军用工程机械虚拟疲劳试验研究

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分类号
ＵＤＣ

ＴＰ３９１．９，Ｕ４６２．３＋６

学号

０４０３００９ ３

密级

垒孟

工学硕士学位论文

军用工程机械 虚拟疲劳试验研究

硕士生姓名 学科专业

丛

擅

狃煎王焦

研究方向丑靠性达验理诠堑这苤
指导教师

尚建盥熬拯

国防科学技术大学研究生院 二ｏｏ六年十一月

国防科学技术大学研究生院学位论文

摘要
本文的研究工作来源于总装备部。军用工程机械行驶可靠性模拟试验理论与方法研
究”项目。

本文在综合了虚拟样机技术、有限元技术、疲劳理论等多种学科和技术的基础上，通 过对虚拟样机建模、虚拟试验过程控制、虚拟载荷谱获取、虚拟疲劳寿命预测等诸多虚拟 疲劳试验的关键技术进行研究，结合军用工程机械结构和作业环境的特殊性，提出了适合 于军用工程机械的将工作装置与底盘两大系统分开建模、分别试验的思想；并通过对ＭＳＣ 动力学仿真，有限元分析、疲劳寿命分析软件的集成应用，提出了该军用工程机械两大系 统各自虚拟疲劳试验的流程，组建了虚拟疲劳试验系统。 随后，本文在ＡＤＡＭＳ环境中分别建立了某装载装置与某高速轮式多用工程车底盘系 统的虚拟样机，根据在＿Ｐ２Ｚ试验系统中描述的方法，先后对两虚拟样机分别进行了作业仿 真与虚拟道路行驶仿真；分别获得了时域与模态载荷谱；最后，对两系统分别进行了基于 时域载荷与摸态应力恢复的虚拟疲劳试验，预测了各自系统上金属结构零部件的疲劳寿命 及疲劳寿命安全系数；通过与现有实装试验标准及数据进行比对，验证了该系统在军用工 程机械可靠性验证试验中的有效性。 本虚拟疲劳试验系统的建立结束了长期以来我军工程机械的可靠性试验主要依赖道 路行驶试验或专用试验场试验的历史，克服了传统试验方法存在试验周期长、费用高，试 验条件难以控制，试验中有一定的安全隐患等同有缺陷，为加速我军军用工程机械更新换 代，提高军用工程机械的可靠性试验水平奠定了坚实的基础． 关键词；虚拟试验，工程机械，虚拟样机，疲劳试验，载荷谱，模态应力恢复

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国防科学技术大学研究生院学位论文

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｌ Ａｒｍａｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ

ｐｒｏｊｅｆｔ

‘＇Ｔｈｅｏｒｙ＆Ｍｅｔｈｏｄ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ

Ｏｉｌ

ｔｈｅ Ｒｉｄｉｎｇ

Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ

Ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＣＶ）■
ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ（ｖＰ），ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ

Ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ

ｆｌＥＡ），
ｌｉｆｅ

ｆａｔｉｇｕｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｅｔｅ．，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆｖｉｒｔｕａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ

Ｏｆｆ＇Ｊ９ ｓｕｃｈ ａｓ

ｔｈｅ ＶＰ’Ｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，

ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｖｉ＿ｒｔｕａｌ ｔｅｓｔｓ，ｖｉｒｔｕａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ，ｖｉｒｔｕａｌ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｅｔｅ，ｈａｖｅ

ｆａｔｉｇｕｅ

ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｂｙ

ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｏｆ

ｍｉｌｉｔａｒｙ ＣＶｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ｅｎｖｉｒｏｌｌｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ＣＶ ｉｎ

ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ

ｓ）ｒｓｔｅｍｓ＿———ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｓｓｉｓ

ｓｙｓｔｅｍ．Ｅａｃｈ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌＩ ｂｅ ｍｏｄｅｌｅｄ
ａｓ

ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ｂａｓｅｄ

Ｏｎ

ｉｔｓ ｏｗｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｕｃｈ

ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ，ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ，ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ，ａｎｄ ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ。Ｗｅ
ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＶｓ．

ｆｏｕｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ＶＦｌｒ

ｔｗｏ

ｓｙｓｔｅｍｓ

ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ

ＶＦＴｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ＶＦＴ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｌｉｔａｒｙ

Ｔｈｅ ＶＰｓ ｏｆｓｏｍｅ
ｕｐ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ

ｌｏａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｓｓｉｓ ｏｆａ
Ｏｉｌ

ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｗｈｅｅｌｅｄ

ｓｃｒａｐｅｒ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ

ＡＤＡＭＳ．Ｂａｓｅ

ｔｈｅ、，ＦＴ

ｓｙｓｔｅｍ，ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ

ｌｏａｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｉｍｅ

ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ｄｏｍａｉｎ Ｗｅｒｅ

ａｃｑｕｉｒｅｄ

ｂｙ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｏａｄ ｒｉｄｉｎｇ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｓｅｃｏｎｄ，ＶＦｒｓ ｗ雠ｄｏｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｆｏｒｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒａ（ｕｓｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｌｌｓ ｍｏｄａｌ
ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｓｓ

ｒｅｃｏｖｅｒｙ（ＭＳＲ）ｔｏ ｒｅｖＡ３ｖｅｒ ｍｏｄａｌ

ｎｏｄｅ

ｓｐｅｃｔｒａ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ

ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ’ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｈｅｓｅ

ｐａｒｔｓ’ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｆａｔｉｇｕｅ ｓａｆｅ ＶＦｒｓ’ｒｅｓｕｌｔ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔ’ｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ

ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆＶＦＴ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ｐｒｏｖｅｄ． Ｔｈｉｓ ＶＦｒ

ｄｅｍｏｎｓ扛ａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆｔｈａ

ｍｉｆｉｔａｒｙ ＣＶ ＷａＳ

ｓｙｓｔｅｍ
ａｓ

ｔｅｒｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｏａｄ ｒｉｄｉｎｇ ｔｅｓｔ

ｏｒ

ｐｒｏｖｉｎｇ

ｇｒｏｕｎｄ口Ｇ）ｔｅｓｔ

ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｍｉｌｉｔａｒｙ ＣＶ’Ｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ

ｔｅｓｔ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ
ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，
ｏｎ

ｔｏ ａ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｏｒ ｆａｔｉｇｕｅ＆ｄｔｗａｂｉｌｉｔｙ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔａｋｉｎｇ ｉｔ嬲ａ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ

ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔ，ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ
ｓａｖｅ

ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｘｐｅｌＪｍｅｎｔ＇￥ｒｉｓｋ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

ｅ】（ｐｅＩｌ辩．Ｔｈｅ

ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｕｌｄ ｔａｋｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｌｅｖｅｌ

ａｄｖａｎｔａｇｅ

ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
ＣＶｓ．

ｔｈｅ ＣＶ’ｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ

ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｕｐｄａｔｅ ｏｆｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｌ－ｔ１１ａｌ ｔｅｓｔ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｖｉ／Ｒｌａｌ

ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｆａｔｉｇｕｅ

ｔｅｓｔ，ｌｏａｄｉｎｇ

ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｍｏｄａｌ

ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｃｏｖｅｒｙ

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果．尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材科．与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意． 学位论文题目：

星旦三蕉扭拭虐拯瘥茔毯坠丑窥

学位论文作者签名：

丛缅

日期：

ｚ耐年，，月弦日

。学位论文版权使用授权书

本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定．本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文． （保密学位论文在解密后适用本授权书．） 学位论文题目：

懒踟獬：牡
学位论文作者签名：

星旦王猩扭擅廑赵逸蒸遗坠盈壅

丝掏

日期：

．２－”６年７ｆ月歹９日

日期：训年１１月；－日

国防科学技术大学研究生院学位论文

第一章绪论
§１．１课题来源与研究意义
军用工程机械是陆军武器装备的重要组成部分，是伴随部队机动、提供作战工程保障 的主要军事装备，在现代战争中发挥着重要作用，其发展水平的高低直接影响着军队工程 装备的工程保障能力．我国军用工程机械的研究开始于建国初期，但真正形成规模是在２０ 世纪７０年代。改革开放后，随着我国经济的快速发展，我军军用工程机械的研制和开发 也走上了快速发展的轨道，目前已经形成了以野战工程机械、建筑机械和保障机械三大门 类为主的几十种工程机械装备，品种，规格基本齐全． 军用工程机械的可靠性、耐久性试验是提高和保证其质量的重要手段．我军对工程装 备进行的可靠性和耐久性试验的内容繁多，主要包括：整车可靠性、耐久性、振动性能分 析；零部件（如悬架、轴桥）等的疲劳试验和动力特性试验；工程装备工作装置的可靠性 和适应性试验；基型底盘的动力性能分析等“１． 长期以来，我军对军用工程机械进行的整车级别的可靠性试验，主要依靠实车道路行 驶试验或专用试验场试验．当采用这两种试验方式进行试验时，要想全面的获得试验对象 的可靠性疲劳寿命数据，就必须使用多辆试验样车在事先选定的具有一定配比的各种路面 上行驶至足够的里程（参照ＧＪＢ４１１０，鉴定试验一般要求行驶３０００公里），甚至要求行驶 至出现致命故障为止．由于在通常情况下，工程机械均具有较长的疲劳寿命（数千小时或 数十万公里），且不同试验样车出现的故障形式和位置也不尽相同，因此进行一次完整的 实车试验，从试验准备到试验报告编写，往往需要历经一年至数年时间，使用数台试验样 车，累计行驶数万公里，耗费的资金也动辄以百万甚至千万计．此外，由于试验对象往往 是新研制的型号，对其进行试验对于试验人员也存在着较大的风险． 同样的情况也存在于对工程机械工作装置的可靠性试验上．对工作装置进行可靠性试 验，目前较为常用的是实装作业试验．试验要求用数台试验样机完成一定时间的某种类型 的作业任务。参照ＧＪＢ４１１０标准，单台样机的总作业时间不少于１０００小时。可以看出， 该试验也是十分费时费力的。 正是由于目前的试验方法（上述两种试验统称为外场试验）存在上述周期长、费用高， 试验条件难以控制，试验中有一定的安全隐患等缺陷，已无法适应当前新军事变革环境下， 对军用工程机械品种更新快、可靠性要求高的特点．我军当前迫切需要找到一种试验成本 低、周期短、结果可信性高的可靠性试验方法来取代或部分取代现有的试验方法． 目前，在国内外的通用汽车领域应用已十分普遍的手段是用室内台架模拟试验（简称 台架试验）部分替代原有代价高昂的实车路面试验．台架试验采用电液伺服系统中的伺服 作动器对被试车辆进行多方向的动态加载，达到在室内试验台架上模拟复现车辆外场行驶
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载荷历程的目的，参见图１－１．与此同时，国内外一些工程机械生产企业通过将电液伺服 作动器作用于工程装备作业装置之上，模拟实际使用过程中的载荷，亦可将外场作业试验 移至台架上来完成，如图１－２所示．由于进行室内模拟试验时通常只保留了对车辆行驶可 靠性影响较大的载荷数据，删除了影响较小的小载荷嘶”，试验环境可人为控制，排除了 自然条件变化，操作人员失误等影响因素，用这种模拟试验系统进行试验能以模拟手段部 分代替外场实车行驶可靠性试验，显著缩短试验周期，大幅降低试验费用、提高试验结果 可信度，从而加快新产品的研制进度，全面提高产品的质量．总装备部于２００５年启动了 “军用工程机械行驶可靠性模拟试验理论与方法研究”项目，着手建立军用工程机械室内 道路／作业模拟设备．在具备了室内模拟试验条件之后，军用工程机械的可靠性试验可采 用外场试验与室内模拟试验相结合的方式进行，使可靠性试验的质量和效率得到大幅提
高。

图１－１道路模拟台架试验

图１．２工作装置台架试验

然而，采用台架来进行军用工程机械的可靠性疲劳试验并不是一劳永逸的解决办法． 自七十年代末我国引进第一台室内道路模拟试验设备以来，经过２０余年的发展，虽 然目前国内使用单位众多，引进设备数量庞大，但仅有为数不多的具有很强技术、经济实 力和丰富相关试验经验的大型厂家（如一汽、二汽、上汽等）能够开展一定规模的该类试 验，且已基本摸索出一套适合本厂产品的道路模拟试验操作规范和寿命当量关系（指台架 试验寿命与实际使用寿命之间的关系）ｍ１，其它较小企业和研究机构限于财力、物力、时 间和技术等多方面原因。试验的应用水平一直不高，甚至有些单位出现了花费高昂价格从 国外引进的设备长期闲置的遗憾局面．在工程机械领域，目前国内只有徐州工程机械集团 拥有较为完整的试验系统，但通过实地调研发现，作为我国工程机械生产龙头企业的徐工 集团，自从１９９８年试验系统建成以来，限于资金和技术上的原因，该试验系统也未能得 到充分的利用． 另外值得考虑的是，台架试验的花费与外场试验相比虽然有了较大幅度的降低，但台 架疲劳试验属于破坏性试验，采用实车进行试验的台架试验方法仍然避免不了样车成本的 开支；由于台架试验系统属于大功率用电系统，完成一次试验所需支付的电费成本也是一 笔不小的开支．以徐工进行的一次台架试验为例，仅单台样车成本就超过３００万，电费也 花费了近２０万元，试验成本很高．此外，由于车辆使用环境的多样性、随机性和不确定 性，疲劳寿命估算理论不完善等多种原因，使得模拟试验系统在我国的整体应用水平发展

