，這樣的正弦波函數可為：

√２Ｇｄ（‰州）?觚?ｓｉｎ（２石‰枷ｘ＋Ｂ）（３－４）
將對應于各個小區(qū)間的正弦波函數疊加起來，就得到頻域路面隨機位移輸入；

ｇ（刁＝∑√２Ｑ（‰洲）?觚－ｓｉｎ（２石‰舳ｘ＋島）（３－５）
式中：口一【０，２明上均勻分布的隨機數５
ｘ一頻域路面縱向． 自此，通過離散頻域路面的路面縱向的ｘ值，就可以得到空間頻域下隨機路面垂向數 值．
ＧＢ７０３ １—８６將標準路面分為８個等級，參見表３－１．使用ＡＤＡＭＳ提供的路面文件

（ＲＤＦ）可以快捷地生成上述標準路面譜．
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表３－１ ＧＢ７０３１－８６道路分級標準 道路級別
Ｍ｛ｎ、，ａｌｕｅ
Ａ Ｒ ，

億日曝Ｘ—ｔ?西０ Ｍｅａｎ Ｖｊｈｌｅ
１

Ｍａｘ．、，ａｈｌｅ
２ Ｒ １２

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ｒ ｎ
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１２Ｒ
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ｌｆｌ２４ ４０９６ １６１Ｒ４

２０４１１ Ｒ１０９＿

ｎ Ｈ

２０４Ｒ Ｒ１２０

此外，朋）枷Ｓ還可以完成輪胎轉鼓試驗臺、平整路面、矩形凸塊路、折線路面、凹
坑路面、斜坡路面、三角形凸塊路面、正弦波路面、正弦變波紋路面、３Ｄ等效容積道路、 ３Ｄ樣條路面等標準化測試路面，用于軍用工程機械虛擬道路試驗。 在虛擬道路試驗中，工程機械的虛擬樣機沿路面縱向行駛，由于路形的位移輸入，垂向 路面譜激振導致車輛在垂直方向和行車縱向的振動．這種振動載荷可以由虛擬樣機中的柔 性體零件精確地記錄在模態(tài)坐標系中．其具體方法如圖３—５所示，通過對零部件進行有限 元模態(tài)分析生成含有模態(tài)信息的柔性體文件，并將該柔性體文件導入原有剛體虛擬樣機替 換相應剛體零件，最后在ＡＤＡＭＳ中對帶有柔性體零部件的虛擬樣機進行虛擬試驗，使用 模態(tài)應力恢復技術即可精確地還原出車輛振動在該零部件產生的模態(tài)載荷歷程。

圖３－５模態(tài)載荷歷程的獲取

３．３．２作業(yè)仿真與時域載荷歷程獲取 由于目前基于虛擬樣機的動力學仿真已非常成熟，因此軍用工程機械的作業(yè)仿真可以 參照普通通用機械的動力學仿真，在ＡＤＡＭＳ中通過人為控制再現(xiàn)工程機械各種工況下的 運動、外載荷信息等仿真信息，由虛擬樣機解算并輸出相應工況下各零部件的時域載荷譜． 同實車采集類似，此類載荷譜表現(xiàn)為零部件在虛擬試驗過程中所經歷的力、加速度等 載荷歷程．其過程如圖３－６所示．
第２２頁

幽型～ｓ，ｓｏ№Ｌ圈 一
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ｒ爵玉再；ｉｉｌＪ｝

動力學求解

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圖３－６時域載荷歷程的獲取

此歷程獲得方便快捷，運行一次仿真即可獲得幾乎全部零部件的載荷歷程．但目前基 于剛體動力學的整車虛擬樣機在仿真計算中解算出的載荷歷程并不十分準確，后續(xù)疲勞分 析中需要對該載荷歷程進行極值分析、分級、循環(huán)擴展等處理㈨…，且處理標準取決于試 驗人員的個人經驗，人為干擾因素較大，降低了試驗對底盤虛擬樣機解算結果的通用性和 準確性。因此，該類載荷譜獲取方法更適合于獲取工作裝置虛擬樣機中零部件的工作載荷
歷程。

§３．４軍用工程機械虛擬疲勞試驗系統(tǒng)
在對軍用工程機械虛擬疲勞試驗關鍵技術進行了深入研究的基礎上，結合軍用工程機 械可靠性試驗準則等評價準則集合，建立起軍用工程機械虛擬疲勞試驗系統(tǒng)。其總體框架 如圖３－７所示．

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【路面模型—Ｊ
試驗建模

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零部件有限元分析

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Ｉ虛擬路面試驗Ｉ ｌ虛擬臺架試驗Ｉ ｌ虛擬試驗場試驗Ｉ

Ｉ基于模態(tài)載荷歷程 ｌ
的疲勞分析

虛擬疲勞分析 虛擬樣機動力學求解

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基礎數據庫

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軍用工程機械疲 匕 ｈ
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懸架特性參數

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圖３－７軍用工程機械虛擬疲勞試驗系統(tǒng)
第２３頁

支持數據庫

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由圖３－７可知，軍用工程機械虛擬疲勞試驗系統(tǒng)由試驗建模、有限元分析、動力學求 解、疲勞分析、試驗結果評價以及知識支持數據庫等予模塊組成．其中知識庫以及結果評 價子模塊可由ＧＢ、ＩＳＯ標準、實裝試驗結果、車輛設計參數等確定． 如前章節(jié)所述，該虛擬疲勞試驗系統(tǒng)中虛擬樣機建模、虛擬道路試驗、工況仿真等均 可在ＡＤＡＭＳ環(huán)境中完成，共使用了ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ，ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ、ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ、 ＡＤＡＭＳ／Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ等模塊�？紤]到試驗的連續(xù)性和試驗數據的一致性，系統(tǒng)中零部件有限 元分析選用Ｐａｔｒａｎ與Ｎａｓｔｒａｎ，虛擬疲勞分析選用Ｆａｔｉｇｕｅ。這是由于上述軟件均為ＭＳＣ公 司產品，試驗數據文件可在各軟件中方便地互相傳遞，避免了多種軟件間數據交換時可能 造成的數據丟失現(xiàn)象，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和試驗數據的一致性．
，

§３．５本章小結
本章通過對虛擬試驗技術發(fā)展現(xiàn)狀的分析，仿照實車試驗，提出了軍用工程機械虛擬 疲勞試驗的關鍵技術．并依照現(xiàn)有技術條件，提出了解決這些關鍵技術的途徑．其中由于 載荷譜對虛擬疲勞試驗的重要性，本章著重介紹了軍用工程機械虛擬疲勞試驗所需的兩種 載荷譜，并提出了獲取相應載荷譜的手段和方法．最后，建立了軍用工程機械虛擬疲勞試 驗系統(tǒng)．將該系統(tǒng)應用于軍用工程車輛虛擬疲勞試驗，可作為實裝試驗的前序試驗，有效 地降低實裝試驗的風險和工作強度，節(jié)省試驗費用．

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第四章軍用工程機械的虛擬樣機
§４．１概述
４．１．１虛擬樣機技術的概念、特點與應用 虛擬樣機技術即是指在物理樣機制造出來之前，設計師利用計算機建立機械系統(tǒng)的數 字模型，對該系統(tǒng)的運動學和動力學特性進行仿真分析，以圖形技術將系統(tǒng)的各項特性顯 示出來，并在計算機上對系統(tǒng)進行優(yōu)化和修改，從而得到系統(tǒng)的最佳方案的一種技術． 虛擬樣機中的“虛擬”是相對于實際的物理樣機而言的，它實際上是一種計算機模型， 它能夠反映機械系統(tǒng)的外觀、幾何特征、運動學特性和動力學特性．借助于這項技術，設 計人員可以通過在計算機上建立起機械系統(tǒng)的模型，并對其進行三維可視化處理，再加上 預想的各種激勵和約束，模擬在真實情況下的工作狀態(tài)，研究該系統(tǒng)的空間關系和運動學、 動力學關系，并根據仿真結果對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化。相比傳統(tǒng)的設計方式，虛擬樣機 技術將傳統(tǒng)的經驗設計方法改為預測方法，具有無法比擬的優(yōu)點： １）全新的研發(fā)模式．傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設計到生產是一個串行過程，這種方法存在 很多弊端．而虛擬樣機技術真正地實現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產品優(yōu)化，它基于并行工程的思想
（Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），使產品在概念設計階段就可以迅速地分析、比較多種設計方案，

確定影響性能的敏感參數，并通過可視化技術設計產品、預測產品在真實工況下的特征以 及所具有的響應，直至獲得最優(yōu)工作性能。 ２）更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期和更高的產品質量．采用虛擬樣機設計方法有 助于擺脫對物理樣機的依賴．通過計算機技術建立產品的數字化模型（ａＰ虛擬樣機），可以 完成無數次物理樣機無法進行的虛擬試驗，從而無需制造試驗物理樣機就可獲得最優(yōu)方 案，不但減少了物理樣機的數量，而且縮短了研發(fā)周期，提高了產品質量，降低了研發(fā)成
本．

３）實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段．目前世界范圍內廣泛地接受了動態(tài)聯(lián)盟Ｃｖｊｍｕａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）的概念，即為了適應快速變化的全球市場，克服單個企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了 在一定時間內，通過Ｉｎｔｅｍｅｔ臨時締結成的一種虛擬企業(yè)．為實現(xiàn)并行設計和制造，參盟 企業(yè)之問產品信息的敏捷交流尤顯重要，而虛擬樣機是一種數字化模型，通過網絡輸送產 品信息，具有傳遞快速、反饋及時的特點，進而使動態(tài)聯(lián)盟的活動具有高度的并行性． 由于虛擬樣機具有上述顯著的優(yōu)點，目前在航空航天、武器制造，船舶制造、工程機 械、汽車制造等領域已得到廣泛的應用““”�！病保�

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４．１．２多體動力學與ＡＤＡＭＳ多體動力學求解 虛擬樣機技術的核心理論是多體（系統(tǒng)）動力學，可分為多剛體系統(tǒng)動力學與多柔體 系統(tǒng)動力學． 多剛體系統(tǒng)動力學的研究對象是由任意有限個剛體組成的系統(tǒng)，剛體之間以某種形式 的約束連接，這些約束可以是理想完整約束，也可以是非完整約束；可以是定常約束，也 可以是非定常約束。研究這些系統(tǒng)的動力學需要建立非線性運動方程、能量表達式，運動 學表達式以及其他一些物理量的公式。多剛體系統(tǒng)動力學主要解決多個剛體組成的系統(tǒng)動 力學問題，各個構件之間可以有較大的相對運動。 多柔體系統(tǒng)動力學的研究對象是由大量剛體和柔性體組成的系統(tǒng)。多柔體系統(tǒng)動力學 可以看作是多剛體系統(tǒng)動力學的自然延伸．根據多柔體系統(tǒng)組成的特點，一般以多剛體系 統(tǒng)動力學為基礎，對系統(tǒng)中柔性體進行不同的處理，在機械系統(tǒng)中常用的處理方法有離散 法、模態(tài)分析法、形函數法和有限單元法等． 在應用多體系統(tǒng)動力學理論解決實際問題時，一般有以下三個步驟： １）對實際系統(tǒng)的多體模型進行適當簡化： ２）根據模型形成系統(tǒng)的動力學方程： ３）求解動力學方程。 ＡＤＡＭＳ是目前世界上應用較廣的基于多體動力學求解的機械系統(tǒng)仿真軟件。該系統(tǒng) 中的多剛體動力學求解都是以剛體的位置、速度和加速度的微分關系以及矢量合成原理為 基礎進行分析的．剛體ｉ的質心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角（或廣義歐拉角）作廣義 坐標，即島＝缸ｙ：ｙ ｏ礦毒｝ｒ，對于整體，則有ｑ＝｛ｑｒ，西，…，ｑｒ｝７ 采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程：
。

