算例丨某行走机构多体动力学与结构强度联合仿真分析

1、概述

    本文以公司某产品行走机构为研究对象，该机构主要包括机架、钢轮总成、驱动油缸、摇臂、丝杠。通过MotionView建立该产品行走机构的多体动力学模型，通过多体动力学仿真分析，获得了关键部件的工作载荷历程，确定了部件的最大载荷。通过在HyperMesh中建立关键部件的有限元模型，加载MotionView输出的载荷信息，通过OptiStruct计算分析，找到了结构的主要受力位置，分析结果与结构的实际破坏完全吻合。最后通过联合仿真优化分析，大幅降低了部件的铰点载荷和应力水平，保证了结构的可靠性。

2、原结构联合仿真分析

 2.1 多体动力学模型建立

    在产品实际作业过程中，首先需要通过驱动此行走机构中的油缸伸出，推动钢轮总成支撑到钢轨上，进一步伸出油缸，使轮胎脱离地面，最终使钢轮同时与轮胎和地面接触，通过轮胎的驱动力带动钢轮在钢轨上行走,大体结构如图1所示。

图1 结构示意

    根据行走结构的实际工作原理，在MotionView中建立连接各部件恰当的转动副、移动副、油缸位移驱动等，最终建立了整个行走机构的多体动力学模型，对机构支车运行过程进行多体动力学分析，得到了丝杠两连接点的载荷历程曲线如下图2所示。

图2 多体动力学模型

    通过上述多体动力学分析，钢轮支地轮胎抬起瞬间,丝杠受到35T的压力，当刚轮与轮胎接触瞬间，丝杠受到约30T的拉力，因此在整个支车过程中结构受到巨大拉压交变载荷的作用，很容易发生疲劳破坏。因此需要考虑对铰点进行优化，以降低支车过程的交变载荷。

2.2 结构强度分析

    将上述多体动力学分析获得的最大载荷加载到丝杠和车架上，在HyperMesh中建立结构强度分析模型，通过OptiStruct求解计算，得到丝杠及与其连接的车架位置应力水平超过1000MPa，具体如下图3、图4所示，其发生破坏的可能性极大。

图3 丝杠应力结果

图4 车架结果

 2.3 样机结构验证

    由于样机采用的是上述分析结构，在实车作业过程中车架和丝杠很快出现了断裂破坏问题（如图5），破坏位置和裂纹扩展趋势与分析结果完全吻合，说明了分析结果的准确性。

图5 破坏图片

3、新结构优化分析

    通过上述分析，可以确认必须对原设计结构进行适当优化，以降低主要受力区域的应力水平，提高行走机构关键部件的可靠性。一方面通过优化行走机构的铰点位置，降低上述部件作业运行过程中铰点的峰值载荷。另一方面优化丝杠和车架的受力结构，提高结构强度,以进一步降低结构的应力水平。

3.1 多体动力学机构铰点优化

    在已经建立的多体动力学模型中,在保证机构各项设计约束的前提下,通过适当调整机构的铰点相对位置,不断降低丝杠两铰接点在实际支车作业过程中的最大载荷,优化后通过MotionSolver多体动力学分析,荷历程曲线变化如下图6所示。

图6 优化前后结构对比

    上述分析结果中红色曲线为优化后的铰点载荷曲线，蓝色曲线为原结构铰点载荷曲线。优化后钢轮支地轮胎抬起瞬间,丝杠最大受到7T的压力，当刚轮与轮胎接触瞬间，丝杠受到最大约9T的拉力，其拉压载荷幅值由原来的65吨降低到16吨，其交变载荷大幅降低，这将大大降低作业载荷对结构的损伤程度。

 3.2 结构强度优化分析

    在降低铰点载荷的同时，对关键部件丝杠和车架同时进行强度优化。将丝杠端部的润滑油孔由两端改到头部，避免将其布置到最大的受力截面上；将车架铰接点位置布置加强筋板，形成箱形结构。

    将新的最大载荷加载到最新优化的车架和丝杠模型上，在HyperMesh中建立结构强度分析模型，通过OptiStruct计算，得到新优化结构应力水平如下图7所示。

图7 新结构应力云图

    通过上述分析结果，可以看到新优化结构应力水平已经大幅降低，丝杠应力为149MPa，车架应力水平130MPa，其可靠性已经得到充分保证。

4、结论

    本文应用HyperWorks软件多个模块产品，对某产品行走机构进行了多体动力学与结构强度联合仿真分析。分析结果与结构实际破坏情况完全吻合，说明分析结果的准确性。通过多体动力学分析进行铰点优化，大幅降低了机构在实际工作过程的交变载荷幅值；通过对部件结构进行优化，进一步提高了结构强度。两者共同作用，最终优化结构应力水平大幅降低，保证了产品的可靠性。