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缓慢，试验结果分散性大、可信度低。 因此，如何使我军目前正在建设的同类系统，在缺乏相关使用经验和技术积累的不利 条件下，在需要充分考虑军用工程机械使用环境的特殊性的基础上，以最低的试验成本发 挥出其应有的作用，就成为了先期急需解决的问题。
’

近年来，基于虚拟样机仿真、有限元分析等技术的虚拟试验系统已经逐渐应用于国外 汽车及工程机械生产企业．使用该系统除了能够对整车系统进行动力学分析，噪声、振动 和舒适性（ＮｖＨ）分析，碰撞模拟和乘员保护及评价以外，还能够对整车系统进行疲劳寿

命分析．这就在外场试验与台架试验之外，提供了一种全新的可靠性试验方式一可靠性
虚拟疲劳试验。这种新型的可靠性试验方式的优越性是显而易见的： １）整个试验过程均在计算机上通过仿真计算完成，无需实装样车，无需大功率、高 耗能设备，试验成本相比台架试验进一步大幅降低； ２）在已有试验对象虚拟样机的前提下，虚拟疲劳试验的全部时间仅为仿真计算时间， 与外场试验和台架试验长达数月的试验时间相比，虚拟试验的时间大幅缩小至以 小时来计算； ３）试验环境灵活多样，试验的可重复性强，能够快速地进行多种类型的可靠性试验， 并对多种试验方案进行比较；‘ ４）完全没有安全隐患； ５）能够在试验对象没有物理样机的情况下开展试验，在工程机械设计的早期即对其 疲劳寿命进行预测，对设计方案的改进提供参考： ６）可以作为外场试验及台架试验的前序试验，找出试验对象疲劳破坏的薄弱环节，
‘

为后续实装试验提供指导． 然而，拥有上述诸多优越特性的虚拟疲劳试验目前仍处于起步阶段，且主要应用于通 用汽车领域。 本课题的研究工作，就是要借鉴国外已有虚拟试验系统的组织形式和实现方案，利用 现有的软件环境，综合运用虚拟样机技术、有限元技术、疲劳理论等多种学科和技术，试 图探索出一种全新的、适应性强、结果可信度高的军用工程机械可靠性虚拟疲劳试验方法， 并最终建立一套虚拟疲劳试验系统，满足军队对军用工程机械高效、低成本的可靠性疲劳 试验技术的迫切需要．同时，该虚拟疲劳试验可为即将建成的军用工程机械台架模拟试验 系统提供有益的指导和必要的补充，为加速我军用工程机械更新换代，提高我军用工程机 械的可靠性试验水平奠定坚实的基础．

§１．２虚拟疲劳试验国内外发展历程与研究现状
１．２．１国外发展历程与研究现状 在可靠性试验方面，国外研究处于领先地位．在虚拟疲劳试验领域，亦不例外，其各
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主要核心技术均由国外学者或组织首先提出和应用． 事实上，作为虚拟试验的核心技术之一的虚拟试验环境技术的出现是与模拟（台架） 试验的发展密不可分的．这是由于台架试验本身可以认为是将虚拟试验中试验对象的虚拟 样机替换为实际的物理样机，两者所用到的对试验环境的模拟再现技术，在许多方面有着 许多共同之处．早在上世纪６０年代，美国Ｆｏｒｄ公司的Ｗ＇ｄｌｉａｎ Ｊ．Ｓｉｄｅｌｋｏ在一篇论文中提出 了应用液压伺服作动器进行车架疲劳试验的方法，他们把行驶载荷谱分析、编程疲劳试验 及道路试验相互结合起来进行新车架的试验研究，首次将计算机应用于道路模拟试验，从 而把车辆零部件试验技术推进了一大步。１９６５年，美国通用汽车公司凯迪拉克工厂建成了 世界上最早的道路模拟试验装置．１９７５年，Ｓｔｙｌｅｓ和Ｄｏｄｄｓ发展了有关路形模拟理论，并 且把１９６９年出现的快速傅利叶变换（ＦＦＴ）技术用于道路模拟试验．１９７７年，美国ＭＴＳ
公司推出ＲＰＣ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌ）软件，１９７９年德国的申克（ＳＣＨＥＮＣＫ，现属

美国英斯特朗公司）公司推出ＩＴＦＣ（Ｉｔｅｒａｄｖｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ 费尔法斯特（Ｆａｉｒｈｕｒｓｔ）公司推出ＩＤＣ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）系统，１９８７年

Ｄｅｃｏｍｖｏｌｕｔｉｏｎ

Ｃｏｎｔｒ０１）软件。这三个软

件都可以在时域或频域内按给定误差要求再现道路激励的响应，实现在实验室内再现车辆 道路行驶的载荷历程．所有这些算法和软件最终成为用于虚拟疲劳试验的虚拟道路的技术
基础。

虚拟试验的另一个核心技术是虚拟样机技术．其是建立在多刚体系统动力学理论基础 上，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心的一项技术．１９６６年Ｒｏｂｅｒｓｏｎ和 Ｗｉｔｔｅｎｂｕｒｇ创造性地将图论引入多刚体系统动力学，使这个学科分支跨入新阶段，他们利 用图论的一些基本概念和数学工具成功地描述了机械系统内各刚体之间的结构特征，借助 图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型来描述．在随后的几十年中，计算 机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面，将分散的零部件设计 和分析技术（如零部件的ＣＡＤ建模和有限元分析ＦＥＡ）集成在一起，提供一个全新研发机械 产品的设计方法．近年来，在通用汽车领域，随着汽车ＣＡＥ技术的不断发展，软硬件功 能大幅度提高，整车系统的虚拟样机及其纯软件仿真已经实现． 上述虚拟样机与虚拟道路结合在一起，就组成了一个最基本的虚拟试验平台。在国外 已有的虚拟试验平台中，最有影响的是美国工程技术合作公司（ＥＴＡ公司）在 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＡＮ软件平台上针对通用汽车进行二次开发推出的虚拟试验场（Ⅵｒｎｌａｌ
Ｐｒｏｖｉｎｇ

Ｇｒｏｕｎｄ简称ｖＰｃ）．该虚拟试验平台以整车系统为分析对象，考虑系统各类非线性，

以标准路面和车速为负荷，对整车系统同时进行结构疲劳、全频率振动噪声分析和数据处 理及碰撞历程仿真，快捷地完成整车性能分析以及疲劳寿命预测等任务，达到在产品设计 前期即可得到样车道路试验结果的“整车性能预测”结果，大量节省开发时间和成本，有 很广阔的应用与发展空间阻“．此外，美国机械系统测试（ＮＩＴＳ）公司开发的虚拟试验室 系统（ｖＩＬ），通过在产品或部件上安装虚拟传感器，并将不同的测试环境应用于该虚拟样 机之上，即可获得产品的疲劳强度、动态特性、操作舒适性、噪声以及振动等试验结果． 在ｙｒＬ中，一旦虚拟样机确定，可以反复进行试验，并根据虚拟试验结果对设计进行反复
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修改，从而获得最佳设计方案。

在工程机械领域，全球最大的工程机械制造企ｇ卜—咔特彼勒彻，不仅拥有整车试验
系统，而且建有驾驶室、驱动桥、悬架等零部件专用模拟试验系统．该公司的技术中心早 在１９９５年即已有９６通道的模拟加载装置，其中包括两套８通道整机模拟试验系统．在虚

拟试验方面，２００５年，比利时Ｌ瞄公司为卡特彼勒公司提供用于噪声和振动研究的虚拟试
验室和测试试验室，该虚拟试验室能够对新设计方案的振动舒适性和噪声性能进行优化。 从最初的虚拟样机阶段到最终的样机论证阶段，利用ＬＭＳ虚拟试验室，工程师可以分析有 限元模型和测试模型之问的关系，从而提高有限元模型的精度㈨． １２．２国内发展历程与研究现状 由于国内目前使用的各种与可靠性试验或虚拟试验相关的软硬件均为国外引进，因此 我国对虚拟试验的研究目前整体仍处于使用国外先进的软硬件进行相关领域的应用研究 这一阶段．由于虚拟样机技术在我国已经成功地运用于汽车零部件优化，整车性能分析与 评价、新技术开发、汽车制造模拟及质量管理等领域，因此在利用虚拟样机技术完成零部 件的虚拟疲劳试验方面，国内的通用汽车领域亦走在了其它领域之前．不过从目前情况来 看，起步相比国外仍然较晚，并且没有形成系统． ２００２年，上海汇众汽车制造有限公司的钱锋即提出了通过将三维设计软件ＵＧ、虚拟 样机建模与分析软件ＡＤＡＭＳ、有限元分析软件№峪ＴＲＡＮ等结合起来综合运用完成基于车 辆虚拟样机的虚拟疲劳试验的思想，并且指出了通过虚拟试验可以用来确定台架疲劳试验 中的当量疲劳寿命，指导台架试验的方案设计，为台架试验大纲的拟订提供依据等虚拟试 验的优点和用途㈨。但由于当时国内软硬件环境皆不成熟，尚不具备实现该试验的条件， 该思想在其后的几年内一直未被实现． ２００５年，合肥工业大学的赵韩，钱德猛等针对某种型号客车的空气悬架．应用多体动

力学软件ＡＤＡＭＳ构建了悬架的虚拟样机，进行了动力学仿真分析，然后应用ＡＮＳＹＳ软件
对弹簧支架进行了分析，计算了弹簧支架的应力、变形特性和疲劳寿命咖１．在论文中，赵 韩等使用了从ｕＧ到ＡＤＡＭｓ再至ＯＡＮＳＹＳ的试验分析路径，验证了在当时的软件环境已经足 以完成虚拟疲劳试验． ２００６年２月，重庆大学机械传动国家重点实验室的胡玉梅，陶丽芳等与长安汽车股份 有限公司试验所的冯刚实现了基于多体动力学仿真与有限元强度分析结合的车身疲劳强 度分析，对车身高应力区域迸行了疲劳寿命估计，为实际试验中应变贴片的位置提供了指 导．并且通过将该虚拟试验结果与实际台架试验相比较，发现与实际试验结果吻合良好， 虚拟试验获得了成功油１．这是我国有报道的首次将整车多体动力学模型（虚拟样机）应用 于虚拟疲劳试验，并且获得了比较满意的效果，显示出利用现有软硬件环境全面开展虚拟 疲劳试验的条件已经趋于成熟． 然而，在工程机械领域，虚拟样机技术在国内应用的广度和深度均远远落后于通用汽
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车领域．从目前公布的资料来看，仅限于工程机械工作装置的机构设计与优化、液压系统 设计等较为基础的仿真和优化等应用呻?“胤“…”，对于基于虚拟样机技术的虚拟试验基本 没有涉及，在虚拟疲劳试验方面更是一片空白．

§１．３本文主要研究内容
本文在综合研究了虚拟样机技术、有限元技术、疲劳理论等多种学科和技术的基础上 利用有成熟的软件环境，结合军用工程机械特殊的结构与使用环境构建能够适合其不同类 型虚拟疲劳试验的试验系统。主要的研究内容如下： 第一章对本课题的来源和意义，虚拟疲劳试验发展的历程和现状进行阿述； 第二章概括了现有疲劳寿命预测理论的发展历程，并对现有军用工程机械可靠性疲劳 试验的分类和试验方法加以介绍。 第三章详细分析了要在计算机中仿真出不同种类的可靠性疲劳试验，目前需要解决的 各项关键技术．通过分析，提出了各关键技术的解决方案．而后进一步阿述了在解决上述 关键技术的前提下如何搭建出适合于军用工程机械虚拟疲劳分析的试验系统． 第四章选定两个具体的研究对象，使用第三章提出的方法建立了其各自的虚拟样机模
型。

第五和第六章继续使用第三章中提出的试验方法，对第四章中建立的虚拟样机分别完 成了两种不同类型的虚拟疲劳试验，通过与现有试验标准或数据进行比较分析，验证了本 课题中所提出的虚拟试验方法的有效性． 第七章对全文的工作进行了总结，列举了本课题研究的创新点和不足，对未来需要改 进的地方做出了展望。

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．

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第二章疲劳寿命预测理论与可靠性疲劳试验
§２．１引言
磨损、腐蚀和疲劳破坏是机械零件和工程结构的三种主要破坏形式，也是工程机械失 效的主要原因．在工程机械中，虽然因磨损和腐蚀而造成的损失都是十分可观的”１，但由 于磨损和腐蚀进程很慢，一般可以通过定期更换或修理易损零件的方式来解决，而疲劳破 坏往往是突然发生并极易引发事故，因此，更为工程界所重视。 对机械结构疲劳问题的研究可追溯至１９世纪初叶，经过２个世纪的探索，已经发展 成为一门综合性的学科．由于工程上的疲劳问题非常多样复杂，所以对各种疲劳问题的研 究一直没有停止过． １９２４年Ｐａｌｍｇｅｒ首次将线性累积损伤模型应用于瑞典的轴承工业，预测不同载荷条件 下球轴承的疲劳寿命，第一次将应力与疲劳寿命联系了起来；１９３７年，就职于美国西屋