、

要（筍７一目ＯＴ ｒ＋≯?Ｐ彬∥＝Ｑ（４－１）
烈吼ｆ）＝０
（４－２）

Ｏ（ｑ，ｉｌ，，）＝０（４－３）

其中：ｒ—系統(tǒng)動能：

ｇ—系統(tǒng)廣義坐標列陣；
Ｑ—廣義力列陣； ’Ｐ—對應于完整約束的拉氏乘子列陣；． Ⅳ—對應于非完整約束的拉氏乘子列陣． 通過求解（４－１）（４－２）（４－３）即完成多剛體系統(tǒng)動力學求解。

在ＡＤＡＭＳ中，柔性體模型的彈性是由其模態(tài)來表示的。其基本思想是賦予柔性體一
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個模態(tài)集，采用模態(tài)展開法，用式∽＝∑｛鈣｝毒來表示彈性位移，基中，￡為第ｆ階模態(tài)位
移，為一無單位標量；Ⅳ為某節(jié)點位移。。假設柔性物體的彈性變形是相對于連接剛體坐標 系的彈性小變形，同時剛體坐標系又是經歷大的非線性整體移動和轉動。定義ｇ為柔性模 型上任一點在總體坐標系中的坐標，其可表示為：
ｇ＝｛ｘ＿），ｚ

ｙ口妒毒｝７＝｛Ｒ甲嘲（４－４）

其中Ｘ、ｙ、ｚ、∥、口、礦定義與（４＿１）相同；Ｒ、’ｌ，為兩坐標系中坐標的矢量表達； ①為ｆ的矢量表達，ＢⅡ模態(tài)位移矢量。 又由拉格朗Ｅｌ方程所表示的模型的動力學方程：

蝎＋叫【｛釉＋嫡＋Ｇ＋匾＋昏扛Ｑ（４－５）
式（４－５）可簡化為：
‘

Ｍ｛ｉｉ）＋ｃ（ｍ＝｛Ｂ｝（４－６） 式（４－５）、（４－６）中，Ｋ、Ｍ定義分別為模態(tài)坐標下的剛度和質量矩陣；ｃ為柔體的

阻尼矩陣；Ｇ為重力；五為約束方程ｎ的拉格朗日乘子：Ｑ為廣義力矩陣；｛乓｝為外力矩
’

陣。

求解（４－５）可解得ｇ，從而完成多柔體系統(tǒng)動力學求解進。 ４．１．３復雜機械系統(tǒng)虛擬樣機建模要點 對復雜機械系統(tǒng)進行運動學與動力學分析之前，需要建立多體系統(tǒng)動力學模型，在動 力學模型的建立中將多體系統(tǒng)中的構件定義為物體．多體系統(tǒng)力學模型中物體的定義并不 一定與具體工程中的零部件一一對應，它的定義與問題研究的目的有關． 此外，動力學模型中物體性質的確定也是非常重要的，對于低速運動的實際工程系統(tǒng)， 其零部件的彈性變形不影響系統(tǒng)的運動性態(tài)，在這種情況下，系統(tǒng)中的物體可做剛體假定， 從而將多體系統(tǒng)轉化為多剛體系統(tǒng)．但是對于大型，輕質機械系統(tǒng)，高速運行的工況導致 零部件的大范圍運動與構件的彈性變形藕合，從而引起系統(tǒng)動力學形態(tài)十分復雜．在對這 類系統(tǒng)進行動力學分析時，一般要把系統(tǒng)內的物體看作是具有一定模態(tài)特性，會產生局部 變形的柔性體來考慮． 本課題所研究的軍用工程機械正是一個由機、電、液等組成的龐大的系統(tǒng)，同時建立 其全部系統(tǒng)地虛擬樣機在目前條件下是不現(xiàn)實的。由于本課題主要針對軍用工程機械上的 機械結構零件進行疲勞分析，因此在此僅需建立其機械部分的虛擬樣機。又由３．２節(jié)，針 對軍用工程機械工作裝置和底盤兩大機械系統(tǒng)各自疲勞特性的不同，本課題將對該兩系統(tǒng) 分別建立多剛體與剛柔體混合多體虛擬樣機，以便后續(xù)分別對其進行不同種類的虛擬疲勞 試驗．
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§４．２軍用工程機械工作裝置虛擬樣機建模
工作裝置是工程機械特有的機械裝置，是工程機械用來完成各種工程任務的施工工 具。隨工程機械種類的不同，其工作裝置的結構亦千差萬別，但總體來說，均為機電液壓 系統(tǒng)。從機構學的角度看，大多為由液壓驅動的連桿機構．這就為使用多體系統(tǒng)動力學求 解的動力學分析軟件ＡＤＡＭＳ對其準確地建立虛擬樣機提供了依據． 由于工程機械工作裝置種類繁多，本課題僅選擇某裝載裝置的設計模型為分析對象進 行虛擬樣機的建模以及后續(xù)分析。 ４．２．１某裝載裝置簡介 本課題研究對象的ＣＡＤ三維模型如下圖所示：

１鏟斗２動臂３搖桿

４轉斗油缸５動臂油缸６連桿

圖４－１某裝載裝置三維模型 該工作裝置本質上為一反轉六桿機構．其機構簡圖如下圖所示：

?

圖４－２裝載裝置機構簡圖

該機構由轉斗機構和動壁舉升機構組成。轉斗機構由轉斗油缸ＣＤ，搖臂ＣＥＦ、連桿
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ｔｌＦ、鏟斗ｍ、動臂ＡＢＩ和機架ＡＪ組成．舉升機構主要有舉升油缸ＧＪ和動壁ＡＢＩ組成． 若把油缸分解為兩個活動部件和一個移動副。則該反轉六桿機構的活動構件數刀＝８， 運動低副數只＝１１，則該機構的自由度數為：

Ｆ＝３ｎ一２兄＝２
因為兩個油缸均為運動件，所以整個機構有確定的運動。當舉升油缸閉鎖時，啟動轉 斗油缸，鏟斗將繞Ｉ點作定軸轉動：當轉斗油缸閉鎖，舉升油缸動作時，鏟斗將作復合運 動，即一邊隨著動臂Ａ點作牽連運動，同時又相對動臂繞Ｉ點作相對轉動。 該機構的工作范圍如下圖所示：

圖４－３工作裝置工作范圍

舉升液壓缸最小長度是１．２０ｍ，最大長度是１．７４ｍ，行程０．５４ｍ． 液壓缸的最小長度是０．８３ｍ，最大長度是１．２８ｍ，行程０．４５ｍ。 該設計方案的主要技術指標如下：

１）鏟斗容量：１．扣１．７立方米；
２）功率：６３千瓦；

３）最大卸載高度：２．７５米； ４）最大卸載高度時的卸載距離：１．５米．

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望墮型堂墊查查堂塹塑生墮蘭垡堡塞
４．２．２模型簡化
， ．

由于ＡＤＡＭＳ與ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ均采用Ｐａｒａｓｏｌｉｄ標準作為實體建模的內核，從而用該標準 可以完好地保存部件的完整信息（幾何外形、質量特征、顏色信息），并且可以成功地向 ＡＤＡＭＳ導入整個樣機裝配體模型，減少在ＡＤＡＭＳ中模型裝配所帶來的麻煩．因此選用 ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式作為ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ與ＡＤＡＭＳ的文件交換格式． 如圖４．１所示，在ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ中已建立了裝載裝置裝配體模型．在將之導入ＡＤＡＭＳ 之前，為了節(jié)省虛擬樣機建模和仿真時間，同時又要保證虛擬樣機仿真的精確性，在建立 模型之前要對實際模型進行必要的簡化．根據各部件的實際情況，去掉一些對于動力學仿 真以及后續(xù)疲勞分析影響不大的零件（如軸承），同時注意盡量保持各零件問的安裝尺寸 與裝配關系，在保證各部件的質心位置無變化的前提下簡化相應零部件的外形．最后，將 簡化后的裝配體以ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式整體導入ＡＤＡＭＳ中． 在ＡＤＡＭＳ中添加一個假設的基座，將導入的工作裝置。安裝”在該基座上． ４．２．３施加約束 在ＡＤＡＭＳ中按照圖４—２所示的裝配關系在ＡＤＡＭＳ中創(chuàng)建各零件問的約束關系，添 加相應的鉸接副與移動副，并將該模型安裝于固定機架上。得到該工作裝置的虛擬樣機． 該虛擬樣機共包含１８個旋轉副、４個移動副、１個固定副。 導入的模型以及施加的約束如圖４－４所示．
’ ．

圖４ｑ帶約束的工作裝置虛擬樣機

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４．２．４模型檢查 在ＡＤＡＭＳ中對圖４－４進行自由度檢查，結果如下；

圖４－５模型檢查結果

檢查結果顯示機構的自由度數為２，與前述計算吻合．此外，由于實際工作裝置為雙 臂并行結構，因此，雖然檢查結果提示有２２個冗余的約束方程，但此冗余約束并不影響 機構的動力學分析．

§４．３軍用工程機械底盤系統(tǒng)虛擬樣機建模
工程機械的底盤系統(tǒng)是車架和行駛傳動系、行走系、轉向系、行駛制動系的總稱，是 整機的支承，并能使整機以所需的速度和牽引力沿規(guī)定方向行駛．對應于輪式工程機械與 履帶式工程機械，底盤系統(tǒng)分為輪式驅動底盤與履帶式驅動底盤“２“““�！薄埃矗� 本節(jié)以輪式多用工程車的底盤系統(tǒng)為研究對象，建立其虛擬樣機模型。 ４．３．１高速輪式多用工程車底盤系統(tǒng)簡介與虛擬樣機建模特點 輪式工程機械與通用汽車底盤系統(tǒng)的最大不同，在于其懸掛及傳動系統(tǒng)“”． 對于一般運行速度較低的輪式鏟土運輸機械，為了保證其作業(yè)時的穩(wěn)定性，一般是沒
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有懸掛系統(tǒng)，而將車架與車橋直接剛性相連。而對于高速輪式多用工程車，為了緩和行駛

