采用LMS多體動力學和耐久性技術設計礦用運輸卡車

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

作者:LMS

利勃海爾公司采用LMS公司多體動力學和耐久性技術,設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。

世界一流的礦山運輸卡車平均負載能力達數(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。利勃海爾礦山設備有限公司——礦山機械行業(yè)的全球領軍者,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。并且減輕卡車結構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計T282B,以在繁重的工作任務下有效地工作。特別是,LMS多體動力學技術能夠用于整車仿真,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)化設計,分析和仿真團隊在概念設計階段的早期創(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)可以給結構分析部門,進行有限元分析,計算框架和其他結構部件的強度;各個部門可以重復使用相同的載荷數(shù)據(jù),設計車輛液壓、懸架、傳動系和其它系統(tǒng)。

設計統(tǒng)一的整車模型的中心理念

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通過這種方式,LMS多體動力學仿真是整體仿真的重心,所有主要的零部件和子系統(tǒng)設計都集成于一個統(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的信息,例如強度、阻尼和質(zhì)量屬性。

“LMS多體動力學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。”Pokras博士指出?！癓MS軟件能夠快速添加細節(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入功能,是對整車模型進行精確仿真的關鍵?！?

整車的主要結構零部件,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)向機構和舉升機構的驅(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)建的詳細多體動力學仿真模型能夠以相當高的精度預測各種載荷情況下的車輛性能,”Pokras博士說。“這種方法的特點在于,當虛擬仿真發(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,將最終設計的多體載荷數(shù)據(jù)導入到LMS耐久性模塊中,以判定關鍵結構部件和裝配的疲勞壽命,例如框架和軸箱。LMS多體動力學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計出質(zhì)量輕,且能夠承受預期工況載荷的零部件,從而避免設計不足或者過設計。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,對設計出的產(chǎn)品性能進行驗證。

領軍礦業(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。他認為,仿真在利勃海爾開發(fā)中,已經(jīng)從一種設計后期的驗證工具,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)早期的設計工具,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。然而,設計出一種能夠引領市場,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先地位。”(end)

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