（ＷｅｓｔｉｎｇＨｏｕｓｅ）公司发电机组分部的工程师Ｌａｎｍ４独立提出了类似的假设，用于预测钢
制压力管道的寿命；１９４５年，美国道格拉斯（Ｄｏｕｇｌａｓ）飞机公司的工程师Ｍｉｌｌｅｒ发展了Ｌａｎｃｅｒ 的线性累积损伤理论并成功地应用于铝制飞机蒙皮的寿命预测．这一巨大的成功将Ｍｉｌｌｅｒ 与线性累积损伤准则联系在了一起，产生了Ｍ．ｍｅｒ准则“”． Ｍｉｎｅｒ准则作为疲劳寿命预测的基本准则，自从提出以来，就被证明有相当大的局限性． 半个多世纪以来，经过众多研究先后出现了基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论 （Ｍａｎｓｏｎ模型）、基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论（页笃毅模型）、基于 连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论（Ｃｈａｂｏｃｈｅｌ模型）、考虑载荷问相互作用效应的 非线性累积损伤理论（Ｃｏｒｔａｎ－Ｄｏｌａｎ模型）、基于能量法的非线性累积损伤理论（Ｎ－ｕ模型） 等，多达几十种％“““删．然而，这些累积损伤理论有的未给出重要参数的确定方法， 有的计算过于繁杂，有的只能用于少数特殊情况等，均不能广泛应用于各种类型的工程实 践．而众多的工程应用实例证明，最基本的Ｍｉｎｅｒ线性疲劳累积损伤理论具有很好的可证性、 可适性、可验性和可行性，特别是当结构或材料受到随机载荷作用时，如果随机载荷系列 中的疲劳载荷几乎都处于高周疲劳（ＨＣＦ）区，使用Ｍｉｎｅｒ线性疲劳累积损伤理论已经能得
‘

到可信的结果ｍ“”。 近２０年来，随着计算机技术的飞速发展，有限元方法借助计算机得以有效地实现并 广泛应用于结构分析、热分析，电磁分析、流体分析、耦合场分析等场合，一些适用面广， 通用性强的有限元软件己经成为许多高新科学和技术的基本工具和有效手段研““’删．有 限元分析中的结构分析部分提供的静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析在 多数情况下，都能准确地计算仿真出机械结构受载下的应力和应变信息，而这些正是疲劳
分析所需的．
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上述介绍的疲劳寿命预测理论、有限元结构分析同材料属性一起，就构成了进行本课 题研究的虚拟疲劳试验的最基本条件．．

§２．２疲劳寿命预测理论
２．２．１疲劳寿命定义与疲劳分类 强度、刚度和疲劳寿命是工程结构和机械使用的三个基本要求．材料在应力或应变的 反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳，构件在低于拉伸强度极限的交变应力的反复作用 下，发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂的失效方式，称为疲劳破坏。疲劳破坏是工程结 构和机械失效的主要原因之一，也是工程机械零部件失效的主要形式，其过程可以看作是 构件上裂纹由初始长度逐渐增大到最大可接受长度的过程。对于一般的机械机构来说，疲 劳失效的过程可以分为裂纹形成与裂纹扩展两个阶段。早期人们认为，一个构件只要出现 眼睛看得见的裂纹，即认为构件到寿命了。后来发现许多构件出现了眼睛可见的裂纹后， 并不马上破坏，构件还能承受一定时期的循环载荷的作用，有的甚至可以经历很长的时间， 所以提出新的疲劳裂纹寿命概念。新的寿命概念认为，疲劳寿命应该包括裂纹形成寿命和 疲劳裂纹扩展寿命两者的总和眨蚓．不过，一般情况下，对于金属结构件，尤其是在高周 疲劳的情况下，裂纹形成期占据了其疲劳寿命的绝大部分。对于疲劳耐久性试验来说，结 构或机械从载荷作用直至破坏所经历的载荷循环的次数或时间称为疲劳寿命。。 根据构件疲劳破坏前所经历的循环次数，疲劳可分为： 低周疲劳（ＬＣＦ）：在循环应力水平较高，接近或超过材料的屈服极限时，塑性应变起 主导作用，在每一次应力循环中都发生了望性变形，塑性变形累积致使发生疲劳断裂，疲 劳断裂前应力循环次数较少，一般少于１０４次，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周 疲劳． 高周疲劳（ＨＣＦ）：在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小．从微观 上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平远低于材 料的屈服极限时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，疲劳断裂前的应力循环次数 大于１０５次，这种疲劳称为应力疲劳或高周疲劳． 根据不同的外部载荷造成不同的疲劳破坏形式，可以将疲劳分为： 机械疲劳：构件在交交机械应力作用下引起的疲劳破坏． 蠕变疲劳：循环载荷和循环温度同时作用引起的疲劳失效． 腐蚀疲劳：在存在腐蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环载荷引起的疲劳失 效。 滑动接触疲劳和滚动接触疲劳；载荷的反复作用与材料问的滑动和滚动接触相结合分 别产生的疲劳失效． 微动疲劳：脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳失效。

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根据载荷频率的不同，疲劳又可划分为： 静疲劳；当载荷频率远低于结构固有频率时，可视为静疲劳． 振动疲劳。当载荷频率与结构固有频率相当时，可视为振动疲劳． 声疲劳：当载荷频率远高于结构固有频率时，可视为声疲劳． 工程机械的工作环境特点和使用寿命要求决定了其工作装置结构件的疲劳大多属于 高周、机械、静疲劳，而其底盘零部件的疲劳大多属于高周、机械、振动疲劳“１。 ２．２．２疲劳累积损伤理论概述 图Ｉ－Ｉ为某金属试件在连续加载条件下直至初始裂纹形成的截面示意图呦。图中以初 始裂纹区为中心呈辐射状展开的贝壳状斑纹区域展示了不同应力循环次数对试件疲劳的 影响，斑纹的致密程度反映了疲劳发生的速度。图中右部局部放大图中类似树木年轮的条 纹反映了载荷每一次循环对试件产生的影响．

图２—１连续载荷下金属的疲劳进程

由图２－Ｉ可以看出，构件疲劳破坏是一个连续的过程，这个连续的过程可以看作是其 上载荷作用对其造成的损伤的累积，当损伤超过了某临界损伤时，即被认为发生了疲劳破 坏．由此可以看出，要构造一个疲劳累积损伤理论，必须定量地回答三个问题： １）一个载荷循环对材料或结构造成多大损伤； ２）多个载荷循环时损伤是如何累加的；
．

３）失效时临界损伤有多大． 疲劳累积损伤理论是预测疲劳寿命的理论基础，就工程要求而言，建立疲劳损伤理论 的主要目的，是要能够根据结构的使用条件预估其使用寿命．疲劳累积损伤理论目前已提
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出几十个，但是目前在工程实践中应用最为广泛的还是线性损伤累积理论，因为它计算简 单，理论通俗易懂，而且绝大多数情况下能较好地预测疲劳寿命的均值。 ２．２．３线性疲劳累积损伤理论 线性疲劳累积损伤理论是指在循环载荷作用下，疲劳是可以线性累加的，，各个应力之 间相互独立、互不干涉，当累加的损伤达到某一数值时，试件发生疲劳破坏。 线性累积损伤理论中最典型的理论是Ｍｉｌｌｅｌ＂理论．其基本内容为： １）在任意等幅疲劳载荷下，材料在每一应力循环中吸收等量的净功，净功累积到临 界值，即发生疲劳破坏； ２）在不同等幅及变幅疲劳载荷下，材料最终破坏的临界净功全部相等； ３）在变幅疲劳载荷下，材料各级应力循环中吸收的净功相互独立，与应力等级的顺 序无关． Ｍｉｎｅｒ法则可用数学公式描述如下：
‘

ｙ善＝ｌ（２－１）’
急＾｛
其中ｎ——应力水平级数 飓——第ｆ级应力水平的应力循环数 Ｍ——第ｆ级应力水平的疲劳寿命
公式（２．１）中定义一个循环造成的损伤：
‘

圩¨

Ｄ＝嘉
Ｄ＝ｎＮ

（２—２）
．

Ｎ为对应于当前载荷水平Ｓ的疲劳寿命。 则在等幅载荷下，ｎ个循环造成的损伤为：
（２＿３）

在变幅载荷条件下，盯个循环造成的损伤：

肚蕃亩
式中川为对应于当前载荷水平Ｓ的疲劳寿命．
ｒｌ等于其疲劳寿命Ｎ，疲劳破坏发生。

∽４’

由式（２－２）（２—３）（２－４）可知，临界疲劳损伤￡ｋ＝Ｉ，即当Ｄ＝Ｉ时，载荷循环次数 Ｍｉｎｃｒ］｛Ｊ］论可以认为是线性损伤、线性累积循环比（其累计的是循环而并不是损伤）理

论，其成功之处在于大量的实验结果（特别是随机谱试验）显示临界疲劳损伤％的均值
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确实接近于ｌ，在工程上因简便而得到广泛的应用，其他确定性的方法则需要进行大量试 验来拟合众多参数，精度并不比Ｍｉｎｅｒ理论更好咖．

但是Ｍｉｎｅｒ理论的主要不足之处在于：
ａ．损伤与载荷状态无关； ｂ．累积损伤与载荷次序无关； ｃ．不能考虑载荷间的相互作用． 许多事实证明，疲劳损伤与载荷的状态、顺序以及之问的相互作用有着密切的关联。 因此，为了克服Ｍｉｎｅｒ理论的不足，许多学者提出了各种修正的线性累积损伤理论。其中 使用相对较多、容易理解的，是被称为相对Ｍｉｎｅｒ法则的线性损伤累积理论． 根据许多研究者对临界损伤的进一步研究，发现它与加载顺序、载荷谱类型及材料的 分散性等因素有很大关系。但对于同类零件，在相似载荷谱下，则有比较接近的临界损伤 值。因此，使用同类零件，以相似载荷谱下的试验值进行寿命估算，就可大大提高寿命估 算精度．这种取消了原始Ｍｉｎｅｒ理论中关于临界损伤值三ｋ等于ｌ的假设，而由试验或经 验数据确定Ｄ，值，并由此估算试件寿命的线性累积损伤理论，即为相对Ｍｉｎｅｒ法则（又称 为修正Ｍｉｎｅｒ法则）。 相对Ｍｉｎｅｒ法则由数学公式描述如下：

Ｄ＝∑石＝９ 。＝∑ｔ可ｎｉ’ｎｉｉ＝Ｉ＝９ ¨ｆ
式中Ｄ，为同类零件在类似载荷谱下的损伤和试验值。

（２—４）

试验证明，在多数情况下，修正Ｍ：ｉｎｅｒ法贝ＺＪ的估算寿命的安全性要高于原始Ｍｉｎｅｒ法Ｎ
￡铝】
●

除了原始与修正Ｍｉｎｅｒ法则，另一种有代表性线性累积损伤理论，称为双线性累积损 伤理论．该理论是由Ｓａｌｌｓｏｎ与Ｈａｌｆｏｒｄ经过大量试验，于１９８１年总结得出的。 基于疲劳损伤的过程可分为裂纹形成与裂纹扩展的假设，Ｍａｎｓｏ】ａ等将损伤累积的过 程亦分为前期和后期两个阶段（第一阶段与第二阶段），在两个阶段中损伤累积分别遵循 不同的线性规律，且试验证明，两阶段的划分仅与加载应力水平对应的疲劳寿命有关，而 与材料、加载顺序无关。其第一阶段的寿命Ⅳ１，和第二阶段的寿命Ⅳ２。的计算式如下：

虮＝Ⅳ＾ｅ】【ｐ（ｚⅣ；）
其中≯、Ｚ为常数，计算公式如下：

（２—５）

‘

击＝

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Ｚ＝

Ⅳ２，＝儿一Ⅳｌ，

（２—６）

式中．以为第ｆ级载荷下的等幅疲劳寿命；Ｍ为载荷谱中最高应力水平下的疲劳寿命；
Ⅳ２为载荷谱中损伤最大的应力水平下的疲劳寿命． 由式（２－５）（２－６）可以看出，双线性累积损伤理论考虑了多级加载的情形，且预计 寿命仅与Ｍ、Ⅳ２之比有关，比＾缸咐原理更好地逼近了实际且计算同样简便，在工程应用
中广泛被使用翻。

§２．３军用工程机械可靠性疲劳试验
２３．１概述 在军用工程机械的设计过程中，所使用的各种技术手段是否能达到预期效果，工程机 械产品制造出来后，实际上达到了什么样的可靠性水平，都必须由可靠性试验来验证．而 疲劳试验即为其中一种主要方式．军用工程机械可靠性疲劳试验是指通过人为制造或模拟 行驶及作业条件，记录和分析工程机械各零部件的疲劳寿命，进而评估整体可靠性水平的 试验．该试验是促使军用工程机械可靠性水平提高和对其进行可靠性评定的重要手段． 典型的可靠性疲劳试验，按照试验目的不同，可以分为四种类型：筛选（老练）试验、 可靠性增长试验、可靠性鉴定试验和可靠性验收试验“１．这四种试验虽然目的不同，但试 验手段基本相同．对于军用工程机械，以往主要采取实车试验场试验或路面试验，如第一 章所述，该种试验方式有其固有的缺陷，目前正逐步被试验代价相对较低的室内模拟试验 代替．模拟可靠性疲劳试验按照试验手段的不同，主要又可分结构疲劳试验和振动疲劳试
验。

