采用LMS多體動(dòng)力學(xué)和耐久性技術(shù)設(shè)計(jì)礦用運(yùn)輸卡車

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

作者:LMS

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

世界一流的礦山運(yùn)輸卡車平均負(fù)載能力達(dá)數(shù)百噸,而傳統(tǒng)的建筑運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸卡車運(yùn)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(shí)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(jià)格也隨之上漲,礦山挖掘經(jīng)營(yíng)商們也越來(lái)越強(qiáng)烈地體會(huì)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(yùn)出去,從而獲取最大的商業(yè)價(jià)值。經(jīng)營(yíng)商們對(duì)柴油機(jī)電型礦用卡車極為關(guān)注,卡車車輪的驅(qū)動(dòng)由柴油機(jī)發(fā)電取代了齒輪箱和驅(qū)動(dòng)軸裝配的機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)電型礦用卡車操作方便,并比普通機(jī)械卡車性能優(yōu)越,特別是在陡坡路面上行駛時(shí)。此外,柴油機(jī)電型礦用卡車成本低,易于維護(hù),因此,利勃海爾公司的礦山運(yùn)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(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行。

近幾年,市場(chǎng)對(duì)于一流的柴油機(jī)電型礦用卡車的需求不斷上升,訂單量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十年以來(lái)的最高點(diǎn)。利勃海爾礦山設(shè)備有限公司——礦山機(jī)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(zhǎng)達(dá)10%到15%。為了保持良好的增長(zhǎng)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(yùn)輸卡車

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利勃海爾的旗艦產(chǎn)品是T282B型柴油機(jī)電型礦用卡車,也是目前世界上投產(chǎn)最大的柴油機(jī)電型礦用卡車。載荷能力高達(dá)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(zhǎng)15.3米,有六個(gè)直徑達(dá)4米的車輪,由具有3,650馬力的大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)?！霸赥282B內(nèi)操作,就像駕駛一棟兩層小樓?！崩柕V山機(jī)械公司分析和仿真部經(jīng)理Vladimir Pokras博士說(shuō)。

在設(shè)計(jì)如此巨大的機(jī)車時(shí),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(duì)貨物的承載能力。T282B的質(zhì)量比其他同類礦山運(yùn)輸車輕12%。這是一項(xiàng)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì),因?yàn)檩p質(zhì)卡車在空載返回的時(shí)能更省油,并且極大地延長(zhǎng)了輪胎的壽命。它是能有效節(jié)省費(fèi)用的主要部件,因?yàn)槊總€(gè)這種尺寸的輪胎價(jià)值好幾萬(wàn)美元。

利勃海爾通過平行控制臂運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,以及差速傳動(dòng)輪控制系統(tǒng)來(lái)降低輪胎磨損。其中差速傳動(dòng)輪控制系統(tǒng)能夠在卡車轉(zhuǎn)彎時(shí),自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)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(jìn)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(qiáng)其承受惡劣的礦山運(yùn)輸工作環(huán)境的能力?？梢韵胂?這不太容易實(shí)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(lái)完成運(yùn)輸工作。同樣,在內(nèi)華達(dá)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(chǎng)都能見到利勃海爾卡車的身影。

“礦山運(yùn)輸卡車是世界上使用最多的車輛,”Pokras博士說(shuō)。“在很多礦山,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(yùn)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(yùn)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(jià)格的上升成為越來(lái)越搶手的商品,據(jù)估計(jì)油砂的儲(chǔ)量相當(dāng)于全世界石油儲(chǔ)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(wàn)億桶石油,那里對(duì)利勃海爾卡車的需求不斷增長(zhǎng)。

多體動(dòng)力學(xué)的重要作用

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考慮到物理樣機(jī)測(cè)試需要工程人員投入數(shù)月的工作以及需耗資數(shù)百萬(wàn)美元,因此利勃海爾公司主要采用工程分析軟件來(lái)設(shè)計(jì)T282B,以在繁重的工作任務(wù)下有效地工作。特別是,LMS多體動(dòng)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(dòng)、轉(zhuǎn)彎、顛簸、比利時(shí)路面、陡坡以及隨機(jī)路面。

為了盡早、盡快地優(yōu)化設(shè)計(jì),分析和仿真團(tuán)隊(duì)在概念設(shè)計(jì)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(lái)越多,從而進(jìn)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(shí)體模型進(jìn)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(jì)算獲得的載荷數(shù)據(jù)可以給結(jié)構(gòu)分析部門,進(jìn)行有限元分析,計(jì)算框架和其他結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度;各個(gè)部門可以重復(fù)使用相同的載荷數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)車輛液壓、懸架、傳動(dòng)系和其它系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)都集成于一個(gè)統(tǒng)一的整車模型中,”Vladimir Pokras博士解釋說(shuō)。隨著零部件和子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),工程團(tuán)隊(duì)不斷更新各個(gè)實(shí)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(qiáng)度、阻尼和質(zhì)量屬性。

“LMS多體動(dòng)力學(xué)仿真與有限元程序無(wú)縫集成,這使得模型更新的過程完全自動(dòng)化。”Pokras博士指出。“LMS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(duì)整車模型進(jìn)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(duì)車輛模型進(jìn)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(dá)式描述的力單元用來(lái)表示制動(dòng)器和電子發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和舉升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)的旋轉(zhuǎn)制動(dòng),和翻斗主體襯墊。電機(jī)、液壓泵、油液空氣減振支柱、輪胎和其他機(jī)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(shí)際工況

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“由LMS軟件創(chuàng)建的詳細(xì)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型能夠以相當(dāng)高的精度預(yù)測(cè)各種載荷情況下的車輛性能,”Pokras博士說(shuō)?！斑@種方法的特點(diǎn)在于,當(dāng)虛擬仿真發(fā)現(xiàn)存在潛在問題時(shí),我們可以很方便地修改模型,來(lái)研究其他涉及方案的可行性。通過這種方式,LMS多體動(dòng)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(duì)于物理樣機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)來(lái)說(shuō)是完全不可能的。”多體動(dòng)力學(xué)仿真方法對(duì)于研究軸箱的各種工況來(lái)說(shuō)非常有效,有利于設(shè)計(jì)出質(zhì)量更輕,承載能力更強(qiáng)的軸箱。

在多次仿真迭代之后,將最終設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)和耐久性兩個(gè)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(jià)值的反饋信息從而設(shè)計(jì)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(jì)不足或者過設(shè)計(jì)。開發(fā)周期的最后一步是物理樣機(jī)試驗(yàn),在產(chǎn)品投產(chǎn)之前,對(duì)設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品性能進(jìn)行驗(yàn)證。

領(lǐng)軍礦業(yè)機(jī)械市場(chǎng)

“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(shí)物樣機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的,”利勃海爾公司研發(fā)部總經(jīng)理Janmes Whitfield解釋說(shuō)。他認(rèn)為,仿真在利勃海爾開發(fā)中,已經(jīng)從一種設(shè)計(jì)后期的驗(yàn)證工具,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)早期的設(shè)計(jì)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(xiàng)技術(shù)。然而,設(shè)計(jì)出一種能夠引領(lǐng)市場(chǎng),性能卓越的輕質(zhì)量卡車,需要采用像LMS耐久性和多體動(dòng)力學(xué)這樣的高級(jí)軟件及工具。只有這樣,才能更好地維持我們?cè)谑袌?chǎng)中的領(lǐng)先地位?！?end)

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