在中的各種沖擊和振動，則裝有彈性懸架，車架通過懸架與前后橋相連，車橋兩端則安裝
車輪，如圖４－６所示．

Ｋ∥≮＜ ＼。Ｉ／ ＼Ｔ／
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｜Ｌ

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ｌ車架２車橋３懸架４車輪 圖４－６輪式行駛系組成示意圖

在傳動系統(tǒng)方面，工程機械主要有機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動和電傳動等幾 種類型。其中液力機械傳動為大多數大中型工程機械所采用。其構成如圖４－７所示。

ｌ柴油機２液力變矩器３變速箱４、６萬向傳動裝置５，７前后驅動橋 ８最終傳動９驅動輪１０分動箱１ｌ“三合一”齒輪機構 圖４－７輪式液力機械式傳動系統(tǒng)圖

采用液力變矩器的作用是使工程機械能夠在較大范圍內自動適應工作載荷的變化，平 穩(wěn)地改變牽引力和速度，減少變速箱的檔位數，方便操縱；減少傳動系乃至發(fā)動機所承受 的沖擊，延長構件壽命；且液力變矩器的非剛性傳動可以使機器平穩(wěn)啟步． 然而對于高速輪式多用工程車，在高速行駛時，由于液力交矩器的使用不能滿足對行 駛速度和穩(wěn)定性的需要．因此，該工程機械將檔位分為高速檔和低速檔，并各有５個檔位． 在高速檔位時，采用類似通用汽車式的機械式傳動；在低速檔位時，采用普通工程機械式 的液力機械式傳動。 由上述高速輪式多用工程車底盤系統(tǒng)的上述結構特點可以看出，其底盤系統(tǒng)比－二般工 程車輛更接近于通用車輛的底盤系統(tǒng)．因此，本文將在對通用載重車輛底盤系統(tǒng)進行一定 的修改的基礎上建立其的虛擬樣機．依照該高速輪式多用工程車的技術參數，其懸架系統(tǒng)
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采用具有非線性空氣彈簧的雙叉懸架系統(tǒng)，其傳動系統(tǒng)僅保留了５檔機械式４輪驅動傳動 系統(tǒng)，用于高速行駛時的道路行駛試驗。 ４．３．２虛擬樣機仿真模型的結構 在３．２．１節(jié)中已經介紹，輪式多用工程車底盤系統(tǒng)的虛擬樣機，使用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ模塊 進行建模．與４．２節(jié)中工作裝置的虛擬樣機建模不同，Ｃａｒ模塊中使用基于“模版”的建模方 式進行底盤系統(tǒng)的建模。 所謂。模版”是指基于底盤系統(tǒng)各自系統(tǒng)的構型分類建立起一個通用的該子系統(tǒng)模型， 因此，同一個模版可以用于多種不同的研究對象．用戶使用時按照實際研究對象的特性參 數對該模版進行一定的設置使之符合實際情況，這樣既可快速建立起實際子系統(tǒng)的虛擬樣 機。再將各個子系統(tǒng)組裝，即完成對整個底盤系統(tǒng)的虛擬樣機建模． 高速輪式多用工程車的底盤系統(tǒng)虛擬樣機可參考通用車輛底盤虛擬樣機，可分為動 力、傳動（高速檔）、轉向、前后懸架、行走、制動以及簡化車身等八個子系統(tǒng)。其組織 結構按照實際工程機械的布置，如下圖所示．
行走及制動子系統(tǒng) 轉向子系統(tǒng)
、

動力及傳動子系統(tǒng)

簡化車身

前后懸架子系統(tǒng)

圖４—８底盤系統(tǒng)的組成示意圖

４３．３子系統(tǒng)動力學模型的簡化和建模 與圖４＿７相比，可以看出在圖４－８中使用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ建立的高速輪式多用工程車底 盤系統(tǒng)虛擬樣機是對實車進行了一定的簡化后的模型。這是由于基于模版的ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ 雖然使得方便快捷地建立底盤系統(tǒng)虛擬樣機成為可能，但實際結構以及零部件形狀和數量 過于復雜多樣，為了使建立的模型具有準確的動力學特性而又不影響建模和解算速度，對 于幾何模型必須進行相應的抽象，忽略次要因素．尤其對于那些對后續(xù)疲勞試驗無關的結 構和零部件，需進行一定程度的刪減和簡化．總體說來，簡化基于以下幾個方面的假設：
１） ２）

簧載質量（車身）為一剛體，具有六個自由度。 發(fā)動機及變速箱為理想動力源及輸出裝置，忽略內部結構．
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３）

動力傳遞系統(tǒng)進行相應的簡化，暫時只考慮傳動半軸以后的動力傳遞，即驅動 力矩直接加在等速萬向節(jié)處。 對于剛體之間的連接柔性作適當的簡化，用線性彈性橡膠襯套（ｂｕｓｈｉｎｇ）來模擬實 際工況下的動力學特性． 對于零部件，僅保留其對動力學求解有影響的關鍵點（ＡＤＡＭＳ中稱為“硬點”）， 忽略其實際幾何構形。
．

４）

５）

下面將按各個子系統(tǒng)分類逐一描述懸架、轉向系和傳動系等子系統(tǒng)的模型結構。 ４．３３．１前后懸架子系統(tǒng) 如圖４—９所示，高速輪式多用工程車的前后懸架均為雙叉懸架。建模時，按照實際情 況，抽象出車輪支架總成、轉向節(jié)、上下控制臂（叉）、減振器、傳動半軸、轉向桿（前 懸架）、簡化車架等剛體，并對它們之間的連接形式作了合理的抽象．

１上控制臂２車輪支架總成３下控制臂４簡化車架
５轉向桿６減振彈簧７傳動半軸

圖４．９前（后）懸架模型

圖４－９車輪支架總成２是由上下控制臂支架、控制桿轉向節(jié)臂和輪胎支承部分等幾個 實際零件組成，但由于它們之間沒有相對運動，所以在此作為一個剛體來處理。這其中轉 向節(jié)臂通過球鉸與轉向拉桿５連接，轉向拉桿的另一端留出接口與轉向系統(tǒng)連接；上下控 制臂ｌ、３一端通過球鉸與支架總成連接，另一端通過橡膠襯套安裝在車架上；減振器缸 筒與減振器活塞桿６通過橡膠襯套底端安裝在下控制臂上，頂端安裝在車架上；傳動半軸 ７兩端均通過等速萬向節(jié)副分別與輪軸支架及動力輸出系統(tǒng)（預留接口）連接． ４３３．２轉向子系統(tǒng)
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圖４－１０為高速輪式多用工程車的齒輪齒條式轉向機構，這種形式的轉向機結構相對簡 單．我們抽象出的轉向系統(tǒng)ＡＤＡＭＳ模型共７個剛體。８個理想約束和力元約束。 為了模擬轉向系統(tǒng)的剛度，我們將轉向柱３分為 上中下三段，它們之間通過一個萬向節(jié)相連接，上端 穿過一個安裝襯套２與方向盤ｌ由旋轉副連接，下端 為一旋轉副。值得注意的是，在此齒輪齒條副是由一 個復合副代替的，該復合副將上述轉向柱下端的旋轉 副與轉向桿４與安裝轉向套筒５之間的移動副耦合， 將旋轉副的旋轉角與移動副的移動位移聯(lián)系起來，并 調整到一定的傳動比。轉向拉桿４通過等速萬向節(jié)副 與前懸架中的轉向桿連接．為了反映轉向減振器的作 用，在轉向器套筒５和轉向拉桿之間加入了一個三維 失量力，并添加一定的阻尼，使之符合高速輪式多用 工程車轉向機構實際所受到的轉向阻力。 ４．３．３．３動力與傳動子系統(tǒng)
１方向盤２安裝襯套３轉向柱
４轉向拉桿５安裝轉向套筒

圖４－１０轉向系統(tǒng)模型

高速輪式多用工程車采用了四輪驅動方案，其傳動系應當包含了從發(fā)動機、變速器、． 差速器、驅動半軸直到輪胎的整個傳動鏈。為了簡化模型，忽略了發(fā)動機、變速器、差速 器的具體結構，僅保留了發(fā)動機和變速器的動力輸出參數以及從差速器輸出至四輪驅動的 模型．如圖４．１１所示。

圖４－１１動力及傳動子系統(tǒng)

由圖４一ｌｌ可以看出，動力與傳動系統(tǒng)在ＡＤＡＭＳ中是一個沒有物理連接的系統(tǒng)。發(fā) 動機及變速器由彈性襯套安裝在車身上（預留接口），其工作特性（如輸出功率、最大轉 速、空轉轉速、離合器開合等）完全由系統(tǒng)參數給定，圖中所示的發(fā)動機幾何外形對動力 學仿真沒有影響，對仿真有影響的是其質量參數和轉動慣量．變速器輸出端在此簡化為一 個可以繞中心旋轉的圓柱，轉速的大小由一個與差速器輸出端聯(lián)系的力矩決定，該力矩的 大小由變速器輸出功率以及前后驅動的動力分配決定ｊ兩者亦皆由系統(tǒng)參數設置．

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４．３３．４輪胎模型 輪胎模型是底盤系統(tǒng)建模中十分重要的一個方面，輪胎模型直接決定了車輛行駛時的 垂向加載、加減速特性以及轉向特性，車輛動力學仿真的精確性在很大程度上取決于輪胎 模型的好壞。在ＡＤＡ＿ＭＳ／Ｃａｒ中，輪胎建模亦基于模版完成。ＡＤＡＭＳ提供了多種輪胎模型， 它們可分為兩類：理論型輪胎模型，包括Ｆｉａｌａ模型、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ ｉｒｌｚｏｆｌａ．（ＵＡ）模型；

實驗型輪胎模型，包括Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ－ａｎｄ－Ｐｏｉｎｔ－Ｆｏｌｌｏｗｅｒ模型、Ｓｍｉｔｈｅｒｓ模型以及荷蘭Ｄｅｍ 工業(yè)大學ＨａｎｓＰａｅｅｊｋａ教授與瑞典Ｖｏｌｖｏ汽車公司合作開發(fā)的Ｍａｇｉｃ－Ｆｏｒｍｕｌａ模型等。本文采 用Ｍａｇｉｃ－Ｆｏｒｍｕｌａｒ模型的一個特例，稱為Ｐａｃｃｊｉｋａ８９”１
．

該模型基于線性剛度阻尼模型計算輪胎的正壓力（垂向），并由此導出輪胎的縱向和 測向壓力，通過用戶設定的輪胎縱向、測向剛度和阻尼計算輪胎變形、轉動力矩等輪胎特 性．所選輪胎參數如圖４一１２所示：

罵荽毒≥囊。萎霉；攀囂攀霎霉霉饕蓁委鱉羹
栩婭ａ曲榭黔重舡，工ｌ膳善籬～藍；茹點燃＃驀驀器二貉｝Ｆ糍黧囂案彩≥鬟：＊。二�！停海Ｒ唬椋海涣住稗�。：：夢，茲靜ｉ煮霉≯肖
圖４．１２輪胎特性參數

