采用LMS多體動力學(xué)和耐久性技術(shù)設(shè)計礦用運輸卡車

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者:LMS

利勃海爾公司采用LMS公司多體動力學(xué)和耐久性技術(shù),設(shè)計世界上最大的柴油機電型礦用運輸卡車。這個龐然大物能夠在承受惡劣的礦山挖掘環(huán)境的同時,提供最大的載荷能力。傳統(tǒng)的搬運方式與新型利勃海爾大型礦山運輸卡車相比黯然失色,并且,其運輸能力也相差甚遠(yuǎn)。

世界一流的礦山運輸卡車平均負(fù)載能力達數(shù)百噸,而傳統(tǒng)的建筑運輸機械僅僅能夠承載50噸的重量或更少。世界上最大的露天開采礦,最深處超過600米,這些運輸卡車運載超大量的鐵礦、銅礦或者金礦、煤炭及其它稀有金屬,在平坦或盤旋的粗糙路面上,以每小時64公里的速度行駛。

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近幾年隨著商業(yè)需求的不斷增加,礦產(chǎn)價格也隨之上漲,礦山挖掘經(jīng)營商們也越來越強烈地體會到,需要在新設(shè)備上投入大量資金才能夠獲得更優(yōu)質(zhì)的金屬礦以及更快地將這些礦石搬運出去,從而獲取最大的商業(yè)價值。經(jīng)營商們對柴油機電型礦用卡車極為關(guān)注,卡車車輪的驅(qū)動由柴油機發(fā)電取代了齒輪箱和驅(qū)動軸裝配的機械動力傳動系統(tǒng)驅(qū)動。柴油機電型礦用卡車操作方便,并比普通機械卡車性能優(yōu)越,特別是在陡坡路面上行駛時。此外,柴油機電型礦用卡車成本低,易于維護,因此,利勃海爾公司的礦山運輸卡車很好地滿足了偏遠(yuǎn)地區(qū)礦山的采礦需求:能夠在礦山現(xiàn)場長期運行。

近幾年,市場對于一流的柴油機電型礦用卡車的需求不斷上升,訂單量已經(jīng)達到數(shù)十年以來的最高點。利勃海爾礦山設(shè)備有限公司——礦山機械行業(yè)的全球領(lǐng)軍者,在過去的五年內(nèi)每年的銷售額增長達10%到15%。為了保持良好的增長速度,利勃海爾公司最近在維吉尼亞開設(shè)了新的工廠。

超大型礦山運輸卡車

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利勃海爾的旗艦產(chǎn)品是T282B型柴油機電型礦用卡車,也是目前世界上投產(chǎn)最大的柴油機電型礦用卡車。載荷能力高達363公噸(相當(dāng)于210多輛小型卡車的總質(zhì)量),卡車高7.8米,長15.3米,有六個直徑達4米的車輪,由具有3,650馬力的大型柴油發(fā)動機驅(qū)動?！霸赥282B內(nèi)操作,就像駕駛一棟兩層小樓?！崩柕V山機械公司分析和仿真部經(jīng)理Vladimir Pokras博士說。

在設(shè)計如此巨大的機車時,主要問題之一就是車輛的總重量不能超過其輪胎的承載能力。并且減輕卡車結(jié)構(gòu)的重量可以有效地提高其對貨物的承載能力。T282B的質(zhì)量比其他同類礦山運輸車輕12%。這是一項非常有競爭力的優(yōu)勢,因為輕質(zhì)卡車在空載返回的時能更省油,并且極大地延長了輪胎的壽命。它是能有效節(jié)省費用的主要部件,因為每個這種尺寸的輪胎價值好幾萬美元。

利勃海爾通過平行控制臂運動學(xué)特性,以及差速傳動輪控制系統(tǒng)來降低輪胎磨損。其中差速傳動輪控制系統(tǒng)能夠在卡車轉(zhuǎn)彎時,自動調(diào)整電動機的扭矩和速度

世界上使用最多的卡車

工程面臨的挑戰(zhàn)之一是將先進的功能,例如差速輪控制系統(tǒng),集成在輕質(zhì)量的卡車中,增強其承受惡劣的礦山運輸工作環(huán)境的能力?？梢韵胂?這不太容易實現(xiàn)。

例如,印度尼西亞的PT Kaltim Prima煤礦位于赤道附近,處于偏遠(yuǎn)雨林的泥濘地帶,這里通過使用三十輛T282B卡車來完成運輸工作。同樣,在內(nèi)華達州的金礦,智利的銅礦,澳大利亞的煤礦以及南美洲的鐵礦現(xiàn)場都能見到利勃海爾卡車的身影。

“礦山運輸卡車是世界上使用最多的車輛,”Pokras博士說?！霸诤芏嗟V山,工作人員駕駛卡車快速駛過冰箱大小的巨礫,跨過浴缸尺寸的坑,運輸盡可能多的礦石?！?

