基于路面随机输入的大伸缩比车载转运平台的动态分析*

刘彪杰，刘攀，祁孟伟



基于路面随机输入的大伸缩比车载转运平台的动态分析*

刘彪杰，刘攀，祁孟伟

（成都师范学院 物理与工程技术学院，四川 成都 610000）

在分析路面频率与时间频率功率谱密度关系的基础上，建立了路面随机信号生成模型，仿真生成C级路面谱；在SOLIDWORKS中建立车载转运作业平台的参数化有限元模型，分析各工况下轮胎接地点的载荷谱大小，利用传递函数等相关公式得到路面随机输入下的平台动态响应特征，最后在ANSYS中进行模态分析、随机振动分析得到其应力大小，分析转运平台的结构，给出模型改善建议，提高其可靠性以达到预期效果。

功率谱密度；路面谱；预应力模态；随机振动

前言

随着专用汽车技术的迅猛发展，对车载转运平台性能的需求有所增加。现有转运作业平台多为液压系统作业，动态特性欠佳、工作变形大，且其在调平过程中难以实现定比传动，影响运载设备稳定性，考虑到液压件制造精度及装配要求高，且易受环境影响，发生故障不易检查和排除等因素[1]。针对现有车载转运平台设计出大伸缩比电机升降式车载转运平台，使该设备具有以下功能：（1）作为升降平台，采用大伸缩比二级复合式支腿，其安装空间小，且可使车载平台重心偏低，同时满足车载仪器快速精准升到一定高度；（2）作为转运平台，其在多工况下转运时表现出较好的动态特性，譬如转运时车架变形小，运载设备受路面冲击小等；（3）大伸缩比转运平台在运载特殊精密仪器时，机动性和抗干扰能力强。

该升降转运作业平台是一款有针对性的实用型综合性能良好的车载转运作业平台，既具有底盘功能，又可作为稳定工作平台使用[2-3]。

1 路面不平度时域模型的建立

路面不平度作为汽车的激励，受到国内外专家的关注，1984年国际标准化组织在文件ISO/TC108/SC2N67中提出了“路面不平度表示方法草案”，中国也参照制定了相应的国家标准，由长春汽车研究所起草制定了GB/T7031—1986《车辆振动输入路面不平度表示方法标准》。两份文件中均建议路面功率谱密度Gq(n)用（1）式作为拟合表达式：

式中n 为空间频率，n0参考空间频率，Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值[4]。

本文采用滤波白噪声生成路面谱。即：

式中q(t)为路面位移，依照GB/T4970—2009，C级沥青路面时，Gq(n0)=256*10-6m-3，u=40km/h，即11.11m/s，W（t）为均值为零的高斯白噪声，f0为下截止频率，取值0.1Hz。

Simulink仿真图样如图1所示，汽车所受地面激励输入的仿真信号如图2所示。

图1 Simulink仿真图样

图2 汽车所受地面激励输入时域仿真信号

（横轴为时间/s, 纵轴为位移/mm）

2 车载平台和悬挂系统Simulink建模及作用于车架节点的频域特性

模型的建立以及激励的频域化处理是接下来分析的基础。模型的简化有利于建模，但过于简化往往导致分析结果误差偏大，因此模型的建立至关重要。车架的随机振动分析，激励源于路面，经悬挂系统作用于车架，频域化处理便于对车架动态分析。

2.1 三维建模

本文采用solid works软件对转运作业平台进行三维建模，其相关性能设计参数如下：

①微型车载转运作业平台载重约为2t，长3m，宽1.2m；

②转运作业平台升降最大行程为1300mm，升降时间小于4分钟；

③支腿和平台总成材料主要是Q235，其驱动部分选用型号为SJA200的螺旋升降电机。

车载转运平台总成如下图3所示：

图3 大伸缩比车载转运平台总成

2.2 悬挂系统Simulink建模

转运平台簧下质量m1=36Kg，簧上质量m2=400Kg，轮胎刚度k1=170000，悬挂刚度k2=13000，对应阻尼c=1000。所建Simulink仿真如下图4所示。

图4 1/4转运平台悬挂系统建模

2.3 作用于车架节点的路面激励的频域响应

将路面时域激励信号输入悬挂系统的Simulink模型，求解出作用于车架节点的缓冲后的时域激励，然后通过傅里叶变换，换算出作用于车架节点的激励的频域响应，以便于对车架作随机振动分析。换算后激励的频域响应如下图5所示。