４３．３．５車身及其它子系統(tǒng) 由于模型的車身外觀與底盤系統(tǒng)無關，因此在此是用質量點示意的．這樣與精確的白 車身有差別，但這不會影響底盤系統(tǒng)的動力學參數和性能．因為ＡＤＡＭＳ對剛體的慣性參 數的確定有兩種方式： １）根據幾何尺寸及密度自動計算得到； ２）根據用戶的自定義數據． 對于車身的慣性參數采用的是第二種方法，車身質量及其繞質心三根軸的轉動慣量都 根據實測數據來確定，因而是較準確的．在建模時只要保證車身與懸架的連接位置和連接 方式的正確性，車輛模型就是合理可行的。 此外，高速輪式多用工程車底盤系統(tǒng)還應包括制動子系統(tǒng)，但由于該子系統(tǒng)在后續(xù)的 疲勞試驗中不起作用，因此在本研究中將其忽略． ４．３．４高速輪式多用工程車底盤系統(tǒng)虛擬樣機的組裝 在完成了各子系統(tǒng)建模后，可將其裝配成一個完整的底盤系統(tǒng)．如圖４一１３所示。
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圖４－１３底盤系統(tǒng)模型

在裝配時，由于事先各子系統(tǒng)已經留有接口（在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ中稱作ＣｏｍｍｕｎｉｃａＷｒ）， 因此相應的子系統(tǒng)會自動聯(lián)接，此時，僅需要按照實際研究對象的幾何參數，設置各子系 統(tǒng)的精確位置即可完成各子系統(tǒng)的位置分布。其主要技術參數如表４－１所示：
表４－ｌ底盤建模主要技術參數 整車質量
１３０００Ｋｇ

軸距 后輪距 前（后）輪外傾角 主銷內（后）傾角

３１５０ｒａｍ ２４９０ｍｍ ．ｏ．５’±Ｏ．２５。
０。

前輪距 總高（至司機室項部）
前（后）輪前束角

２３８０ｍｍ

２６７７ｍ
Ｏ。

由前述小節(jié)可知。子系統(tǒng)與車身連接大量使用了稱為彈性襯套的連接方式，使用該種 連接允許用戶自行設定連接的位移、旋轉剛度和阻尼，更真實地模擬出實際車身連接的動 力學特性．表４－２列出了所用到的幾個彈性襯套及其作用．
表４屯底盤系統(tǒng)中的彈性襯套
名稱
Ｓｕｂｆｒａｍｅ＿ｆｉ＇ｏｎｔ
Ｌｃａ ｆｒｏｎｔ Ｌｗｒ

數量
４ ４ ４ ４ ２

連接對象
懸架與車身

名稱
Ｓｕｂｆｒａｍｃ＿ｒｃａｒ

數量
４ ４ ４ ４ ２

連接對象 懸架與車身 下控制臂與車身

下控制臂與車身 減振器與下控制臂 上控制臂與車身
發(fā)動機與車身

Ｌｃａ托盯 Ｔｏｐ＿ｍｏｕｒｎ Ｕｃａ咒盯
Ｒｅａｒ＿ｅｎｇｉｎｅ＿ｍｏ
ｔｉｎｔ

ｓ眥

減振器與車身 上控制臂與車身 發(fā)動機與車身

Ｕｃａ ｆｒｏｎｔ Ｆｒｏｎｔ＿ｅｎｇｉｎｅ＿＿ｍｏ ｕｎｔ Ｔｏｒｓｉｏｎ ｂａｒ

ｌ

轉向柱與轉向拉桿

Ｒａｃｋ．＿ｈｏｕｓｉｎｇ．＿ｂ ｕｓｈｉｎｇ

２

轉向套筒與轉向
拉桿

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表４－２中每個彈性襯套都可以單獨設置剛度、阻尼參數，參數可以是線性，亦可以由 曲線定義為非線性。部分彈性襯套的剛度阻尼曲線如圖４－１４所示。
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ｆｒｏｎｔ的位移與旋轉剛度曲線 ｍｏｕｎｔ的位移與旋轉剛度曲線

Ｆｒｏｎｔ＿ｅｎｇｉｎｅ

圖４一１４部分彈性村套的位移與旋轉剛度曲線

最后，參照研究對象的動力與傳動系統(tǒng)技術參數，以曲線的方式設置發(fā)動機與差速器． 參數如圖４一１５所示。其它發(fā)動機參數如表４－３所示．
表４＿３發(fā)動機與傳動系統(tǒng)參數
發(fā)動機空轉轉速
ｉ０００ｒｐｍ ７００００Ｋｇ＊ｍｍ２ ３．５
１．２６ ０．７６

發(fā)動機最大轉速
差速器減速比 ２檔減速比 ４檔減速比

７０００ｒｍｐ
４．１ｌ １．９４ Ｏ．９３

發(fā)動機轉動慣量 １檔減速比 ３檔減速比 ５檔減速比

離合器最大容許轉矩

１．０Ｅ＋００６Ｎ’姍

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圖４－１５發(fā)動機與差速器特性曲線

至此，完成了高速工程車底盤系統(tǒng)的虛擬樣機建模。該模型共擁有５７個零件、６個圓 柱副、１３個旋轉副、１２個球副、３個移動副、８個等速萬向節(jié)副、１１個固定副、７個萬向 節(jié)副、１個共線副、１個共面副、１個平行副、５個垂直副，４個動力執(zhí)行器、２個耦合副， 多達８１個自由度。

§４．４本章小結
虛擬樣機和其建立環(huán)境作為虛擬試驗的基礎，對虛擬試驗及其結果可信度有著重大影 響．本章中依據工程機械的結構特點，將其分為工作裝置和底盤系統(tǒng)分別建立其虛擬樣機
模型．

在對其工作裝置建模時，采用類似通用機構建模的方法。首先在三維ＣＡＤ軟件中建 立工作裝置裝配模型，經過一定的簡化后導入ＡＤＡＭｓ，從而避免了Ａ】）ＡＭＳ中建模困難 的不利因素，隨后在ＡＤＡＭＳ完成添加約束等工作，最終完成該虛擬樣機的建模． 對于底盤系統(tǒng)，由于其構造極為復雜，因此本章中采用基于模版加零部件簡化的方式 快速地建立起諸如懸架、轉向、傳動等子系統(tǒng)，而后將各子系統(tǒng)組裝，并根據研究對象設 置系統(tǒng)參數，最終完成該虛擬樣機的建模． 以上本章中建立的虛擬樣機均根據后續(xù)虛擬試驗的需要對實際結構進行了一定的簡 化，尤其在底盤系統(tǒng)中，對發(fā)動機、變速器、差速器、車身進行了大幅簡化，僅保留了一 些特定的系統(tǒng)參數，因此可以預見的是，后續(xù)虛擬疲勞試驗將無法對該動力傳動系統(tǒng)以及 車身結構進行分析，這在以后的研究中是需要深入研究的． 此外，對于底盤系統(tǒng)，研究對象的一些參數必須由生產單位根據實測數據確定，然而 許多測試由于成本和時間的原因目前沒有完成，因此在本章中的一些參數是根據經驗數據 取得，并可能對后續(xù)疲勞試驗的結果產生不利的影響．

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第五章工作裝置虛擬疲勞試驗
§５．１引言
如前所述，工程機械工作裝置的疲勞是與其工作狀況（工況）緊密相連的。對于第四 章中所建立的裝載裝置而言，其工況可分為典型的工況包括插入、鏟裝、重載運輸、卸載 和空載運輸．由于其中對疲勞壽命影響最大的是插入、鏟裝和卸載工況，因此本章中僅考 慮上述三種基本工況，對其進行仿真，仿真測得的載荷將作為后續(xù)疲勞分析的依據． 此外。由于本虛擬樣機模型中沒有考慮液壓系統(tǒng)，因此，本虛擬試驗目前僅能對工作 裝置中的機械零部件進行試驗分析．

§５．２基于虛擬樣機的工作裝置作業(yè)仿真
５．２．１旋加載荷及驅動

裝載機完成一次插入——鏟裝一卸載任務的典型步驟“１如下：
（Ｉ）裝載機以ｌ檔向料堆前進，動臂下鉸接點距地面２００ｒａｍ，鏟斗與地面平行； （２）距料堆前ｌｍ，下降動臂使鏟斗底接地，切近料堆； （３）加大油門使鏟斗全力切近料堆，當阻力很大時，采用配合鏟裝法，即同時間斷 地操縱鏟斗上轉及動臂上升，以達到裝滿斗為止； （４）將動臂升到需要的高度，使鏟斗翻轉開始卸載，當物料粘積鏟斗時，可采用鏟 斗彈振的方法使物料脫落；
．

（５）卸載完畢后，動臂和鏟斗快速恢復到初始狀態(tài)，準備第二個作業(yè)循環(huán)． 如４．２節(jié)所述，由于模型是。固定”在一個虛擬基座之上（參見圖４－４），上述步驟ｌ、 ２中的靠近物料的操作將無法模擬。但是由于疲勞試驗僅對工作載荷感興趣，因此只要模 擬出機構運動時相應的物料阻力。同樣能夠保證工況仿真的準確性． 在ＡＤＡＭＳ環(huán)境中，使用Ｓｔｅｐ函數來精確控制動臂油缸與轉斗油缸的運動，其函數語 句如下所示： 動臂油缸：

ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０…０ １ １５）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０．１，ｏ，３．１，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，３．１…０ ４?１５卜ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，４…０ ７ ６５，０ｙ｝ｓｔ
ｅｐ（ｔｉｍｅ，７．６５，ｏ，７．７，１０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．７＇Ｏ＇７．８，－２０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．８，ｏ，７．９，２０卜ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．９，０，８，－１０）＋ｓｔ

ｅｐ（ｔｉｍｅ，８，０，８．１，－２２．５）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，８．１，０，１０．３，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１０．３５，０，１０．５，２２．５） 轉斗油缸： ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，１０，３．０，－５）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，３，０Ａ，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，４，ｑ，５，－２）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，５，０，７．２，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍ
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，

ｅ，７．２，０，７．７，２０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．７，０，７．８，－３０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７…８ ０ ７．９，３０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７…９ ０ ８，－３０）＋ｓｔｅ儀ｔｉｍｅ ，８，０，８．１，３０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，８．１…０ ８ ２，－２．２）
由于該工作裝置為雙臂并行機構，且有效自由度為２，故僅需單側兩油缸施加上述運 動即可完成全部工況的運動仿真．但事實上，單側驅動會造成該虛擬樣機中旋轉副上由于 加載不平衡而產生的不真實的軸向載荷，因此，上述運動將同時驅動雙側油缸。兩油缸的 行程如圖鏟１所示。