２．３．２结构疲劳试验 通过人为再现军用工程机械各种复杂工作环境或施加等效载荷的方法，考察其在各种 复杂作业条件下工作载荷以及物料的随机变载与冲击载荷对各零部件寿命的影响，并获得 其机械结构综合疲劳寿命的试验称谓结构疲劳试验（本文所指试验均针对军用工程机械， 下文同）。 结构疲劳试验可以缩尺寸进行，也可直接用全尺寸零件进行，还可以用整个结构直至 整机进行。其中整机试验可以得到最准确的结果，但由于费用高昂，一般只用于可靠性验 证和验收试验。
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结构疲劳试验按载荷性质划分，可分为以下几种类型： ?１）等幅疲劳试验 等幅疲劳试验是最早提出的一种疲劳试验。在这种试验中，实际的载荷实践历程，用 一个造成损伤最大的代表性载荷来代表．这一载荷是一种假定的平均载荷。在试验中载荷 的幅值不变。此外，为了缩短试验周期，把试验载荷加大，进行强化疲劳试验． 该试验的特点是简单易行，因此，尽管等幅疲劳试验的产生已有一百余年历史，但至 今仍不失为工程机械构件的重要试验方法之一． 等幅疲劳试验的不足之处是显而易见的．由于采用的平均载荷不能代表实际的随机载 荷，试验结果与实际情况时出入较大；载荷强化后，结构内部某些不可避免的缺陷对高载 荷特别敏感，因而会造成早期破坏，而这在实际使用过程中是不会发生的；因采用平均载 荷和载荷强化，试验结果常常不能准确地再现危险部位和破坏形式． 由于等幅疲劳试验存在上述缺陷，继而出现了以下试验形式。 ２）程序疲劳试验 程序疲劳试验是用若干个不同幅值的等幅载荷，以一定顺序加载来模拟实际载荷的试 验．按规定的程序加载一遍后，又重复进行若干遍，直至达到一定的载荷循环次数，或受 试件出现破坏为止。 程序疲劳试验的依据是：由全部峰值按真实次序排列的载荷时间历程代替实际的实践 历程，两者造成的损伤相同，而与相邻峰值之间经过的时间无关．这样，我们关心的只是 载荷的幅值，而真实的时间尺度则是无关紧要的。 程序疲劳试验，不但可以用来确定结构的薄弱部位，而且可以利用试验结果预测结构 寿命，还可以通过载荷强化，以缩短试验周期。此种试验方法在工程机械领域同样被广泛 使用． 但是这种试验方法也有不足之处：没有考虑加载次序和载荷分级数等因素的影响；没 有考虑用分级载荷代替连续随机变化的实际载荷产生的偏差。 ３）随机疲劳试验 严格地说，随机疲劳试验属于程序试验的一种，其加载次序与一般程序疲劳试验相比， 不是分级的而是随机的． 目前，有三种方法可用以实现随机疲劳试验，分别是伪随机疲劳试验法、功率谱密度 函数法、远程参数控制试验法。其中功率谱密度法近年来受到普遍重视。 功率谱密度疲劳试验是一种谱形模拟的随机疲劳试验方法．它是由现场实测得到载荷 时间历程，经功率谱分析获得功率谱密度函数，且将此功率谱密度函数作为加载依据．如 图２－２所示。

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．１‘
图２－２功率谱密度函数曲线

功率谱密度函数在其整个频段上可将其分为若干个连续的窄带频段，每个频段的带宽

为尘旷，中心频率分别为Ｚ、Ｚ、Ｚ……Ｚ，每个中心频率处的幅值均方值近似为：
Ｊ；＝Ｇ＠）鲈
公式中Ｇ∽）为中心频率Ｚ处的功率谱密度。
进行疲劳试验时，可根据中心频率处幅值的均方值大小调节载荷幅值． 功率谱密度法能很好地模拟实际载荷，试验结果与实际情况更为接近．但该试验比前 述试验方法复杂，试验成本较高，此外要模拟的载荷时间历程应该是平稳或宽平稳的随机
过程．
（２—７）

４）使用复现试验 使用复现试验把在现场作业时记录下的载荷时间历程作为疲劳试验的输入载荷，从而 复现全部载荷时间历程． 这种试验方法的优点是能精确地再现实际载荷，不需要进行繁杂的数据处理，理论上 简单易行．通过数据处理去除小载荷，试验还可以加速进行．但是该试验要求所记录的现 场载荷历程必须具有典型性，否则试验结果与实际情况有较大的差别。此外该试验使用的 载荷历程通用性差，试验成本较高． ２．３．３振动疲劳试验 工程机械在行驶和作业过程中，由于受到路面、作业对象的冲击扰动，以及发动机、 传动系的运转不平衡，均会产生振动．由于工程机械作业和本身结构的特点，如施工现场 道路条件差，挖掘装载时受到的动载荷大，以及车架多不设悬挂装置，这些都使工程机械 的振动较之其它机械、车辆更为严重．因此，工程机械的零部件，尤其是发动机、底盘部 件、各种仪表、电气件都处在强烈的振动条件下工作。为了检查这些部件承受振动时是否
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能达到预期的疲劳寿命，进行振动疲劳试验是十分必要的。 １）周期性振动试验 ２）冲击试验 ３）随机振动试验

，

振动疲劳试验又称动力强度试验，按振动载荷加载形式，又可分为以下几种类型：

其中随机振动试验由于包含有更多的带宽，能全面考查像工程机械这类复杂机械结构 的振动疲劳强度。同时，随机试验的振动强度大，和周期振动试验相比，可以节省试验时 间．近年来，随着试验设备与技术的发展，随机振动试验的应用日益增多，已成为动力强 度试验的重要手段。
‘ ．

与结构疲劳试验中的随机疲劳试验类似，随机振动试验亦采用基于功率谱还原的载荷 获取方式，但前者关心的是还原出载荷的幅值而后者关心的是载荷的频率对试件疲劳寿命
的影响。

在随机振动试验中，有一类通过测得试验路面的路面不平度的功率谱密度函数，以路 面不平度的空问谱结合行驶速度，转化为作用于轮胎的时间谱，从而再现各种道路行驶对 车辆的振动激励的试验，称为道路模拟试验。 一次典型的道路模拟试验包括以下步骤： １）获取实际工况下的数据；
‘

２）根据不同的试验目的对获得的信号进行处理，形成要在室内模拟复现的期望信号；
３）测量整个试验系统的频响函数矩阵；
４）生成初始驱动信号；
‘

５）不断迭代，直到模拟精度达到要求，得到修正后的驱动信号； ６）根据不同试验种类，输出步骤５得到的驱动信号，进行道路模拟试验，对试件性能进
行评估．

道路模拟控制系统是一套由软、硬件配合组成的计算机测控系统，其系统原理框图如
图２－３所示：

母荷占
系统

图２－３道路模拟试验系统

目前，在试验室内进行汽车零部件使用工况的模拟试验，可以排除气候等因素的影响， 大大缩短试验周期和节约资金，试验结果重复性强，精度高、试验可控性好，便于对比． 由于这种试验方法的先进性与适用性，尽管所用试验设备比较昂贵，掌握这种技术也具有

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一定的难度，道路模拟试验在汽车零部件可靠性与耐久性研究方面得到了广泛应用Ｍ。

§２．４本章小结
本章在介绍了疲劳寿命及其预测理论的基础上，分析比较了各种类型的可靠性疲劳试 验以及适用的范围，并且具体介绍了对于军用工程机械通常所进行的试验。为后续建立军 用虚拟疲劳试验平台提供了理论依据与参考．

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第三章军用工程机械虚拟疲劳试验系统
§３．１虚拟试验技术及其在工程方面的应用
从广义上讲，任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境，完成实际物理试验的 方法和技术都可以称为虚拟试验。虚拟试验可以定义为在虚拟环境中进行的试验“． 虚拟试验的试验对象是虚拟的，被称为物理对象的“虚拟原型”．而虚拟试验的试验 环境亦是虚拟的，是基于软件工程研制的仿真试验系统，它允许设计者将虚拟原型“安装” 在其上进行“试验”，借助交互式技术和试验分析技术，使设计者在设计阶段就能对产品 的运行性能进行评价或体验。 在工业应用领域，虚拟试验技术作为先进制造技术的基础，在世界各国被普遍予以重 视并迅速发展。美国国家标准及技术研究所（ＮＩｓＴ）制造工程试验室成功建立了国家先进 制造测试平台，英国、日本、德国等在此领域均有所研究．我国最早开展虚拟制造研究的 机构是清华大学ＣＩＭＳ工程研究中心虚拟制造研究室，由于虚拟试验技术出现较晚，研究 机构还很少，但发展趋势与发达国家的差距逐步缩小。 虚拟试验技术在车辆工程上应用起步较早．１９７２年，美国通用汽车公司首先开发了车 辆动力性和燃油经济性的通用预测程序ＧＰＳＩＭ，该程序可以模拟汽车在任何工况下的瞬时 油耗、累计油耗、行驶时间和距离，预测诸如质量、传动比、空气阻尼系数等汽车设计参 数的变化对汽车性能的影响．美国能源复用试验室ＮＲＥＬ在Ｍａｔｌａｂ环境下，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工 具箱开发的先进车辆模拟器（ＡＤⅥｓＯＲ），能够在汽车未成型前评价出普通汽车、电动汽 车、混合动力车的动力性、经济性和排放环保性等性能唧． 目前，利用虚拟样机技术进行虚拟试验已经取得了巨大成就．美国ＭＳＣ公司开发的
ＡＤＡＭＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｏｙ衄ＢＪＣ Ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）软件是构造产品虚拟样机的

一个很好的平台嘲，其中的通用机械模块ＡＤＡＭｓ／Ⅵｅｗ和车辆模块ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ为虚拟样机 的建模和测试提供了很好的支持环境．本课题正是选用此两个模块完成军用工程机械虚拟 样机的建模和作业仿真，并最终结合有限元分析软件完成了虚拟疲劳试验．

§３．２军用工程机械虚拟样机与虚拟疲劳试验
仿照军用工程机械实装试验的三种形式：外场试验、试验场试验和台架试验，工程机 械的虚拟疲劳试验也具有三种形式：第一种，采用生成随机的路面模型直接对军用工程机 械虚拟样机进行整车虚拟疲劳试验；第＝种，采用国际标准或国家标准的虚拟路面模型对 军用工程机械虚拟样机进行整车虚拟疲劳试验；第三种，建立虚拟试验台架，采用直接加 载的方式对军用工程机械整车虚拟样机或零部件模型进行虚拟试验．要完成上述三种试
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验，需要对军用工程机械虚拟样机建模，虚拟试验的过程控制，以及疲劳试验的方法进行 探索和研究。 ３．２．１虚拟样机建模 鉴于工程机械是一类特殊的机械产品，其既有类似通用车辆的底盘系统，又有类似通 用机械装备的工作装置，并且其两部分的作业环境和零部件疲劳原因各具特点，本文将军 用工程机械的虚拟样机分为底盘虚拟样机与工作装置虚拟样机两部分．在底盘虚拟样机中 将工作装置简化为质点，仅保留质心位置、质量等关键信息；在工作装置虚拟样机中，将 底盘部分简化为质量块，保留着地点位置、质心位置及质量等信息，或者完全忽略底盘， 将整个工作装置。固定”安装在虚拟空间中．两虚拟样机即可独立完成仿真测试，分别考 核军用工程机械底盘部分零部件和工作装置的性能，又可联合仿真用来模拟车辆各种行驶 状态对工作装置的影响以及作业时对底盘零部件的影响．虚拟样机组成如图３－ｌ所示．
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对于底盘虚拟样机的建模，选用目前应用最为广泛的汽车虚拟样机开发软件 ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ．该软件已有各子系统模板，通过输入实际车辆各关键设计参数，快速准确地 建立车辆各子系统的虚拟样机，进而建立整车虚拟样机。军用工程机械的底盘虚拟样机可 参考通用车辆虚拟样机，即在得到底盘三维ＣＡＤ设计模型、悬架特性参数、轮胎模型参 数等数据的前提下，分别建立传动系统、转向系统、悬挂系统、制动系统、行走系统等子 系统模型，再由各子系统间的拓扑信息和安装方式完成底盘虚拟样机的建模。． 军用工程机械上诸如推土、装载、挖掘等工作装置，多为机．电一液，气压装置．因此， 对于工作装置，在获得其各组成零部件ＣＡＤ模型及装配关系数据以及控制特性参数后， 即可使用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ、ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ、ＭＡＴＬＡＢ、ＳＩＭＵＬＩＮＫ等软件联合仿真，精 确地建立其虚拟样机。
．