图5 作用于车架节点处位移的频域响应

3 车载转运平台的动态分析

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构的影响。与静力学不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷及它对阻尼和惯性的影响[6]。本文针对车架作以下分析， 在分析静力学的基础上，对车架进行预应力模态分析，然后将Simulink 仿真出的位移频域响应作为激励，对车架进行随机振动分析。

3.1 分析前处理

将之前建立好的三维模型导入至ANSYS分析模块中，修改材料参数后，网格划分共有117911个节点，42123个单元。边界约束条件为约束车架悬挂节点的横向和纵向的自由度，对其垂向自由度不作限制，然后对车架进行加载，除自重外，加载1t 均布力于车载台面。先对车加静力学分析，然后进行预应力模态和随机振动分析。具体分析流程如下图6所示。

图6 动态分析流程图

3.2 预应力模态分析

车架预应力模态分析中的边界条件模拟真实工况，能准确的求解出车架在具体工况下的动态性能[5]。其结果不仅可用来分析车架的性能，还可以通过固有频率和振型直接对车架的结构进行评价。此处考虑的预应力情况，是在C级路面上匀速行驶时，由自身质量和承载质量而产生的预应力。预应力模态分析结果如下图7所示。

图7 预应力模态分析结果

由于C级路面激励频率小于30Hz，从分析结果来看，车架的结构设计合理，避开了源于路面激励而引起的共振等灾害满足车载平台的运输需求。

3.3 随机振动分析

随机振动分为单点和多点，单点随机振动分析时要求在结构的一个点集上指定一个功率谱密度；多点随机振动分析时，则要求在模型的不同点集上指定不同的功率谱密度[6-7]。本文采用单点随机振动对车架进行分析，分析结果如下图8，图9所示。

图8 随机振动位移云图

图9 随机振动应力云图

由云图7可知，车架在位移频域激励下，两前支腿中部和转向支架处出现位移变形最大，但仍小于1mm,变形较小，不影响车载平台的使用性能；云图8分析可知，车架应力最大处出现在悬挂支撑处以及四个支腿安装支架附近，最大应力为14.186MPa，远小于材料的屈服极限，车架的安全系数极高，结构设计和选材满足设计需求。

4 结论

本文针对以电机作为驱动的车载转运平台模型，仿真出在C级路面激励下，经悬挂系统后作用于车架的位移频域激励 ，通过对车架静力学，预应力模态分析得到了平台的应力、应变变化情况及预应力模态相关参数，并对其进行PSD位移随机振动分析。结果表明设计的转运平台具有动态变形小，运载设备受路面冲击小，且受力良好，安全系数高等优点，符合设计要求，同时这也为转运作业平台的前期开发研究提供依据，缩短了设计周期，降低了设计成本。

[1] 冯晋祥.专用汽车设计[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2] 韩婷.基于ANSYS的车架拓扑优化[D].武汉:武汉理工大学,2013. 4.

[3] 王亮.车载稳定平台结构设计及其动态特性分析[D].成都:西华大学,2013.

[4] 金爽.白噪声路谱的生成和汽车平顺性仿真[J].北京:科技传播, 2012.7.

[5] 曹群豪.军用客车车身骨架结构随机振动特性与疲劳分析[D].上海:上海交通大学,2007.

[6] 李兵. ANSYSN Workbench 设计,仿真与优化[M].北京:清华大学出社,2013.3.

[7] 买买提尼·艾尼. ANSYS Workbench 14.0仿真技术与工程实践[M].北京:清华大学出版社,2013.4.

A Large Scale Magnification Ratio of Car Transport Platform Dynamic Analysis Basedon the Random Road Input

Liu Biaojie, Liu Pan, Qi Mengwei

（Chengdu Normal University, College of Physics and Engineering, Sichuan Chengdu 610000）

Based on the relationship between the analysis of pavement frequency and the frequency-time spectral density function, set up a model of random signal generative model, and generate a C level road spectrum; establish a car transport work platform Parametric finite element model in SOLIDWORKS . Analyzing the size of the tire ground under the condition of load spectrum, then using the transfer function and relevant formulas to get the platform for the dynamic response under road random input and proceeding the modal analysis in ANSYS, then doing the random vibration analysis to get its stress, at last analyzing the structure of transport platform and giving the improvement suggestions of the model to improve the reliability to achieve the desired effect.

power spectral density; Road surface spectrum; pre-stressed modal; Random vibration

A

1671-7988(2019)03-118-03

U462

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1671-7988(2019)03-118-03

U462

刘彪杰，（1986-），男，硕士研究生，就职于成都师范学院物理与工程技术学院，研究方向，汽车性能测试与仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.037