在加拿大南部,利勃海爾卡車還行駛在粘土層和積水路面運輸油砂——這是一種被形容為“像在墊子上行駛”的地形。油砂是石油的稠狀物質(zhì),能夠經(jīng)過提煉生成其它可用產(chǎn)品,此外,油砂隨著原油價格的上升成為越來越搶手的商品,據(jù)估計油砂的儲量相當(dāng)于全世界石油儲量的三分之二。在加拿大的阿薩巴斯卡油砂礦山至少有1.7萬億桶石油,那里對利勃海爾卡車的需求不斷增長。

多體動力學(xué)的重要作用

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考慮到物理樣機測試需要工程人員投入數(shù)月的工作以及需耗資數(shù)百萬美元,因此利勃海爾公司主要采用工程分析軟件來設(shè)計T282B,以在繁重的工作任務(wù)下有效地工作。特別是,LMS多體動力學(xué)技術(shù)能夠用于整車仿真,以研究在各種載荷情況下,不同路面的卡車性能,包括加速、制動、轉(zhuǎn)彎、顛簸、比利時路面、陡坡以及隨機路面。

為了盡早、盡快地優(yōu)化設(shè)計,分析和仿真團隊在概念設(shè)計階段的早期創(chuàng)建多體仿真模型,并隨著有效數(shù)據(jù)越來越多,從而進一步修改模型。主要卡車部件和裝配的初始幾何模型由基本的實體模型進行估算,并組合成剛體模型成為整車的多體仿真模型。然后,從多體仿真模型計算獲得的載荷數(shù)據(jù)可以給結(jié)構(gòu)分析部門,進行有限元分析,計算框架和其他結(jié)構(gòu)部件的強度;各個部門可以重復(fù)使用相同的載荷數(shù)據(jù),設(shè)計車輛液壓、懸架、傳動系和其它系統(tǒng)。

設(shè)計統(tǒng)一的整車模型的中心理念

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通過這種方式,LMS多體動力學(xué)仿真是整體仿真的重心,所有主要的零部件和子系統(tǒng)設(shè)計都集成于一個統(tǒng)一的整車模型中,”Vladimir Pokras博士解釋說。隨著零部件和子系統(tǒng)的設(shè)計,工程團隊不斷更新各個實體和有限元模型。新的數(shù)據(jù)導(dǎo)入多體模型中,分析和仿真部門也能夠在多體模型中添加更多詳細(xì)的信息,例如強度、阻尼和質(zhì)量屬性。

“LMS多體動力學(xué)仿真與有限元程序無縫集成,這使得模型更新的過程完全自動化?！盤okras博士指出?！癓MS軟件能夠快速添加細(xì)節(jié),與每次從草圖開始創(chuàng)建模型相比,這更有利于我們快速創(chuàng)建多體模型,并減少誤差。LMS多體仿真解決方案中提供的有限元模型和柔體模型導(dǎo)入功能,是對整車模型進行精確仿真的關(guān)鍵。”

整車的主要結(jié)構(gòu)零部件,例如車架和翻斗主體,都創(chuàng)建為柔體模型,可以仿真整車在工況下的變形和扭曲現(xiàn)象。模型中包含了70多種連接,包括橡膠墊架、圓柱和球狀軸承、螺栓接合等等。
工程師還可以使用很多其他多體單元對車輛模型進行詳細(xì)的仿真。懸架的減震器由拉壓彈簧阻尼單元仿真。以表達式描述的力單元用來表示制動器和電子發(fā)動機的扭矩,轉(zhuǎn)向機構(gòu)和舉升機構(gòu)的驅(qū)動力,以及懸架中的彈性力。接觸單元可以仿真用于限制導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)制動,和翻斗主體襯墊。電機、液壓泵、油液空氣減振支柱、輪胎和其他機械電子元件的力學(xué)特性可以通過曲線單元函數(shù)表示。

了解實際工況

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“由LMS軟件創(chuàng)建的詳細(xì)多體動力學(xué)仿真模型能夠以相當(dāng)高的精度預(yù)測各種載荷情況下的車輛性能,”Pokras博士說?！斑@種方法的特點在于,當(dāng)虛擬仿真發(fā)現(xiàn)存在潛在問題時,我們可以很方便地修改模型,來研究其他涉及方案的可行性。通過這種方式,LMS多體動力學(xué)仿真軟件能夠幫助我們分析不同的解決方案,而這對于物理樣機試驗樣機來說是完全不可能的?！倍囿w動力學(xué)仿真方法對于研究軸箱的各種工況來說非常有效,有利于設(shè)計出質(zhì)量更輕,承載能力更強的軸箱。

在多次仿真迭代之后,將最終設(shè)計的多體載荷數(shù)據(jù)導(dǎo)入到LMS耐久性模塊中,以判定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件和裝配的疲勞壽命,例如框架和軸箱。LMS多體動力學(xué)和耐久性兩個模塊的緊密集成,有利于快速精確地研究疲勞壽命,為工程師提供更多有價值的反饋信息從而設(shè)計出質(zhì)量輕,且能夠承受預(yù)期工況載荷的零部件,從而避免設(shè)計不足或者過設(shè)計。開發(fā)周期的最后一步是物理樣機試驗,在產(chǎn)品投產(chǎn)之前,對設(shè)計出的產(chǎn)品性能進行驗證。

領(lǐng)軍礦業(yè)機械市場

“仿真能讓工程師更好地洞察零部件、裝配以及整車的性能和特性,這是實物樣機難以實現(xiàn)的,”利勃海爾公司研發(fā)部總經(jīng)理Janmes Whitfield解釋說。他認(rèn)為,仿真在利勃海爾開發(fā)中,已經(jīng)從一種設(shè)計后期的驗證工具,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)早期的設(shè)計工具,現(xiàn)在已成為日常工程開發(fā)流程中必不可少的工具。

“很難想象在不采用仿真技術(shù)的情況下開發(fā)礦山卡車,同樣其它公司也一直在采用此項技術(shù)。然而,設(shè)計出一種能夠引領(lǐng)市場,性能卓越的輕質(zhì)量卡車,需要采用像LMS耐久性和多體動力學(xué)這樣的高級軟件及工具。只有這樣,才能更好地維持我們在市場中的領(lǐng)先地位。”(end)

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