在完成底盘和工作装置虚拟样机的建模后，则可根据实际工作装置与底盘的联结方 式，在ＡＤＡＭＳ中选择相应的约束副，使工作装置虚拟样机“安装”于底盘虚拟样机之上，

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并替换原有虚拟样机中用以表示对方的简化模型。 ３．２．２虚拟疲劳试验的过程控制 对于军用工程机械的虚拟道路试验，其ＡＤＡＭｓ仿真控制过程如图３－２所示。其中驱 动控制文件（ＤｃＦ）记录了在仿真中对车辆虚拟样机档位、引擎、气门、制动，转向、离 合器等功能部件的控制模式及控制参数‰羽．利用ＤＣＦ文件以及道路文件即能够精确实现 对整车虚拟样机在各种行驶条件和状态下的仿真。 对于虚拟台架疲劳试验则仅需将载荷历程作为输入，经ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ动力学解算后 输出相应的响应结果，如图３－３所示．其中载荷历程可以来自虚拟道路谱，实测载荷谱、 仿真数据结果等各种测试手段．

ｉｊ；；ｉ。：ｌ；：：。；；ｉｉ……………。’｛ｌ ；用户输入
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闭环控制算法

Ｉ

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图３－２虚拟道路试验

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图３－３虚拟台架试验

第１９页

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３．２．３虚拟疲劳试验流程 对应于不同的测试对象，应施加不同类型的载荷谱，分别用于完成军用工程机械虚拟 结构疲劳试验与振动疲劳试验．此两种试验仅在疲劳载荷加载方式上有所不同．对于前者， 需要提前对分析对象进行有限元静力求解，而后者需要进行模态分析；前者在加载时需要 使加载通道和载荷谱一一对应，而后者需要按模态阶数使模态位移历程与模态形状一一对 应． 为简化试验过程，两试验均使用线性累积损伤理论作为寿命预测理论，但该理论仅能 对高周疲劳得出理想的预测结果，考虑到工程机械车辆零部件需要考核的疲劳破坏大多为 高周疲劳（低周疲劳的零部件在使用时会定期更换），故该试验方法对于军用工程机械不 失有效性。概括来说，虚拟疲劳试验方法如图３—４所示。

图３ｑ虚拟疲劳试验流程

§３．３载荷谱获取
作为虚拟疲劳试验的输入，载荷谱对试验结果有不可忽视的影响。由上节分析可知， 对于军用工程机械，当考察其底盘系统时，虚拟疲劳试验往往建立在对其虚拟样机进行虚 拟道路试验的基础之上；而为了考察其工作装置，其虚拟疲劳试验则往往建立在作业环境 复现的基础之上．因此，如何生成用于虚拟道路试验的道路谱和路面模型，如何从虚拟路 面试验获取疲劳试验所需的载荷历程，以及如何复现工程机械作业环境，就成为了虚拟疲 劳试验能否真实再现实车试验，虚拟试验结果能否真实反映实车疲劳状况的关键。 ３．３．１虚拟路面与振动载荷谱获取 在计算机中，建立虚拟路面目前最为常用的办法是根据路面不平度的统计特征经过时 域扩展，得到与实际路面具有等价性的路面起伏历程嘲． 大量的测量分析结果表明，路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性，因此可以 用平稳随机过程理论来分析描述。通常把道路垂直纵断面与道路表面的交线作为路面不平
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度的样本，通过样本的数学特征一一方差或功率谱密度函数来描述路面。均值为零时，方 差可以反映路面不平度大小的总体情况；功率谱密度函数能够表示路面不平度能量在空间 频域的分布，它说明了路面不平度或者说路面波的结构．从功率谱密度函数不仅能了解路 面不平度的结构，还能反映出路面的总体特征．因此，功率谱密度函数是路面不平度的最 重要数学特征。
’

国标ＧＢ７０３１－８６中参照ＩＳＯ－８６０８标准使用路面功率谱密度来定义路面不平度统计特 性，其路面不平度位移功率谱密度拟合表达式采用下式；

ｑ（珂）＝Ｇｈ）【昙Ｊ
式中： 刀—空间频率，ｍ。

ｎ＞Ｏ（３－１）

％一参考频率，ｎｏ＝Ｏ．１ｍ一；

Ｇ（％）一路面不平度系数，ｍ２／ｍ－１； ｑ（疗）—路面不平度，ｍｓ／ｍ－１；
国—频率指数，经验值白＝２．
已知在空问频率啊＜订＜％内的路面位移谱密度为ｑ ０），利用平稳随机过程的平均功 率的频谱展开性质，路面不平度的方差仃！为：

Ｚ＝ｒＧ（刀胁（３－２）
将区间（Ｊ，ｌ，吗）划分为ｎ个小区间，取每个小区间的中心频率‰。Ｏ＝ｌ，２’…，ｎ）处 的谱密度值仍（，‰。）代替Ｇ（”）在整个小区问内的值，则式（３－２）离散化后近似为

砖ａ∑Ｇ（‰¨）?觚

。（３－３）

对应每个小区间，现在要找到具有频率％相Ｏ＝ｌ，２’…，疗）且其标准差为

√ＧＪ（撑蒯。）?△珥正弦波函数，这样的正弦波函数可为：

√２Ｇｄ（‰州）?觚?ｓｉｎ（２石‰枷ｘ＋Ｂ）（３－４）
将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来，就得到频域路面随机位移输入；

ｇ（刁＝∑√２Ｑ（‰洲）?觚－ｓｉｎ（２石‰舳ｘ＋岛）（３－５）
式中：口一【０，２明上均匀分布的随机数５
ｘ一频域路面纵向． 自此，通过离散频域路面的路面纵向的ｘ值，就可以得到空间频域下随机路面垂向数 值．
ＧＢ７０３ １—８６将标准路面分为８个等级，参见表３－１．使用ＡＤＡＭＳ提供的路面文件

（ＲＤＦ）可以快捷地生成上述标准路面谱．
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表３－１ ＧＢ７０３１－８６道路分级标准 道路级别
Ｍ｛ｎ、，ａｌｕｅ
Ａ Ｒ ，

亿日曝Ｘ—ｔ?西０ Ｍｅａｎ Ｖｊｈｌｅ
１

Ｍａｘ．、，ａｈｌｅ
２ Ｒ １２

４
，６

ｒ ｎ
Ｆ Ｐ

Ｒ 气２ １２Ｒ
Ｅ１２

６４
２Ｓ６

１２Ｒ
Ｓ１２

ｌｆｌ２４ ４０９６ １６１Ｒ４

２０４１１ Ｒ１０９＿

ｎ Ｈ

２０４Ｒ Ｒ１２０

此外，朋）枷Ｓ还可以完成轮胎转鼓试验台、平整路面、矩形凸块路、折线路面、凹
坑路面、斜坡路面、三角形凸块路面、正弦波路面、正弦变波纹路面、３Ｄ等效容积道路、 ３Ｄ样条路面等标准化测试路面，用于军用工程机械虚拟道路试验。 在虚拟道路试验中，工程机械的虚拟样机沿路面纵向行驶，由于路形的位移输入，垂向 路面谱激振导致车辆在垂直方向和行车纵向的振动．这种振动载荷可以由虚拟样机中的柔 性体零件精确地记录在模态坐标系中．其具体方法如图３—５所示，通过对零部件进行有限 元模态分析生成含有模态信息的柔性体文件，并将该柔性体文件导入原有刚体虚拟样机替 换相应刚体零件，最后在ＡＤＡＭＳ中对带有柔性体零部件的虚拟样机进行虚拟试验，使用 模态应力恢复技术即可精确地还原出车辆振动在该零部件产生的模态载荷历程。

图３－５模态载荷历程的获取

３．３．２作业仿真与时域载荷历程获取 由于目前基于虚拟样机的动力学仿真已非常成熟，因此军用工程机械的作业仿真可以 参照普通通用机械的动力学仿真，在ＡＤＡＭＳ中通过人为控制再现工程机械各种工况下的 运动、外载荷信息等仿真信息，由虚拟样机解算并输出相应工况下各零部件的时域载荷谱． 同实车采集类似，此类载荷谱表现为零部件在虚拟试验过程中所经历的力、加速度等 载荷历程．其过程如图３－６所示．
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ｒ爵玉再；ｉｉｌＪ｝

动力学求解

；

图３－６时域载荷历程的获取

此历程获得方便快捷，运行一次仿真即可获得几乎全部零部件的载荷历程．但目前基 于刚体动力学的整车虚拟样机在仿真计算中解算出的载荷历程并不十分准确，后续疲劳分 析中需要对该载荷历程进行极值分析、分级、循环扩展等处理㈨…，且处理标准取决于试 验人员的个人经验，人为干扰因素较大，降低了试验对底盘虚拟样机解算结果的通用性和 准确性。因此，该类载荷谱获取方法更适合于获取工作装置虚拟样机中零部件的工作载荷
历程。

§３．４军用工程机械虚拟疲劳试验系统
在对军用工程机械虚拟疲劳试验关键技术进行了深入研究的基础上，结合军用工程机 械可靠性试验准则等评价准则集合，建立起军用工程机械虚拟疲劳试验系统。其总体框架 如图３－７所示．

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【路面模型—Ｊ
试验建模

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ｌ堑查坌堑Ｉ

ｌ

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零部件有限元分析

Ｌ

ｌ基于时域载荷历程 Ｉ
的疲劳分析

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Ｉ虚拟路面试验Ｉ ｌ虚拟台架试验Ｉ ｌ虚拟试验场试验Ｉ

Ｉ基于模态载荷历程 ｌ
的疲劳分析

虚拟疲劳分析 虚拟样机动力学求解

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基础数据库

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军用工程机械疲 匕 ｈ
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悬架特性参数

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图３－７军用工程机械虚拟疲劳试验系统
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支持数据库

｛

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由图３－７可知，军用工程机械虚拟疲劳试验系统由试验建模、有限元分析、动力学求 解、疲劳分析、试验结果评价以及知识支持数据库等予模块组成．其中知识库以及结果评 价子模块可由ＧＢ、ＩＳＯ标准、实装试验结果、车辆设计参数等确定． 如前章节所述，该虚拟疲劳试验系统中虚拟样机建模、虚拟道路试验、工况仿真等均 可在ＡＤＡＭＳ环境中完成，共使用了ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ，ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ、ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ、 ＡＤＡＭＳ／Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ等模块。考虑到试验的连续性和试验数据的一致性，系统中零部件有限 元分析选用Ｐａｔｒａｎ与Ｎａｓｔｒａｎ，虚拟疲劳分析选用Ｆａｔｉｇｕｅ。这是由于上述软件均为ＭＳＣ公 司产品，试验数据文件可在各软件中方便地互相传递，避免了多种软件间数据交换时可能 造成的数据丢失现象，保证了系统的稳定性和试验数据的一致性．
，

§３．５本章小结
本章通过对虚拟试验技术发展现状的分析，仿照实车试验，提出了军用工程机械虚拟 疲劳试验的关键技术．并依照现有技术条件，提出了解决这些关键技术的途径．其中由于 载荷谱对虚拟疲劳试验的重要性，本章着重介绍了军用工程机械虚拟疲劳试验所需的两种 载荷谱，并提出了获取相应载荷谱的手段和方法．最后，建立了军用工程机械虚拟疲劳试 验系统．将该系统应用于军用工程车辆虚拟疲劳试验，可作为实装试验的前序试验，有效 地降低实装试验的风险和工作强度，节省试验费用．

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第四章军用工程机械的虚拟样机
§４．１概述
４．１．１虚拟样机技术的概念、特点与应用 虚拟样机技术即是指在物理样机制造出来之前，设计师利用计算机建立机械系统的数 字模型，对该系统的运动学和动力学特性进行仿真分析，以图形技术将系统的各项特性显 示出来，并在计算机上对系统进行优化和修改，从而得到系统的最佳方案的一种技术． 虚拟样机中的“虚拟”是相对于实际的物理样机而言的，它实际上是一种计算机模型， 它能够反映机械系统的外观、几何特征、运动学特性和动力学特性．借助于这项技术，设 计人员可以通过在计算机上建立起机械系统的模型，并对其进行三维可视化处理，再加上 预想的各种激励和约束，模拟在真实情况下的工作状态，研究该系统的空间关系和运动学、 动力学关系，并根据仿真结果对系统进行进一步的优化。相比传统的设计方式，虚拟样机 技术将传统的经验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点： １）全新的研发模式．传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在 很多弊端．而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程的思想
（Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，

确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以 及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ２）更低的研发成本、更短的研发周期和更高的产品质量．采用虚拟样机设计方法有 助于摆脱对物理样机的依赖．通过计算机技术建立产品的数字化模型（ａＰ虚拟样机），可以 完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造试验物理样机就可获得最优方 案，不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期，提高了产品质量，降低了研发成
本．

３）实现动态联盟的重要手段．目前世界范围内广泛地接受了动态联盟Ｃｖｊｍｕａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了 在一定时间内，通过Ｉｎｔｅｍｅｔ临时缔结成的一种虚拟企业．为实现并行设计和制造，参盟 企业之问产品信息的敏捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产 品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性． 由于虚拟样机具有上述显著的优点，目前在航空航天、武器制造，船舶制造、工程机 械、汽车制造等领域已得到广泛的应用““”。’２”．