（ａ）動臂油缸 圖５－ｌ油缸行程

（ｂ）轉斗油缸

圖５－ｌ中７．５至８．２秒處的波動表示動臂與搖桿彈振，該動作產生的沖擊將對工作裝 置疲勞壽命產生較大的影響。 如圖５－２所示，工作裝置在完成插入、鏟裝作業(yè)時所受的載荷有插入阻力Ｆ－、鏟取阻 力Ｆ．、物料重力Ｇ。以及各零部件自身的重力Ｇ。。由于鏟斗的插入和鏟裝是順序進行的（此 處不考慮配合鏟裝的情況），插入阻力和鏟取阻力也依次達到最大值，物料重力則在鏟取開 始階段達到最大值，各構件的自重則不發(fā)生變化．在ＡＤＡＭＳ環(huán)境下，零件自重可由系統(tǒng) 自動算出，Ｆ－和‘則需要依據設計時鏟斗最大容量、額定載荷、最大牽引力、變矩系數等 參數要求，在ＡＤＡＭＳ中進行模擬．在此同樣使用函數來描述各載荷的變化歷程，如圖５－３ 所示．

圖５－２工作裝置受力示意圖

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圖５－３載荷歷程

如圖５－３所示，根據４．２．１小節(jié)中該裝載裝置的設計要求，仿真時盡量選取最為苛刻 的載荷條件：插入阻力Ｆｍ依據最苛刻條件，即該工作裝置下動力系統(tǒng)能提供的最大牽引力 ６０千牛，但該阻力作用時間非常有限；鏟取阻力的初始值與最大物料重力Ｇ。相同，３０千 牛，作用時間隨著鏟取工作接近尾聲而逐漸減��；在鏟取阻力開始下降時，物料重力逐漸 增加，最終達到最大值３０千牛并維持至卸載工作開始，隨后分段減小至０。 ５．２．２系統(tǒng)的仿真與分析 在對原模型施加運動和載荷后，即可在ＡＤＡＭＳ下運行動力學仿真．設置仿真時間１０．６ 秒，仿真步數為２００。仿真過程如下：

（ｂ）

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（ｃ）

Ｃｄ） ａ舉升ｂ卸載ｃ彈振ｄ復位 圖５—４仿真過程

５．２．３載荷歷程獲取與輸出 在動力學仿真結束后，使用ＡＤＡＭＳ可以方便地測量出各旋轉副在仿真過程的載荷歷 程．該歷程可以近似地認為旋轉副連接的兩零部件在該處所受到的載荷歷程。 以動臂為例，與其相連共有５個旋轉副，如圖５－５所示。

圖５－５與動臂關聯(lián)的旋轉副

對上列五個旋轉副分別建立Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的測量（Ｍｅａｓｕｒｅ），測量其所受載荷的變 化歷程如下；

￡口匹口齠
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注；圖中第ｉ行為圖３ｌ中相應第ｉ個旋轉副ｘ，Ｙ，ｚ向載荷歷程
。

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國防科學技術大學研究生院學位論文 圖５咱旋轉副載荷歷程

在獲得上述載荷歷程之后，可以將其輸出為載荷譜文件（．ＤＡｃ），供后續(xù)疲勞分析使
用．

§５．３工作裝置虛擬疲勞分析
在完成工作裝置的動力學仿真，獲得其各零件的載荷歷程后。即可將該歷程用于虛擬 疲勞試驗。如第三章所述，工作裝置的虛擬疲勞試驗是基于零部件的有限元靜力學分析的． 以下本文將以上述裝載裝置中的動臂為分析對象。通過對其有限元靜力學分析和材料疲勞 屬性的定義，由上節(jié)中已得到的載荷譜（時域歷程）完成對其的虛擬疲勞試驗。 ５．３．１零部件的有限元建模 如４．２．２節(jié)所示，使用ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式文件可方便地將ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ中建立的零部件模型 導入ＡＤＡＭＳ之中。同樣，ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ同樣亦能夠很好地兼容該種格式的零件模型．與 ＡＤＡＭＳ中建模時導入裝載裝置整體裝配模型類似，在本節(jié)中將該裝載裝置的動臂零件模 型單獨導入Ｐａｔｒａｎ之中． 導入完成之后，在Ｐａｔｒａｎ中對該三維設計模型進行網格劃分操作．使用四面體網格對
第“頁

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該零件進行自動網格劃分，劃分后的零件模型共有３６４３個四面體單元，６６９２個節(jié)點。此 外，還需在動臂與其它零件聯(lián)結孔處（如圖５－５所示）建立了五個多點約束（ＭＰＣ），將 孔周圍的點與孔中心的新建立的節(jié)點固聯(lián)，方便后續(xù)載荷的施加以及更接近零件實際受力 狀況．劃分網格及添加多點約束后的動臂有限元模型如圖５－７所示。。

圖５—７動臂有限元模型

５．３．２加載事件建立與材料設置 由于在５．２節(jié)中，動力學仿真所得載荷歷程是按照每個旋轉副安裝孔處的三個Ｘ、Ｙ、 ｚ向分別輸出的．以此，在有限元靜力學分析時就需要對各個載荷歷程分別建立加載事件
（Ｌｏａｄ

Ｃａｓｅ）．又由于后續(xù)疲勞分析需要得到該動臂在單位載荷作用下的應力、應變信息，

以此對上述建立的每個加載事件里僅包含有一個方向上的一個單位載荷（大小為ｌ牛頓的 載荷）。 零件的材料屬性在本次靜力學試驗中可參照一般各項同性鋼材的物理屬性，設置密度 為７．８ｅ－－６千克，立方毫米，彈性模量為２ｅ５兆帕以及泊松比為Ｏ．３３。由于上節(jié)中在每個ＭＰＣ 上仍有一個新建的點單元，且該點單元對靜力學分析并無意義，則將該點單元的各項屬性 均設置為０即可。 ５．３３靜力學求解 在Ｐａｔｒａｎ中調用Ｎａｓｔｒａｎ對所有１５個加載事件運行一次靜力學求解，即可得到每個事 件下相應各單位力作用在該零件上的應力和應變情況。并且該結果可在Ｐａａ＇ａｎ中以圖形化 的形式直觀地顯示出來．列舉其中４個靜力學分析結果如下：
、

＾

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旋轉副ＩＸ向

旋轉副３Ｙ向

旋轉副４Ｘ向

旋轉副２Ｚ向

圖５－８靜力學分析結果（部分）

５．３．４疲勞載荷譜輸入與材料疲勞屬性設置 在Ｐａｔｒａｎ中啟動ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ軟件，開始準備進行疲勞分析。 在經過上小節(jié)中敘述的靜力學分析后，即可將５．２．３小節(jié)中獲得的１５個加載通道上的 載荷歷程（已保存為ＤＡＣ格式）導入Ｆａｔｉｇｕｅ中。與５．３．２小節(jié)中建立的１５個加載事件一 一對應．導入后的載荷歷程和其與加載事件的對應關系分別參見圖５－ｌＯ、５－９。
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圖５．９載荷歷程與加載事件的對應關系圖
第４６頁

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５—１０

Ｆａｔｉｇｕｅ中導入的載荷歷程

在Ｍｓｃ．Ｆａｔｉｇｌｌｃ中設置該動臂材料為１６Ｍｎ，查得出該材料的疲勞屬性（ｓ－Ｎ曲線）“”如 圖５－１１所示．

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圖５－ｌｌ Ｍｎｌ６的Ｓ－Ｎ曲線
第４７頁

．

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５．３．５疲勞壽命預測與結果分析 在上述載荷和材料屬性已設置的情況下，在Ｆａｔｉｇｕｅ中運行全壽命分析（Ｓ－Ｎ分析）， 得到的動臂疲勞壽命預測結果如圖５－１２所示．

圖５．１２疲勞壽命分析結果

參照一般工程機械結構件可靠性設計要求，該零件應在工程機械的全壽命周期內（１０ 至２０年）不允許發(fā)生失效．由圖５－１２得到的結果可以看出，該動臂的疲勞危險區(qū)分布于 各聯(lián)結孔處、前臂中后段以及后臂的后段，最小壽命為３１７００次循環(huán)。考慮到基于ＡＤＡＭＳ 動力學仿真獲得載荷的真實程度以及有限元分析的精度，該分析結果在此雖不能作為該設 計方案的定量評判依據，不過由于該壽命結果顯示其距離要求的壽命（遠大于１０６次循環(huán)） 仍有相當的差距，因此據此分析結果可以定性地判斷出此設計方案需要做進一步修改，對 該動臂進行加強，以滿足疲勞壽命使用要求。并且該結果給出了應加強的部位．

§５．４本章小結
通過對第四章中建立的裝載裝置進行試驗分析，詳細介紹了工程機械工作裝置基于虛 擬樣機動力學仿真，有限元靜力學分析等方法的虛擬疲勞試驗的具體步驟： １）通過將第四章中建立的工作裝置虛擬樣機模型按照實際機構運行工況賦予約束關 系、驅動和載荷之后，即可在ＡＤＡＭＳ中逼真地再現(xiàn)該機構中各主要零部件在完成

一個鏟——裝——卸的工作循環(huán)時所經歷的載荷歷程，作為疲勞分析的一個加載
循環(huán)；

２）利用有限元靜力學分析，得到了工作裝置上某零件在受單位載荷下的應力應變信
息；

３）結合該應力應變信息、載荷歷程以及材料的疲勞特性：即可對該零部件的疲勞壽 命以及疲勞危險位置分布進行預測，完成虛擬疲勞試驗． 通過該虛擬疲勞試驗，可以使設計人員在設計之初快速獲得工作裝置各主要機械零部 件的預測疲勞壽命，為工程機械工作裝置的可靠性設計提供高速而有效的參考．
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第六章底盤系統(tǒng)虛擬疲勞試驗
§６．１引言
由第三章中分析可知，工程車輛底盤系統(tǒng)由于特殊的工作環(huán)境，其各部分零部件的疲 勞模式和產生機理與工作裝置中零部件的不盡相同．因此，本章中的虛擬試驗與前一章所 述的虛擬疲勞試驗亦有所不同．對底盤系統(tǒng)零部件的虛擬疲勞測試采用的是類似模擬試驗 中振動疲勞試驗的方法． 在第四章中，基于各自系統(tǒng)模版建立了某高速輪式多用工程車的底盤系統(tǒng)的虛擬樣 機，在本章中，即以該樣機為研究對象，通過在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ環(huán)境中對其進行虛擬道路行 駛試驗，獲取其載荷歷程，進而對其進行虛擬疲勞試驗，預測其疲勞壽命。 這里值得注意的是，上述“載荷”歷程并不等同于第五章中的載荷歷程。這是由于目 前虛擬樣機的基于剛體動力學的求解在面對諸如虛擬道路試驗這類與振動有關的仿真時， 并不能得到像第五章中那樣令人滿意的結果．因此，本章中在對第四章所建立的底盤系統(tǒng) 虛擬樣機進行仿真之前，需要將其中的一些零部件進行柔性化處理，使得后續(xù)的虛擬道路 行駛試驗所得到的“載荷”，實際上是基于柔性剛體動力學解算得到的“模態(tài)位移”歷程． 在獲得了模態(tài)位移歷程之后，通過應用模態(tài)應力恢復（Ｍｏｄａｌ 理論，由零件的模態(tài)節(jié)點應力（Ｍｏｄａｌ 圖６－ｌ所示。
Ｎｏｄｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ

ＭＳＲ）

Ｓｌｒｅｓｓ）精確復現(xiàn)了底盤系統(tǒng)在虛擬路面上行

駛時其上零部件所承受的載荷歷程。并最終將之應用于虛擬疲勞分析．具體的試驗流程如

圖６－１

底盤系統(tǒng)虛擬疲勞試驗流程
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１）零部件的有限元模態(tài)分析與柔性體建模； ２）基于柔性多體動力學的虛擬道路行駛試驗； ３）基于模態(tài)應力恢復的虛擬疲勞分析． 以下本章將對以上三個步驟逐一詳細闡述．，

§６．２底盤系統(tǒng)零部件的有限元模態(tài)分析與柔性體建模
雖然在第四章中建立的底盤系統(tǒng)虛擬樣機中，已對其中的零部件進行了大幅度的精簡 和抽象，但其零件數量仍有５７個之多．由于本章僅用于說明虛擬試驗的具體實現(xiàn)過程， 因此在本次虛擬疲勞試驗中，僅選擇了底盤系統(tǒng)中前懸架中的底端控制臂（Ｌｏｗｅｒ
Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ａｒｍ ＬｃＡ）作為試驗分析的對象。該零件在工程機械行駛時主要承受因路面不平造成的車

輪和減震器垂向運動所施加的交變載荷，其疲勞破壞特點在底盤零部件中具有一定的典型 性。在以下各試驗步驟中，也是圍繞著該ＬＣＡ展開的． ６．２．１零件的有限元建模 參照５．３．１小結中的內容，ＬＣＡ的有限元模型同樣采用ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式從三維設計軟件

中導入到Ｐａ脅中進行網格劃分等有限元處理．其ＣＡＤ模型和劃分網格后的模型如圖６＿２、
６＿３所示。

圖６屯ＣＡＤ模型

圖６－３有限元模型

該模型共與５．３．１小節(jié)中相同采用四面體單元進行自動網格劃分，共有１３５１２個節(jié)點、 ５７２７１個四面體單元和４個ＭＰＣ（圖６—３中灰色部分）．其中ＭＰＣ同樣為有限元模型與剛 體模型的接口。與５．３．１小節(jié)不同的是，在此劃分網格和添加ＭＰＣ后的模型上還需在全部 ＭＰＣ的獨立節(jié)點上建立一個超單元（ＳｕｐｅｒＥｌｅｍｃｎｔ），作為模態(tài)擴展的接口。 考慮到該ＬｃＡ所使用材料的基本屬性如密度、彈性模量亦與５．３．１中區(qū)別甚微，則其
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材料屬性的設置亦參照了５．３．１小節(jié)中的設置參數。 ６．２．２自由模態(tài)分析與柔性體文件生成 由４．１．２小節(jié)中介紹的公式４．４、禾５可知，在ＡＤＡＭＳ柔性多體動力學求解是基于模 態(tài)坐標的．這里對于本虛擬疲勞試驗來說尤為重要的是，這里所說的模態(tài)，是指分析對象 的自由模態(tài)。所謂自由模態(tài)是指分析對象（對于本節(jié)內容，即指ＬＣＡ）在無約束條件下所 解算出的模態(tài)，反映的是分析對象的固有屬性。這就為本節(jié)中的有限元模態(tài)分析帶來了極 大的便利。這是因為在此完全不用考慮有限元模型的邊界條件，在Ｐａｔｒａｎ環(huán)境下直接調用 Ｎａｓｔｒａｎ對其進行模態(tài)分析即可。 雖然事實上對零件應力影響最大的是被稱為“主要模態(tài)”的前幾階固有模態(tài)，但在本 節(jié)中為了更加嚴密起見，使用Ｎａｓｗａｎ分析了ＬＣＡ前２０階自由模態(tài)．模態(tài)分析的結果見
表６．１．

：襄６－１模態(tài)分析結集
階數
ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ｌｌ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２０
４

頻率肫
３．７２Ｂ．３ ２．９２王－３

模態(tài)振形描述
整體沿叉前臂平移 整體以叉前臂為軸旋轉 整體以減震器安裝孔軸心為軸旋轉 整體以交叉點橫向為軸旋轉 整體以減震器安裝孔到叉前臂安裝孔為軸旋轉 整體以叉前臂安裝孔垂向為軸旋轉 前后叉臂安裝端縱向相對扭曲 前后叉臂聯(lián)結端縱向相對扭曲 前后叉臂縱向同向扭曲 整體垂向扭曲 前后叉臂安裝孔處垂向相對扭曲 前后叉臂安裝孔處垂向同向扭曲 前后叉臂安裝孔處縱向相對扭曲 前叉臂垂向扭曲 后叉臂垂向扭曲 后叉臂及減震器安裝處縱向扭曲

２．２ｌＢ３
１．１８Ｂ．３ ９．１７８４ ５．０６Ｅ－４ ３８３．９ ６５６．２ ８４９．５ ９２８．７ １３０１．９ １６５７５ ２２０６．４ ２３２５．４ ２５７５．６ ２７２３．４ ３２６３．２ ３４８２．８ ３９９５．２

減震器安裝臂垂向扭曲 減震器安裝處局部縱向變形 整體以減震器安裝孔垂向為軸同向扭曲
前后叉臂聯(lián)結端局部垂向扭曲

４１０２．７

在表ｌ中，前六階模態(tài)結果為零件的剛體模態(tài)（主頻率約為Ｏ），反應了模型作為剛體 的位移情況，對模態(tài)應力恢復不產生影響，因此后續(xù)分析將忽略此六階模態(tài)。并且由上述 模態(tài)分析結果中可以看出，前２０階模態(tài)已涵蓋了該零件從剛體模態(tài)到局部模態(tài)的各種模 態(tài)類型，這意味著此２０階模態(tài)對后續(xù)模態(tài)應力恢復操作已含有足夠多的模態(tài)階數．
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由于事先設置，可使Ｎａｔｒａｎ在完成模態(tài)分析的同時生成該零件的模態(tài)中性文件（Ｍｏｄａｌ
Ｎｅｕｔｒａｌ Ｆｉｌｅ

ＭＮＦ），該文件保存了零件的網格化的模型和其模態(tài)分析結果等信息。

６．２．３柔性體零件導入 上一小節(jié)中最后生成的ＬＣＡ的ＭＮＦ文件可以由ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ導入原有剛體底盤系統(tǒng) 虛擬樣機替換原有ＬＣＡ的剛體模型．替換時，可由零件的柔性體（有限元）模型與原有 剛體模型外形相同，則可以使用質心匹配快速將柔性體模型定位，需要注意的是，在零件 替換時需要將有限元中ＭＰＣ的獨立點（亦為超單元）與原有剛體零件中與其他零件連接 的約束副的Ｍａｒｋｅｒ點一一對應，以保證在柔性體零件導入后對原有剛體虛擬樣機的結構并 不產生影響。 ＬＣＡ柔性體零件導入后，可以在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ中快速測覽其中所包涵的模態(tài)信息，在 此列舉其中第ｌ，７，１３，１９階模態(tài)振型如下．

（ａ）

（ｂ）

（ｃ） ａ第１階ｂ第７階ｃ第１３階ｄ第１９階

（ｄ）

圖６－４町文件中記錄的各階振型

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§６．３路面建模與行駛仿真
一當柔性體零件模型導入替換完畢后，原有剛體虛擬樣機即成為剛柔體混合模型．接下 來就可以對該樣機進行虛擬道路行駛試驗，此時對于ＬＣＡ，ＡＤＡＭＳ采用了柔性多體動力 學的求解方法，對于底盤的其它零部件仍然使用剛體動力學的求解方法進行求解。 ６．３．１路面譜輸入 由于ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ允許使用多種方法輸入標準或用戶自己建立的路面模型．本節(jié)中參 照３．３．１小節(jié)中的方法，使用路面文件（Ｒｏａｄ ＧＢ標準路面．其文件內容如圖６－５所示：
ｔｍｌ＿Ｋ１１ｍｅ］ ＦｉｔＥ－Ｔｔｎ－‘ｒ¨‘
ＦＩＬＥ＿ＵＥｌｌ５１１１Ｈ?５．●●

Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ

Ｆｉｌｅ）的指令文件快速地生成

ＦＩＬＥ—ＦＯＲＩＮＴ－。１１ＥＣＩＩ’
‘ＣＯＨＨＥｎＴｓ）

（ｃＥｍｅｎｔ＿ｓｔｒｉｎｇ） ’ｓｔ＿ｃｈａｓｔＩ‘ｓｔｙｌ●ｒｎｕｌ４●ｅｓｃｒＩ●ｔＩ＿‘
［１１ＭＩＴＥ］
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ＦＯＲＣＥ

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Ｉｒａ）ＥＬ］ ＨＥＴＨｌｌＤ
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－１一●

圖６＿５ ＲＤＦ文件

上圖中路面文件的結構是ＡＳＣⅡ格式的文本文件．分為頭、單位、模型和參數四個模

塊。其中參數模塊中的ＤｒｒＤＩｓｒｒＹ一、廂函ｉ面磊，ＭｅａｎＶａｌｕｅ為按道路級另Ⅱ從表３－ｌ中ＩＳＯ
８６０８（ＧＢ７０３１．８６）選擇空問功率譜密度的平均值，這里的０．００８表示路面等級為Ｄ級標
準路面．Ｐａｔｈ

Ｃｏｎｓ磕ｔ表示道路的長度（單位在ＵＮＩＴ模塊中設置為“ｒｅ．ｎ１”），這里１００００００

表示路面長度為］Ｋｍ。ＣＯＲＲＥＬＡＴＩＯＮ＿ＲＬ為左右輪轍相關系數，在Ｏ～ｌ之間，０表示 不相關，ｌ表示完全相同，這里�。埃福停諡榈缆放c輪胎摩擦系數修正比，實際摩擦系數 是二者的乘積，這里取默認值１． 上述路面文件即表示一段左右相關系數為０．８的長達Ｉ公里的Ｄ級標準路面． ６．３．２虛擬道路行駛控制與仿真 在建立了“路面”的基礎上，要使已建立的底盤系統(tǒng)虛擬樣機在該路面上行駛，ＡＤＡＭＳ
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還需要駕駛控制文件（Ｄｒｉｖｅ

Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｉｌｅ

ＤＣＦ）來控制虛擬樣機的行駛操作．ＤＣＦ文件中

可以控制已有底盤虛擬樣機的轉向、發(fā)動機轉速、檔位、離合器開閉等，可以全面地模擬 真實條件下駕駛者對車輛的控制情況．由于本試驗僅需要使該虛擬樣機以一定的速度在 ６．３．１小節(jié)中所建立的“路面”上“行駛”一段距離即可．因此只需要在ＤＣＦ中添加以下 指令：
。

玳ＩＴＬＡＬ

ＳＰＥＥＤ

＝ｌＩ．１１１１１１

（ＥＮＤ＿ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ）
｛ｍｅ豁ｕｒｅ
ｔｅｓｔ

ｖａｌｕｅ １０００

ａｌｌｏｗｅｄ＿ｅｒｒｏｒ ｆｉｌｔｅｒ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ＿ｔｉｍｅ １．０ ０．０ ０．０

ｇｒｏｕｐ｝

吼ｓ．Ｉ－ＡＮＣＥｔ ｋｄ

其中，ＩＮＩＴＲＡＬ ＳＰＥＥＤ指定了行駛的初速度為１１．１ｌｌｌｌｌｌｍ／ｓ，即４０Ｋｍ／ｈ．
ＥＮＤ

ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ后的語句表示了當行駛距離達到１０００ｍ時停止仿真．

選擇上述建立的ＲＤＦ文件和ＤＣＦ文件，在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ環(huán)境下運行整車仿真中的文 件驅動的仿真，即完成了對該虛擬樣機的虛擬道路行駛試驗． ６．３．３模態(tài)位移輸出 虛擬道路行駛試驗結束后，柔性體ＬＣＡ零件的各階模態(tài)位移歷程被記錄了下來，通 過ＡＤＡＭＳ／Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ模塊，可以直接將該模態(tài)位移歷程輸出為Ｆａｔｉｇｕｅ可識別的ＤＡＣ文 件。供后續(xù)疲勞分析使用。ＤＡＣ文件的數量與事先輸入的ＭＮＦ所含模態(tài)數目相同．

§６．４基于模態(tài)應力恢復的疲勞分析
６．４．１模態(tài)應力恢復與材料設置 所謂模態(tài)應力恢復，是指當有限元（柔性體）模型的第ｆ階固有圓頻率ｑ、振型矢量｛諺｝ 已由前述自由模態(tài)分析得到、模態(tài)位移面已由上小節(jié)中的動力學仿真得到的前提下，在 Ｆａｔｉｇｕｅ中，使用以下公式求得有限元模型上的各節(jié)點的模態(tài)應力（Ｍｏｄａｌ Ｓｔｒｅｓｓ）（ｏ｝和反 作用力（Ｒｅａｃｔｉｏｎ）Ｆ，作為疲勞分析的輸入載荷： 模態(tài)應力：

｛ｏ）＝斜Ｅ，】

（６．１）

式中【Ｅ，】為模態(tài)應力矩陣，矩陣中各元素的值與材料彈性模量、泊松比有關，由有限 元模型決定． 模態(tài)反作用力： Ｆ＝ＫＵ一石２ＭＵ（６－２）

式中Ｋ、Ｍ為有限元模態(tài)分析時的剛度和質量矩陣．面為各階模態(tài)圓頻率的矢量表達，

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面為基于下式計算出的節(jié)點位移（失量形式）．
Ｊ

，

ｕ＝∑｛諺｝西。（６－３）
式（６－３）中Ｑ為第ｆ階模態(tài)位移，為一無單位標量，｛諺）模態(tài)振型矢量，由Ｎａｓｔｒａｎ 模態(tài)分析獲得．該式表示在一個線性彈性結構（絕大多數金屬零件在承受工作載荷時均屬 于線彈結構）在自由或強迫振動下振動時，其在任意時刻的振動形狀是所有模態(tài)的線性組
合．

又由于丕是由有限元文件生成的柔性體文件跟隨整車虛擬樣機經過虛擬道路行駛試 驗得到的隨時間變化的矢量集（矢量的個數取決于仿真時間內的采樣點數）面（ｔ），因此由 （６－１）、（６－２）式即可得到節(jié)點模態(tài)載荷歷程盯（ｔ）與Ｆ（ｔ），用于零部件的疲勞分析． 在本次試驗中，由于在模態(tài)分析中計算了ＬＣＡ的前２０階自由模態(tài)，由式（６－１）、（６－２）、

（６－３）可知，要進行模態(tài)應力恢復，必須在Ｆａｔｉｇｕｅ中將模態(tài)分析結果與虛擬道路行駛試
驗輸出的模態(tài)位移（歷程）按照模態(tài)的階次一一對應起來，如圖６－６所示：

圖６－６模態(tài)位移歷程對應

在Ｆａｔｉｇｕｅ中，還可以方便地瀏覽ＤＡＣ文件中保存的各階模態(tài)位移，圖６－７所示為其
。

中第７，ｌＯ，１３，１６。１９階模態(tài)位移歷程．

注ｌ依次為第７’１０，１３．１６．１９階

圖６－７ ＤＡＣ文件中記錄的模態(tài)位移歷程

本次試驗對象ＬＣＡ的材料選材料類型為優(yōu)質碳素結構鋼５５（ＧＢ６９９．８８）嘲，對應的ＳＡＥ

牌號為ｓＡＥｌ０５５，在Ｆａｔｉｇｕｅｑ氆＿擇該牌號材料，繪制該材料的ｓ－Ｎ曲線如圖６－８所示：
．

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圖６－８ ＳＡＥｌ０５５的Ｓ－Ｎ曲線

６．４．２疲勞安全系數預測與結果分析 完成上述模態(tài)應力恢復和材料疲勞屬性設置等工作后，對于該ＬＣＡ，參照ＧＪｌ３２２０１８４ 對于“軍用工程機械可靠性鑒定和驗收試驗”中的規(guī)定“１，在設置預想壽命為１０萬公里、 置信度９０％的情況下，運行安全系數分析，分析結果如圖６－９所示：

圖６－９ １０萬公里壽命安全系數分布

分析結果顯示，最危險處壽命安全系數為１．２２，危險部位分布于ＬＣＡ底面部分與減 震器安裝架周圍，且前臂比后臂更容易發(fā)生疲勞破壞． 根據上述結果中安全系數可知預計最小疲勞壽命約為１２．２萬公里，對于該輪式多用工 程車而言，足以滿足可靠性鑒定試驗時間中關子行駛１０００小時的要求，與目前的試驗結 果吻合．由于前述虛擬道路為Ｄ級路面，優(yōu)于通常工程機械工作所處的惡劣環(huán)境，因此該 分析結果偏于樂觀，在進一步做更為苛刻的可靠性鑒定試驗之前，并不能作為定量的評判 依據．但在此可以確定的是，該結果在量級上與一般通用汽車零件的疲勞壽命分析結果一 致，疲勞危險部位也與該零件的受力特點相符，因此可以認為該結果已能夠供輪式多用工 程車底盤預估零部件疲勞壽命所使用，證明了該試驗方法的可行性和一定意義上的有效
性。

§６．５本章小結
本章通對第四章中建立的輪式多用工程車底盤系統(tǒng)進行試驗分析，詳細介紹了工程機
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械底盤系統(tǒng)基于虛擬樣機動力學仿真、有限元模態(tài)分析、模態(tài)應力恢復等方法的虛擬疲勞
’

試驗方法．

該試驗方法使用基于構件模態(tài)綜合的模態(tài)應力恢復算法，零部件有限元建模時無需施 加約束條件，動力學仿真時保留原有剛體的連接方式，無需考慮加載通道，排除了加載位 置和方式對后續(xù)虛擬疲勞試驗結果的影響。 該試驗使多體動力學分析與有限元分析充分結合，在工程機械設計企業(yè)已經建立合適 的底盤系統(tǒng)虛擬樣機的前提下，該方法使得設計人員可以快速地評估其車上各零部件的疲 勞壽命，能夠大幅提高汽車研發(fā)效率和新產品的可靠性．

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第七章全文總結

§７．１完成的工作
本文在對現(xiàn)有疲勞預測理論、虛擬樣機以及虛擬試驗技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行全面的分析 總結的基礎上，針對目前軍用工程機械可靠性試驗周期長、費用高、結果分散性大等固有 缺陷，提出了利用計算機集成仿真技術開展軍用工機械虛擬可靠性疲勞試驗的思想．通過 對現(xiàn)有虛擬樣機、有限元分析，疲勞分析軟件的綜合評價和對比，對實現(xiàn)該虛擬疲勞試驗 需要解決的關鍵技術一一進行了剖析，提出了各關鍵技術的解決方案．具體說來，本文完 成了以下幾個方面的工作： （１）通過對工程機械的整體構成與工作特點進行細致研究，得出了將工程機械分為 工作裝置與底盤兩部分分開建立虛擬樣機模型的結論．而后，經過對現(xiàn)有虛擬樣機建模軟 件進行了認真的比較與分析，選擇舢）ＡＭＳ／Ｖｉｅｗ、ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ兩個模塊分別用于對工作 裝置和底盤系統(tǒng)建模． （２）通過總結工作裝置與底盤系統(tǒng)內零部件工作應力特點與疲勞發(fā)生類型，提出了

對前述兩系統(tǒng)分別進行不同類型的虛擬疲勞試驗的觀點——對工作裝置進行結構疲勞試
驗，對底盤進行振動疲勞試驗．進而，結合現(xiàn)有軟件仿真分析環(huán)境，疲勞分析理論，以ＰａＷａｎ、 Ｎａｔｒａｎ、Ｆａｔｉｇｕｅ等軟件為分析工具，得出了利用已有虛擬樣機模型進行作業(yè)仿真獲取兩種． 虛擬試驗各自所需載荷譜的方法，并設計了相應的試驗流程．最后將兩種試驗與現(xiàn)有軍用 工程機械可靠性試驗相關理論與操作規(guī)范相結合，＋得到了軍用工程機械虛擬疲勞試驗系 統(tǒng)． （３）將上述虛擬疲勞試驗系統(tǒng)分別應用于某裝載裝置與高速輪式工程機械底盤系統(tǒng)， 在其各自虛擬樣機上分別進行了典型工況仿真與虛擬道路行駛試驗，獲得了各自時域和模 態(tài)載荷歷程，進而對兩系統(tǒng)中的零部件分別進行了基于時域載荷與模態(tài)應力的疲勞分析， 取得了滿意的疲勞分析結果，驗證了上述試驗系統(tǒng)的有效性．

§７．２課題創(chuàng)新點
由于應用于工程機械的虛擬樣機以及虛擬疲勞試驗技術起步相對較晚，特別是在國內 幾乎無人涉及．因此，在國外技術封鎖、國內無相關資料而我軍裝備發(fā)展迫切需要的背景 下開展該課題的研究，即是很好的機遇又是極大地挑戰(zhàn)．在有限的研究時間內，本課題取 得了以下幾點創(chuàng)新之處： （１）提出了一種工程機械虛擬樣機的高效且有實際意義的建模方法．工程機械是一 類特殊的機械，可以理解為安裝在簡易汽車底盤上的作業(yè)裝置，兩者互相聯(lián)結但卻任務迥
ｆ