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４．１．２多体动力学与ＡＤＡＭＳ多体动力学求解 虚拟样机技术的核心理论是多体（系统）动力学，可分为多刚体系统动力学与多柔体 系统动力学． 多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式 的约束连接，这些约束可以是理想完整约束，也可以是非完整约束；可以是定常约束，也 可以是非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式，运动 学表达式以及其他一些物理量的公式。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动 力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。 多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔性体组成的系统。多柔体系统动力学 可以看作是多刚体系统动力学的自然延伸．根据多柔体系统组成的特点，一般以多刚体系 统动力学为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散 法、模态分析法、形函数法和有限单元法等． 在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般有以下三个步骤： １）对实际系统的多体模型进行适当简化： ２）根据模型形成系统的动力学方程： ３）求解动力学方程。 ＡＤＡＭＳ是目前世界上应用较广的基于多体动力学求解的机械系统仿真软件。该系统 中的多刚体动力学求解都是以刚体的位置、速度和加速度的微分关系以及矢量合成原理为 基础进行分析的．刚体ｉ的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角（或广义欧拉角）作广义 坐标，即岛＝缸ｙ：ｙ ｏ矿毒｝ｒ，对于整体，则有ｑ＝｛ｑｒ，西，…，ｑｒ｝７ 采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程：
。

、

要（笋７一目ＯＴ ｒ＋≯?Ｐ彬∥＝Ｑ（４－１）
烈吼ｆ）＝０
（４－２）

Ｏ（ｑ，ｉｌ，，）＝０（４－３）

其中：ｒ—系统动能：

ｇ—系统广义坐标列阵；
Ｑ—广义力列阵； ’Ｐ—对应于完整约束的拉氏乘子列阵；． Ⅳ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵． 通过求解（４－１）（４－２）（４－３）即完成多刚体系统动力学求解。

在ＡＤＡＭＳ中，柔性体模型的弹性是由其模态来表示的。其基本思想是赋予柔性体一
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个模态集，采用模态展开法，用式∽＝∑｛钙｝毒来表示弹性位移，基中，￡为第ｆ阶模态位
移，为一无单位标量；Ⅳ为某节点位移。。假设柔性物体的弹性变形是相对于连接刚体坐标 系的弹性小变形，同时刚体坐标系又是经历大的非线性整体移动和转动。定义ｇ为柔性模 型上任一点在总体坐标系中的坐标，其可表示为：
ｇ＝｛ｘ＿），ｚ

ｙ口妒毒｝７＝｛Ｒ甲嘲（４－４）

其中Ｘ、ｙ、ｚ、∥、口、矿定义与（４＿１）相同；Ｒ、’ｌ，为两坐标系中坐标的矢量表达； ①为ｆ的矢量表达，ＢⅡ模态位移矢量。 又由拉格朗Ｅｌ方程所表示的模型的动力学方程：

蝎＋叫【｛釉＋嫡＋Ｇ＋匾＋昏扛Ｑ（４－５）
式（４－５）可简化为：
‘

Ｍ｛ｉｉ）＋ｃ（ｍ＝｛Ｂ｝（４－６） 式（４－５）、（４－６）中，Ｋ、Ｍ定义分别为模态坐标下的刚度和质量矩阵；ｃ为柔体的

阻尼矩阵；Ｇ为重力；五为约束方程ｎ的拉格朗日乘子：Ｑ为广义力矩阵；｛乓｝为外力矩
’

阵。

求解（４－５）可解得ｇ，从而完成多柔体系统动力学求解进。 ４．１．３复杂机械系统虚拟样机建模要点 对复杂机械系统进行运动学与动力学分析之前，需要建立多体系统动力学模型，在动 力学模型的建立中将多体系统中的构件定义为物体．多体系统力学模型中物体的定义并不 一定与具体工程中的零部件一一对应，它的定义与问题研究的目的有关． 此外，动力学模型中物体性质的确定也是非常重要的，对于低速运动的实际工程系统， 其零部件的弹性变形不影响系统的运动性态，在这种情况下，系统中的物体可做刚体假定， 从而将多体系统转化为多刚体系统．但是对于大型，轻质机械系统，高速运行的工况导致 零部件的大范围运动与构件的弹性变形藕合，从而引起系统动力学形态十分复杂．在对这 类系统进行动力学分析时，一般要把系统内的物体看作是具有一定模态特性，会产生局部 变形的柔性体来考虑． 本课题所研究的军用工程机械正是一个由机、电、液等组成的庞大的系统，同时建立 其全部系统地虚拟样机在目前条件下是不现实的。由于本课题主要针对军用工程机械上的 机械结构零件进行疲劳分析，因此在此仅需建立其机械部分的虚拟样机。又由３．２节，针 对军用工程机械工作装置和底盘两大机械系统各自疲劳特性的不同，本课题将对该两系统 分别建立多刚体与刚柔体混合多体虚拟样机，以便后续分别对其进行不同种类的虚拟疲劳 试验．
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§４．２军用工程机械工作装置虚拟样机建模
工作装置是工程机械特有的机械装置，是工程机械用来完成各种工程任务的施工工 具。随工程机械种类的不同，其工作装置的结构亦千差万别，但总体来说，均为机电液压 系统。从机构学的角度看，大多为由液压驱动的连杆机构．这就为使用多体系统动力学求 解的动力学分析软件ＡＤＡＭＳ对其准确地建立虚拟样机提供了依据． 由于工程机械工作装置种类繁多，本课题仅选择某装载装置的设计模型为分析对象进 行虚拟样机的建模以及后续分析。 ４．２．１某装载装置简介 本课题研究对象的ＣＡＤ三维模型如下图所示：

１铲斗２动臂３摇杆

４转斗油缸５动臂油缸６连杆

图４－１某装载装置三维模型 该工作装置本质上为一反转六杆机构．其机构简图如下图所示：

?

图４－２装载装置机构简图

该机构由转斗机构和动壁举升机构组成。转斗机构由转斗油缸ＣＤ，摇臂ＣＥＦ、连杆
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ｔｌＦ、铲斗ｍ、动臂ＡＢＩ和机架ＡＪ组成．举升机构主要有举升油缸ＧＪ和动壁ＡＢＩ组成． 若把油缸分解为两个活动部件和一个移动副。则该反转六杆机构的活动构件数刀＝８， 运动低副数只＝１１，则该机构的自由度数为：

Ｆ＝３ｎ一２兄＝２
因为两个油缸均为运动件，所以整个机构有确定的运动。当举升油缸闭锁时，启动转 斗油缸，铲斗将绕Ｉ点作定轴转动：当转斗油缸闭锁，举升油缸动作时，铲斗将作复合运 动，即一边随着动臂Ａ点作牵连运动，同时又相对动臂绕Ｉ点作相对转动。 该机构的工作范围如下图所示：

图４－３工作装置工作范围

举升液压缸最小长度是１．２０ｍ，最大长度是１．７４ｍ，行程０．５４ｍ． 液压缸的最小长度是０．８３ｍ，最大长度是１．２８ｍ，行程０．４５ｍ。 该设计方案的主要技术指标如下：

１）铲斗容量：１．扣１．７立方米；
２）功率：６３千瓦；

３）最大卸载高度：２．７５米； ４）最大卸载高度时的卸载距离：１．５米．

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望堕型堂垫查查堂堑塑生堕兰垡堡塞
４．２．２模型简化
， ．

由于ＡＤＡＭＳ与ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ均采用Ｐａｒａｓｏｌｉｄ标准作为实体建模的内核，从而用该标准 可以完好地保存部件的完整信息（几何外形、质量特征、颜色信息），并且可以成功地向 ＡＤＡＭＳ导入整个样机装配体模型，减少在ＡＤＡＭＳ中模型装配所带来的麻烦．因此选用 ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式作为ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ与ＡＤＡＭＳ的文件交换格式． 如图４．１所示，在ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ中已建立了装载装置装配体模型．在将之导入ＡＤＡＭＳ 之前，为了节省虚拟样机建模和仿真时间，同时又要保证虚拟样机仿真的精确性，在建立 模型之前要对实际模型进行必要的简化．根据各部件的实际情况，去掉一些对于动力学仿 真以及后续疲劳分析影响不大的零件（如轴承），同时注意尽量保持各零件问的安装尺寸 与装配关系，在保证各部件的质心位置无变化的前提下简化相应零部件的外形．最后，将 简化后的装配体以ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式整体导入ＡＤＡＭＳ中． 在ＡＤＡＭＳ中添加一个假设的基座，将导入的工作装置。安装”在该基座上． ４．２．３施加约束 在ＡＤＡＭＳ中按照图４—２所示的装配关系在ＡＤＡＭＳ中创建各零件问的约束关系，添 加相应的铰接副与移动副，并将该模型安装于固定机架上。得到该工作装置的虚拟样机． 该虚拟样机共包含１８个旋转副、４个移动副、１个固定副。 导入的模型以及施加的约束如图４－４所示．
’ ．

图４ｑ带约束的工作装置虚拟样机

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４．２．４模型检查 在ＡＤＡＭＳ中对图４－４进行自由度检查，结果如下；

图４－５模型检查结果

检查结果显示机构的自由度数为２，与前述计算吻合．此外，由于实际工作装置为双 臂并行结构，因此，虽然检查结果提示有２２个冗余的约束方程，但此冗余约束并不影响 机构的动力学分析．

§４．３军用工程机械底盘系统虚拟样机建模
工程机械的底盘系统是车架和行驶传动系、行走系、转向系、行驶制动系的总称，是 整机的支承，并能使整机以所需的速度和牵引力沿规定方向行驶．对应于轮式工程机械与 履带式工程机械，底盘系统分为轮式驱动底盘与履带式驱动底盘“２“““。‘”“４． 本节以轮式多用工程车的底盘系统为研究对象，建立其虚拟样机模型。 ４．３．１高速轮式多用工程车底盘系统简介与虚拟样机建模特点 轮式工程机械与通用汽车底盘系统的最大不同，在于其悬挂及传动系统“”． 对于一般运行速度较低的轮式铲土运输机械，为了保证其作业时的稳定性，一般是没
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有悬挂系统，而将车架与车桥直接刚性相连。而对于高速轮式多用工程车，为了缓和行驶

在中的各种冲击和振动，则装有弹性悬架，车架通过悬架与前后桥相连，车桥两端则安装
车轮，如图４－６所示．

Ｋ∥≮＜ ＼。Ｉ／ ＼Ｔ／
一７
｜Ｌ

１

２

３

４

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．

／

一

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ｌ车架２车桥３悬架４车轮 图４－６轮式行驶系组成示意图

在传动系统方面，工程机械主要有机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动等几 种类型。其中液力机械传动为大多数大中型工程机械所采用。其构成如图４－７所示。

ｌ柴油机２液力变矩器３变速箱４、６万向传动装置５，７前后驱动桥 ８最终传动９驱动轮１０分动箱１ｌ“三合一”齿轮机构 图４－７轮式液力机械式传动系统图

采用液力变矩器的作用是使工程机械能够在较大范围内自动适应工作载荷的变化，平 稳地改变牵引力和速度，减少变速箱的档位数，方便操纵；减少传动系乃至发动机所承受 的冲击，延长构件寿命；且液力变矩器的非刚性传动可以使机器平稳启步． 然而对于高速轮式多用工程车，在高速行驶时，由于液力交矩器的使用不能满足对行 驶速度和稳定性的需要．因此，该工程机械将档位分为高速档和低速档，并各有５个档位． 在高速档位时，采用类似通用汽车式的机械式传动；在低速档位时，采用普通工程机械式 的液力机械式传动。 由上述高速轮式多用工程车底盘系统的上述结构特点可以看出，其底盘系统比－二般工 程车辆更接近于通用车辆的底盘系统．因此，本文将在对通用载重车辆底盘系统进行一定 的修改的基础上建立其的虚拟样机．依照该高速轮式多用工程车的技术参数，其悬架系统
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采用具有非线性空气弹簧的双叉悬架系统，其传动系统仅保留了５档机械式４轮驱动传动 系统，用于高速行驶时的道路行驶试验。 ４．３．２虚拟样机仿真模型的结构 在３．２．１节中已经介绍，轮式多用工程车底盘系统的虚拟样机，使用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ模块 进行建模．与４．２节中工作装置的虚拟样机建模不同，Ｃａｒ模块中使用基于“模版”的建模方 式进行底盘系统的建模。 所谓。模版”是指基于底盘系统各自系统的构型分类建立起一个通用的该子系统模型， 因此，同一个模版可以用于多种不同的研究对象．用户使用时按照实际研究对象的特性参 数对该模版进行一定的设置使之符合实际情况，这样既可快速建立起实际子系统的虚拟样 机。再将各个子系统组装，即完成对整个底盘系统的虚拟样机建模． 高速轮式多用工程车的底盘系统虚拟样机可参考通用车辆底盘虚拟样机，可分为动 力、传动（高速档）、转向、前后悬架、行走、制动以及简化车身等八个子系统。其组织 结构按照实际工程机械的布置，如下图所示．
行走及制动子系统 转向子系统
、

动力及传动子系统

简化车身

前后悬架子系统

图４—８底盘系统的组成示意图

４３．３子系统动力学模型的简化和建模 与图４＿７相比，可以看出在图４－８中使用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ建立的高速轮式多用工程车底 盘系统虚拟样机是对实车进行了一定的简化后的模型。这是由于基于模版的ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ 虽然使得方便快捷地建立底盘系统虚拟样机成为可能，但实际结构以及零部件形状和数量 过于复杂多样，为了使建立的模型具有准确的动力学特性而又不影响建模和解算速度，对 于几何模型必须进行相应的抽象，忽略次要因素．尤其对于那些对后续疲劳试验无关的结 构和零部件，需进行一定程度的删减和简化．总体说来，简化基于以下几个方面的假设：
１） ２）

簧载质量（车身）为一刚体，具有六个自由度。 发动机及变速箱为理想动力源及输出装置，忽略内部结构．
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３）

动力传递系统进行相应的简化，暂时只考虑传动半轴以后的动力传递，即驱动 力矩直接加在等速万向节处。 对于刚体之间的连接柔性作适当的简化，用线性弹性橡胶衬套（ｂｕｓｈｉｎｇ）来模拟实 际工况下的动力学特性． 对于零部件，仅保留其对动力学求解有影响的关键点（ＡＤＡＭＳ中称为“硬点”）， 忽略其实际几何构形。
．

４）

５）

下面将按各个子系统分类逐一描述悬架、转向系和传动系等子系统的模型结构。 ４．３３．１前后悬架子系统 如图４—９所示，高速轮式多用工程车的前后悬架均为双叉悬架。建模时，按照实际情 况，抽象出车轮支架总成、转向节、上下控制臂（叉）、减振器、传动半轴、转向杆（前 悬架）、简化车架等刚体，并对它们之间的连接形式作了合理的抽象．

１上控制臂２车轮支架总成３下控制臂４简化车架
５转向杆６减振弹簧７传动半轴

图４．９前（后）悬架模型

图４－９车轮支架总成２是由上下控制臂支架、控制杆转向节臂和轮胎支承部分等几个 实际零件组成，但由于它们之间没有相对运动，所以在此作为一个刚体来处理。这其中转 向节臂通过球铰与转向拉杆５连接，转向拉杆的另一端留出接口与转向系统连接；上下控 制臂ｌ、３一端通过球铰与支架总成连接，另一端通过橡胶衬套安装在车架上；减振器缸 筒与减振器活塞杆６通过橡胶衬套底端安装在下控制臂上，顶端安装在车架上；传动半轴 ７两端均通过等速万向节副分别与轮轴支架及动力输出系统（预留接口）连接． ４３３．２转向子系统
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图４－１０为高速轮式多用工程车的齿轮齿条式转向机构，这种形式的转向机结构相对简 单．我们抽象出的转向系统ＡＤＡＭＳ模型共７个刚体。８个理想约束和力元约束。 为了模拟转向系统的刚度，我们将转向柱３分为 上中下三段，它们之间通过一个万向节相连接，上端 穿过一个安装衬套２与方向盘ｌ由旋转副连接，下端 为一旋转副。值得注意的是，在此齿轮齿条副是由一 个复合副代替的，该复合副将上述转向柱下端的旋转 副与转向杆４与安装转向套筒５之间的移动副耦合， 将旋转副的旋转角与移动副的移动位移联系起来，并 调整到一定的传动比。转向拉杆４通过等速万向节副 与前悬架中的转向杆连接．为了反映转向减振器的作 用，在转向器套筒５和转向拉杆之间加入了一个三维 失量力，并添加一定的阻尼，使之符合高速轮式多用 工程车转向机构实际所受到的转向阻力。 ４．３．３．３动力与传动子系统
１方向盘２安装衬套３转向柱
４转向拉杆５安装转向套筒

图４－１０转向系统模型

高速轮式多用工程车采用了四轮驱动方案，其传动系应当包含了从发动机、变速器、． 差速器、驱动半轴直到轮胎的整个传动链。为了简化模型，忽略了发动机、变速器、差速 器的具体结构，仅保留了发动机和变速器的动力输出参数以及从差速器输出至四轮驱动的 模型．如图４．１１所示。

图４－１１动力及传动子系统

由图４一ｌｌ可以看出，动力与传动系统在ＡＤＡＭＳ中是一个没有物理连接的系统。发 动机及变速器由弹性衬套安装在车身上（预留接口），其工作特性（如输出功率、最大转 速、空转转速、离合器开合等）完全由系统参数给定，图中所示的发动机几何外形对动力 学仿真没有影响，对仿真有影响的是其质量参数和转动惯量．变速器输出端在此简化为一 个可以绕中心旋转的圆柱，转速的大小由一个与差速器输出端联系的力矩决定，该力矩的 大小由变速器输出功率以及前后驱动的动力分配决定ｊ两者亦皆由系统参数设置．

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４．３３．４轮胎模型 轮胎模型是底盘系统建模中十分重要的一个方面，轮胎模型直接决定了车辆行驶时的 垂向加载、加减速特性以及转向特性，车辆动力学仿真的精确性在很大程度上取决于轮胎 模型的好坏。在ＡＤＡ＿ＭＳ／Ｃａｒ中，轮胎建模亦基于模版完成。ＡＤＡＭＳ提供了多种轮胎模型， 它们可分为两类：理论型轮胎模型，包括Ｆｉａｌａ模型、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ ｉｒｌｚｏｆｌａ．（ＵＡ）模型；

实验型轮胎模型，包括Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ－ａｎｄ－Ｐｏｉｎｔ－Ｆｏｌｌｏｗｅｒ模型、Ｓｍｉｔｈｅｒｓ模型以及荷兰Ｄｅｍ 工业大学ＨａｎｓＰａｅｅｊｋａ教授与瑞典Ｖｏｌｖｏ汽车公司合作开发的Ｍａｇｉｃ－Ｆｏｒｍｕｌａ模型等。本文采 用Ｍａｇｉｃ－Ｆｏｒｍｕｌａｒ模型的一个特例，称为Ｐａｃｃｊｉｋａ８９”１
．

该模型基于线性刚度阻尼模型计算轮胎的正压力（垂向），并由此导出轮胎的纵向和 测向压力，通过用户设定的轮胎纵向、测向刚度和阻尼计算轮胎变形、转动力矩等轮胎特 性．所选轮胎参数如图４一１２所示：

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栩娅ａ曲榭黔重舡，工ｌ膳善篱～蓝；茹点燃＃蓦蓦器二貉｝Ｆ糍黧嚣案彩≥鬟：＊。二。—磐：＃一ｉ：；磷“薰。：：梦，兹静ｉ煮霉≯肖
图４．１２轮胎特性参数

４３．３．５车身及其它子系统 由于模型的车身外观与底盘系统无关，因此在此是用质量点示意的．这样与精确的白 车身有差别，但这不会影响底盘系统的动力学参数和性能．因为ＡＤＡＭＳ对刚体的惯性参 数的确定有两种方式： １）根据几何尺寸及密度自动计算得到； ２）根据用户的自定义数据． 对于车身的惯性参数采用的是第二种方法，车身质量及其绕质心三根轴的转动惯量都 根据实测数据来确定，因而是较准确的．在建模时只要保证车身与悬架的连接位置和连接 方式的正确性，车辆模型就是合理可行的。 此外，高速轮式多用工程车底盘系统还应包括制动子系统，但由于该子系统在后续的 疲劳试验中不起作用，因此在本研究中将其忽略． ４．３．４高速轮式多用工程车底盘系统虚拟样机的组装 在完成了各子系统建模后，可将其装配成一个完整的底盘系统．如图４一１３所示。
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图４－１３底盘系统模型

在装配时，由于事先各子系统已经留有接口（在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ中称作ＣｏｍｍｕｎｉｃａＷｒ）， 因此相应的子系统会自动联接，此时，仅需要按照实际研究对象的几何参数，设置各子系 统的精确位置即可完成各子系统的位置分布。其主要技术参数如表４－１所示：
表４－ｌ底盘建模主要技术参数 整车质量
１３０００Ｋｇ

轴距 后轮距 前（后）轮外倾角 主销内（后）倾角

３１５０ｒａｍ ２４９０ｍｍ ．ｏ．５’±Ｏ．２５。
０。

前轮距 总高（至司机室项部）
前（后）轮前束角

２３８０ｍｍ

２６７７ｍ
Ｏ。

由前述小节可知。子系统与车身连接大量使用了称为弹性衬套的连接方式，使用该种 连接允许用户自行设定连接的位移、旋转刚度和阻尼，更真实地模拟出实际车身连接的动 力学特性．表４－２列出了所用到的几个弹性衬套及其作用．
表４屯底盘系统中的弹性衬套
名称
Ｓｕｂｆｒａｍｅ＿ｆｉ＇ｏｎｔ
Ｌｃａ ｆｒｏｎｔ Ｌｗｒ

数量
４ ４ ４ ４ ２

连接对象
悬架与车身

名称
Ｓｕｂｆｒａｍｃ＿ｒｃａｒ

数量
４ ４ ４ ４ ２

连接对象 悬架与车身 下控制臂与车身

下控制臂与车身 减振器与下控制臂 上控制臂与车身
发动机与车身

Ｌｃａ托盯 Ｔｏｐ＿ｍｏｕｒｎ Ｕｃａ咒盯
Ｒｅａｒ＿ｅｎｇｉｎｅ＿ｍｏ
ｔｉｎｔ

ｓ眦

减振器与车身 上控制臂与车身 发动机与车身

Ｕｃａ ｆｒｏｎｔ Ｆｒｏｎｔ＿ｅｎｇｉｎｅ＿＿ｍｏ ｕｎｔ Ｔｏｒｓｉｏｎ ｂａｒ

ｌ

转向柱与转向拉杆

Ｒａｃｋ．＿ｈｏｕｓｉｎｇ．＿ｂ ｕｓｈｉｎｇ

２

转向套筒与转向
拉杆

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表４－２中每个弹性衬套都可以单独设置刚度、阻尼参数，参数可以是线性，亦可以由 曲线定义为非线性。部分弹性衬套的刚度阻尼曲线如图４－１４所示。
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ｆｒｏｎｔ的位移与旋转刚度曲线 ｍｏｕｎｔ的位移与旋转刚度曲线

Ｆｒｏｎｔ＿ｅｎｇｉｎｅ

图４一１４部分弹性村套的位移与旋转刚度曲线

最后，参照研究对象的动力与传动系统技术参数，以曲线的方式设置发动机与差速器． 参数如图４一１５所示。其它发动机参数如表４－３所示．
表４＿３发动机与传动系统参数
发动机空转转速
ｉ０００ｒｐｍ ７００００Ｋｇ＊ｍｍ２ ３．５
１．２６ ０．７６

发动机最大转速
差速器减速比 ２档减速比 ４档减速比

７０００ｒｍｐ
４．１ｌ １．９４ Ｏ．９３

发动机转动惯量 １档减速比 ３档减速比 ５档减速比

离合器最大容许转矩

１．０Ｅ＋００６Ｎ’姗

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图４－１５发动机与差速器特性曲线

至此，完成了高速工程车底盘系统的虚拟样机建模。该模型共拥有５７个零件、６个圆 柱副、１３个旋转副、１２个球副、３个移动副、８个等速万向节副、１１个固定副、７个万向 节副、１个共线副、１个共面副、１个平行副、５个垂直副，４个动力执行器、２个耦合副， 多达８１个自由度。

§４．４本章小结
虚拟样机和其建立环境作为虚拟试验的基础，对虚拟试验及其结果可信度有着重大影 响．本章中依据工程机械的结构特点，将其分为工作装置和底盘系统分别建立其虚拟样机
模型．

在对其工作装置建模时，采用类似通用机构建模的方法。首先在三维ＣＡＤ软件中建 立工作装置装配模型，经过一定的简化后导入ＡＤＡＭｓ，从而避免了Ａ】）ＡＭＳ中建模困难 的不利因素，随后在ＡＤＡＭＳ完成添加约束等工作，最终完成该虚拟样机的建模． 对于底盘系统，由于其构造极为复杂，因此本章中采用基于模版加零部件简化的方式 快速地建立起诸如悬架、转向、传动等子系统，而后将各子系统组装，并根据研究对象设 置系统参数，最终完成该虚拟样机的建模． 以上本章中建立的虚拟样机均根据后续虚拟试验的需要对实际结构进行了一定的简 化，尤其在底盘系统中，对发动机、变速器、差速器、车身进行了大幅简化，仅保留了一 些特定的系统参数，因此可以预见的是，后续虚拟疲劳试验将无法对该动力传动系统以及 车身结构进行分析，这在以后的研究中是需要深入研究的． 此外，对于底盘系统，研究对象的一些参数必须由生产单位根据实测数据确定，然而 许多测试由于成本和时间的原因目前没有完成，因此在本章中的一些参数是根据经验数据 取得，并可能对后续疲劳试验的结果产生不利的影响．