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異。況且在事實上，工程機械的生產企業(yè)往往也并不生產底盤．本文中創(chuàng)新性地將兩者分 開建模，使用相關已有成熟的虛擬樣機建模軟件及其專用模塊建立虛擬樣機，可以大幅減 低建模工作的強度，避免了因拘泥于。整車”的概念而花費了大量人力物力從零開始建立 模型。這種方法尤其適用于對于工程機械的作業(yè)可靠性、行駛可靠性試驗，以及今后的虛 擬安全性試驗、作業(yè)性能試驗等虛擬試驗所試對象的虛擬樣機建模． （２）創(chuàng)新性地將多體動力學仿真與疲勞試驗結合起來．以往的利用計算機進行的疲 勞壽命分析往往是依靠實際樣機試驗實地采集而得，因此即使利用了計算機，這種依靠物 理樣機的疲勞分析成本仍然十分高昂，并且由于采集的載荷譜往往不具有通用性，使得這 種試驗找不到一種通用的試驗方案以應對種類繁多的工程機械．本文中疲勞試驗所使用載 荷譜，無論是時域載荷還是模態(tài)位移歷程，均由虛擬樣機進行虛擬作業(yè)試驗得到，由于虛 擬樣機以及進行的虛擬作業(yè)試驗均可由人為設計，因此該試驗在流程不變的前提下，可以 用于多種試驗對象，克服了原有使用物理樣機采譜成本高、可重用性差的缺點。 （３）將三維設計、虛擬樣機、有限元、疲勞分析等軟件綜合運用，集成化地建立了 虛擬疲勞試驗系統(tǒng)。本文中進行的虛擬疲勞試驗，所 使用的軟件除ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ以外，均為ＭＳＣ系列軟件． 各軟件間的數據（文件）交換如圖７．１所示：ＭＳＣ 系列軟件問的文件交換均使用ＭＳＣ默認的格式完 成，當ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ需要與ＭＳＣ系列軟件交換數據（例 如零件設計模型導入ＡＤＡＭＳ）時，使用的是 ＰａｒａＳｏｌｉｄ這種標準數據交換格式．所有以上措施， 為的是最大程度地避免不同軟件間數據傳遞時發(fā)生 的數據丟失現(xiàn)象，排除人為因素干擾，盡可能地減少 了由于軟件兼容或人為操作失誤所帶來的試驗誤差． 更為重要的是，這種眾多軟件問的數據交換方式不僅適合虛擬疲勞試驗，還可適用于其它 多種虛擬試驗．
：

圖７－１文件交換

§７．３不足與展望
雖然本課題取得了上述創(chuàng)新，但畢竟是開拓性地研究，加之時間有限，使得本課題在 解決了一些實現(xiàn)軍用工程機械虛擬疲勞試驗所面臨的問題的同時，仍留下了許多問題有待 進一步研究．此外，本文中所述的試驗方法也有一些不盡如人意的地方�？傮w而言，有以 下幾個方面存在著不足和缺陷有待進一步的研究并加以解決：
’

（１）由于本試驗使用的線性累積損傷理論僅能用于對金屬零部件的高周疲勞得出理 想的預測結果．這就極大地限制了本疲勞試驗的應用范圍．尤其是對于工程機械這種機一

電一液一體化的系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的故障率往往高于機械結構部分．因此。在將來的研究工
作中，針對液壓系統(tǒng)的虛擬疲勞試驗理論與方法是非常值得考慮的問題．

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（２）由于建模軟件的限制，本試驗所使用的某高速輪式多用工程車底盤系統(tǒng)虛擬樣 機是經過了大幅簡化的模型，該模型沒有反映出傳動鏈上以及車身部分零部件的具體結 構，導致后續(xù)的疲勞試驗亦無從對其進行分析，影響了目前虛擬疲勞試驗的精度和考核范 圍．在以后的研究中，可以在工程機械底盤系統(tǒng)的虛擬樣機建模上多加研究，開發(fā)出符合 工程機械底盤結構特點的建模模版． （３）在對底盤系統(tǒng)進行虛擬道路行駛試驗時，本文中所使用的是標準路面譜，這種 做法與實車試驗時采用不同苛刻路面配比進行試驗的做法差別較大，使本文中該試驗的試 驗結果偏于樂觀．如何在計算機中再現(xiàn)各種復雜路面的路面鋪以及在虛擬試驗中采用怎樣 的爐型配比是亟待解決的問題。 （４）本文中對軍用工程機械的兩大部分分別建模并進行試驗，這樣雖然加快了建模 以及試驗速度，簡化了建模操作，使得分析能夠更多地關注于感興趣的部位．但這種完全 忽略兩者之間影響的做法顯然是不符合實際情況的．在實際作業(yè)中，兩系統(tǒng)之間是互相影 響的，但如何考慮這種影響對零部件疲勞的作用，也是下一步研究值得關注的．
．

總之，由于虛擬疲勞試驗相比以往的各種實裝試驗有著不可比擬的優(yōu)越性，必將是目 前和將來各大工程機械生產廠家和研究機構研究的焦點，是未來工程機械設計試驗的發(fā)展 趨勢．然而目前此項技術尚處于起步階段，要使虛擬疲勞試驗能夠在工程機械領域得到廣 泛的應用，仍需要付出許多的努力．

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致謝
經過兩年有余的學習，本人在碩士階段的研究將要告一段落．在兩年多的時間里，我 的導師尚建忠教授從選擇基礎課程一直到本論文的修改，無不花費了大量的心血把我一步 步地領進了學術研究的殿堂．尚老師平易近人的工作作風，規(guī)格嚴格的治學態(tài)度，給我留 下了極其深刻的印象，從他們那里我不僅學到了科學研究的方法，更學到了做人做事的道 理，使我終生受益．在此，謹對尚建忠教授及家人致以最衷心的感謝！ 同時。在課題研究過程中，得到了本教研室魯建平講師，羅自榮講師及其他老師給予 的熱情的指導。本人的同學肖俊軍、郭瑜、趙峰亦對我的研究和論文寫作有所幫助，在此 對他們表示衷心的感謝。 最后，感謝自己的父母和愛人，感謝他們對自己學習和工作的全力的支持。

作者：叢楠 二００六年十一月

第６ｌ頁

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［４８】胡玉梅，陶麗芳，鄧兆祥．車身臺架疲勞強度試驗方案研究．汽車工程，２００６，２８
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【５０】趙韓，錢德猛，魏映．汽車空氣懸架彈簧支架的動力學仿真與有限元分析一體化疲 【５ｌ】徐虹，賈樹盛，崔波．汽車件的精密塑性成形工藝與疲勞壽命智能分析系統(tǒng)．汽車 工程，２００６，２８（２）：１９４．１９８． ［５２】張洪信，陳秉聰，張鐵柱．車輛縱振路面譜研究．汽車工程，２００２，２４（６）：５１３－－－５１５ ［５３】趙少汴．常用累積損傷理論疲勞壽命估算精度的試驗研究．機械強度，２０００，２２（３）：
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【５４】倪侃．隨機疲勞累積損傷理論研究進展．力學進展，１９９９，２９（１）：４３．６５ 【５５】楊曉華，姚衛(wèi)星．確定性疲勞累積損傷理論進展．中國工程科學，２００３，５（４）：８１．８７ 【５６】馮勝．疲勞壽命與累積損傷的研究．哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文 【５７】張斌．汽車車輪有限元分析與抗疲勞設計．哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文 ［５８】孫偉．結構振動疲勞壽命估算方法研究．南京航空航天大學碩士學位論文 ［５９】姚起杭，姚軍．工程結構的振動疲勞問題．應用力學學報，２００６，２３（Ｉ）：１２．１５ ［６０】陳�？＃糜邢拊椒ㄝo助和進行疲勞分析設計．東南大學碩士學位論文 士學位論文 【６２】周水清．基于虛擬樣機的汽車駕駛室懸置系統(tǒng)仿真分析．武漢理工大學碩士學位論 文 【６３１李智峰．汽車整車多體系統(tǒng)動力學仿真研究．同濟大學碩士學位論文 【６４】范文杰，鄧樂，楊斌，張予達．裝載機工作裝置動力仿真研究．建筑機械化，２００６，
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【６ｌ】李端．基于虛擬樣機的門座起重機組合臂架系統(tǒng)動力學仿真研究．武漢理工大學碩

［６５】中文清，王金剛，石維佳，郜二妙．基于ＡＤＡＭＳ的裝載機工作裝置優(yōu)化設計．建

筑機械，２００６，２６（５）：７¨２ ｆ６６】韓寶菊，肖任賢．基于ＡＤＡＭＳ的裝載機工作裝置的動力學分析與仿真．機械工程
與自動化，２００６，２５（１）：１１６－１２０ 【６７］郭衛(wèi)，周紅梅，李富柱．基于虛擬樣機技術的礦用機車制動系統(tǒng)的動態(tài)仿真．工程 機械，２００５，３６（１１）：６－９ 【６８】王樹鳳，余群．車輛虛擬試驗系統(tǒng)的實現(xiàn)．農業(yè)機械學報，２００２，３３（３）：４－－７ ［６９】任松茂，辛瑩．道路模擬試驗方法淺析．重型汽車，２００３，３：１３＿１４ ［７０】張覺慧，金鋒，余卓平．道路模擬試驗用載荷譜樣本選擇方法．汽車工程，２６（２）：
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【７１】崔高勤．汽車零部件實際使用壽命與臺架試驗壽命間的當量關系估計．汽車技術，
第６４頁

國防科學技術大學研究生院學位論文 １９９１，２２（４）：３ｍ－３５

陳車，卡特彼勒蟬聯(lián)全球最強機械企業(yè)．工程機械與維修，２００６，２：１０７

第６５頁

國防科學技術大學研究生院學位論文

附錄一攻讀學位期間發(fā)表的論文
［１］叢楠，尚建忠，羅自榮，魯建平．基于模態(tài)應力恢復的汽車零部件虛擬疲勞試驗方 法．汽車工程（已錄用） 【２】叢楠，尚建忠，魯建平，孫宏祝．基于虛擬樣機的工程機械工作裝置虛擬疲勞試驗 研究．機械制造（２００７．２） ［３】孫宏祝，尚建忠，叢楠，梁科山．ＶｉｒｔｕａｌＦａｔｉｇｕｅＴｅｓｔ
ＳｙｓｔｅｍａｎｄＩｔｓＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

ｆｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００６

ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（國際會議２００６．１１中國杭州ＥＩ收錄）
［４】孫宏祝，陳循，叢楠，尚建忠．軍用工程機械虛擬疲勞試驗研究．兵工學報（待發(fā) 表）

第６６頁



  本文關鍵詞：軍用工程機械虛擬疲勞試驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。