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第五章工作装置虚拟疲劳试验
§５．１引言
如前所述，工程机械工作装置的疲劳是与其工作状况（工况）紧密相连的。对于第四 章中所建立的装载装置而言，其工况可分为典型的工况包括插入、铲装、重载运输、卸载 和空载运输．由于其中对疲劳寿命影响最大的是插入、铲装和卸载工况，因此本章中仅考 虑上述三种基本工况，对其进行仿真，仿真测得的载荷将作为后续疲劳分析的依据． 此外。由于本虚拟样机模型中没有考虑液压系统，因此，本虚拟试验目前仅能对工作 装置中的机械零部件进行试验分析．

§５．２基于虚拟样机的工作装置作业仿真
５．２．１旋加载荷及驱动

装载机完成一次插入——铲装一卸载任务的典型步骤“１如下：
（Ｉ）装载机以ｌ档向料堆前进，动臂下铰接点距地面２００ｒａｍ，铲斗与地面平行； （２）距料堆前ｌｍ，下降动臂使铲斗底接地，切近料堆； （３）加大油门使铲斗全力切近料堆，当阻力很大时，采用配合铲装法，即同时间断 地操纵铲斗上转及动臂上升，以达到装满斗为止； （４）将动臂升到需要的高度，使铲斗翻转开始卸载，当物料粘积铲斗时，可采用铲 斗弹振的方法使物料脱落；
．

（５）卸载完毕后，动臂和铲斗快速恢复到初始状态，准备第二个作业循环． 如４．２节所述，由于模型是。固定”在一个虚拟基座之上（参见图４－４），上述步骤ｌ、 ２中的靠近物料的操作将无法模拟。但是由于疲劳试验仅对工作载荷感兴趣，因此只要模 拟出机构运动时相应的物料阻力。同样能够保证工况仿真的准确性． 在ＡＤＡＭＳ环境中，使用Ｓｔｅｐ函数来精确控制动臂油缸与转斗油缸的运动，其函数语 句如下所示： 动臂油缸：

ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０…０ １ １５）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０．１，ｏ，３．１，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，３．１…０ ４?１５卜ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，４…０ ７ ６５，０ｙ｝ｓｔ
ｅｐ（ｔｉｍｅ，７．６５，ｏ，７．７，１０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．７＇Ｏ＇７．８，－２０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．８，ｏ，７．９，２０卜ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．９，０，８，－１０）＋ｓｔ

ｅｐ（ｔｉｍｅ，８，０，８．１，－２２．５）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，８．１，０，１０．３，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，１０．３５，０，１０．５，２２．５） 转斗油缸： ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，１０，３．０，－５）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，３，０Ａ，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，４，ｑ，５，－２）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，５，０，７．２，０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍ
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，

ｅ，７．２，０，７．７，２０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７．７，０，７．８，－３０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７…８ ０ ７．９，３０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，７…９ ０ ８，－３０）＋ｓｔｅ仪ｔｉｍｅ ，８，０，８．１，３０）＋ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，８．１…０ ８ ２，－２．２）
由于该工作装置为双臂并行机构，且有效自由度为２，故仅需单侧两油缸施加上述运 动即可完成全部工况的运动仿真．但事实上，单侧驱动会造成该虚拟样机中旋转副上由于 加载不平衡而产生的不真实的轴向载荷，因此，上述运动将同时驱动双侧油缸。两油缸的 行程如图铲１所示。

（ａ）动臂油缸 图５－ｌ油缸行程

（ｂ）转斗油缸

图５－ｌ中７．５至８．２秒处的波动表示动臂与摇杆弹振，该动作产生的冲击将对工作装 置疲劳寿命产生较大的影响。 如图５－２所示，工作装置在完成插入、铲装作业时所受的载荷有插入阻力Ｆ－、铲取阻 力Ｆ．、物料重力Ｇ。以及各零部件自身的重力Ｇ。。由于铲斗的插入和铲装是顺序进行的（此 处不考虑配合铲装的情况），插入阻力和铲取阻力也依次达到最大值，物料重力则在铲取开 始阶段达到最大值，各构件的自重则不发生变化．在ＡＤＡＭＳ环境下，零件自重可由系统 自动算出，Ｆ－和‘则需要依据设计时铲斗最大容量、额定载荷、最大牵引力、变矩系数等 参数要求，在ＡＤＡＭＳ中进行模拟．在此同样使用函数来描述各载荷的变化历程，如图５－３ 所示．

图５－２工作装置受力示意图

第４ｌ页

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图５－３载荷历程

如图５－３所示，根据４．２．１小节中该装载装置的设计要求，仿真时尽量选取最为苛刻 的载荷条件：插入阻力Ｆｍ依据最苛刻条件，即该工作装置下动力系统能提供的最大牵引力 ６０千牛，但该阻力作用时间非常有限；铲取阻力的初始值与最大物料重力Ｇ。相同，３０千 牛，作用时间随着铲取工作接近尾声而逐渐减小；在铲取阻力开始下降时，物料重力逐渐 增加，最终达到最大值３０千牛并维持至卸载工作开始，随后分段减小至０。 ５．２．２系统的仿真与分析 在对原模型施加运动和载荷后，即可在ＡＤＡＭＳ下运行动力学仿真．设置仿真时间１０．６ 秒，仿真步数为２００。仿真过程如下：

（ｂ）

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（ｃ）

Ｃｄ） ａ举升ｂ卸载ｃ弹振ｄ复位 图５—４仿真过程

５．２．３载荷历程获取与输出 在动力学仿真结束后，使用ＡＤＡＭＳ可以方便地测量出各旋转副在仿真过程的载荷历 程．该历程可以近似地认为旋转副连接的两零部件在该处所受到的载荷历程。 以动臂为例，与其相连共有５个旋转副，如图５－５所示。

图５－５与动臂关联的旋转副

对上列五个旋转副分别建立Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的测量（Ｍｅａｓｕｒｅ），测量其所受载荷的变 化历程如下；

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第４３页

注；图中第ｉ行为图３ｌ中相应第ｉ个旋转副ｘ，Ｙ，ｚ向载荷历程
。

丽五习抠口 国珂四 凰亚口乏口 幻亚］弦口
国防科学技术大学研究生院学位论文 图５咱旋转副载荷历程

在获得上述载荷历程之后，可以将其输出为载荷谱文件（．ＤＡｃ），供后续疲劳分析使
用．

§５．３工作装置虚拟疲劳分析
在完成工作装置的动力学仿真，获得其各零件的载荷历程后。即可将该历程用于虚拟 疲劳试验。如第三章所述，工作装置的虚拟疲劳试验是基于零部件的有限元静力学分析的． 以下本文将以上述装载装置中的动臂为分析对象。通过对其有限元静力学分析和材料疲劳 属性的定义，由上节中已得到的载荷谱（时域历程）完成对其的虚拟疲劳试验。 ５．３．１零部件的有限元建模 如４．２．２节所示，使用ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式文件可方便地将ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ中建立的零部件模型 导入ＡＤＡＭＳ之中。同样，ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ同样亦能够很好地兼容该种格式的零件模型．与 ＡＤＡＭＳ中建模时导入装载装置整体装配模型类似，在本节中将该装载装置的动臂零件模 型单独导入Ｐａｔｒａｎ之中． 导入完成之后，在Ｐａｔｒａｎ中对该三维设计模型进行网格划分操作．使用四面体网格对
第“页

国ｌ疗科学技术大学研究生院学位论文

该零件进行自动网格划分，划分后的零件模型共有３６４３个四面体单元，６６９２个节点。此 外，还需在动臂与其它零件联结孔处（如图５－５所示）建立了五个多点约束（ＭＰＣ），将 孔周围的点与孔中心的新建立的节点固联，方便后续载荷的施加以及更接近零件实际受力 状况．划分网格及添加多点约束后的动臂有限元模型如图５－７所示。。

图５—７动臂有限元模型

５．３．２加载事件建立与材料设置 由于在５．２节中，动力学仿真所得载荷历程是按照每个旋转副安装孔处的三个Ｘ、Ｙ、 ｚ向分别输出的．以此，在有限元静力学分析时就需要对各个载荷历程分别建立加载事件
（Ｌｏａｄ

Ｃａｓｅ）．又由于后续疲劳分析需要得到该动臂在单位载荷作用下的应力、应变信息，

以此对上述建立的每个加载事件里仅包含有一个方向上的一个单位载荷（大小为ｌ牛顿的 载荷）。 零件的材料属性在本次静力学试验中可参照一般各项同性钢材的物理属性，设置密度 为７．８ｅ－－６千克，立方毫米，弹性模量为２ｅ５兆帕以及泊松比为Ｏ．３３。由于上节中在每个ＭＰＣ 上仍有一个新建的点单元，且该点单元对静力学分析并无意义，则将该点单元的各项属性 均设置为０即可。 ５．３３静力学求解 在Ｐａｔｒａｎ中调用Ｎａｓｔｒａｎ对所有１５个加载事件运行一次静力学求解，即可得到每个事 件下相应各单位力作用在该零件上的应力和应变情况。并且该结果可在Ｐａａ＇ａｎ中以图形化 的形式直观地显示出来．列举其中４个静力学分析结果如下：
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旋转副ＩＸ向

旋转副３Ｙ向

旋转副４Ｘ向

旋转副２Ｚ向

图５－８静力学分析结果（部分）

５．３．４疲劳载荷谱输入与材料疲劳属性设置 在Ｐａｔｒａｎ中启动ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ软件，开始准备进行疲劳分析。 在经过上小节中叙述的静力学分析后，即可将５．２．３小节中获得的１５个加载通道上的 载荷历程（已保存为ＤＡＣ格式）导入Ｆａｔｉｇｕｅ中。与５．３．２小节中建立的１５个加载事件一 一对应．导入后的载荷历程和其与加载事件的对应关系分别参见图５－ｌＯ、５－９。
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图５．９载荷历程与加载事件的对应关系图
第４６页

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５—１０

Ｆａｔｉｇｕｅ中导入的载荷历程

在Ｍｓｃ．Ｆａｔｉｇｌｌｃ中设置该动臂材料为１６Ｍｎ，查得出该材料的疲劳属性（ｓ－Ｎ曲线）“”如 图５－１１所示．

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图５－ｌｌ Ｍｎｌ６的Ｓ－Ｎ曲线
第４７页

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５．３．５疲劳寿命预测与结果分析 在上述载荷和材料属性已设置的情况下，在Ｆａｔｉｇｕｅ中运行全寿命分析（Ｓ－Ｎ分析）， 得到的动臂疲劳寿命预测结果如图５－１２所示．

图５．１２疲劳寿命分析结果

参照一般工程机械结构件可靠性设计要求，该零件应在工程机械的全寿命周期内（１０ 至２０年）不允许发生失效．由图５－１２得到的结果可以看出，该动臂的疲劳危险区分布于 各联结孔处、前臂中后段以及后臂的后段，最小寿命为３１７００次循环。考虑到基于ＡＤＡＭＳ 动力学仿真获得载荷的真实程度以及有限元分析的精度，该分析结果在此虽不能作为该设 计方案的定量评判依据，不过由于该寿命结果显示其距离要求的寿命（远大于１０６次循环） 仍有相当的差距，因此据此分析结果可以定性地判断出此设计方案需要做进一步修改，对 该动臂进行加强，以满足疲劳寿命使用要求。并且该结果给出了应加强的部位．

§５．４本章小结
通过对第四章中建立的装载装置进行试验分析，详细介绍了工程机械工作装置基于虚 拟样机动力学仿真，有限元静力学分析等方法的虚拟疲劳试验的具体步骤： １）通过将第四章中建立的工作装置虚拟样机模型按照实际机构运行工况赋予约束关 系、驱动和载荷之后，即可在ＡＤＡＭＳ中逼真地再现该机构中各主要零部件在完成

一个铲——装——卸的工作循环时所经历的载荷历程，作为疲劳分析的一个加载
循环；

２）利用有限元静力学分析，得到了工作装置上某零件在受单位载荷下的应力应变信
息；

３）结合该应力应变信息、载荷历程以及材料的疲劳特性：即可对该零部件的疲劳寿 命以及疲劳危险位置分布进行预测，完成虚拟疲劳试验． 通过该虚拟疲劳试验，可以使设计人员在设计之初快速获得工作装置各主要机械零部 件的预测疲劳寿命，为工程机械工作装置的可靠性设计提供高速而有效的参考．
第４８页

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第六章底盘系统虚拟疲劳试验
§６．１引言
由第三章中分析可知，工程车辆底盘系统由于特殊的工作环境，其各部分零部件的疲 劳模式和产生机理与工作装置中零部件的不尽相同．因此，本章中的虚拟试验与前一章所 述的虚拟疲劳试验亦有所不同．对底盘系统零部件的虚拟疲劳测试采用的是类似模拟试验 中振动疲劳试验的方法． 在第四章中，基于各自系统模版建立了某高速轮式多用工程车的底盘系统的虚拟样 机，在本章中，即以该样机为研究对象，通过在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ环境中对其进行虚拟道路行 驶试验，获取其载荷历程，进而对其进行虚拟疲劳试验，预测其疲劳寿命。 这里值得注意的是，上述“载荷”历程并不等同于第五章中的载荷历程。这是由于目 前虚拟样机的基于刚体动力学的求解在面对诸如虚拟道路试验这类与振动有关的仿真时， 并不能得到像第五章中那样令人满意的结果．因此，本章中在对第四章所建立的底盘系统 虚拟样机进行仿真之前，需要将其中的一些零部件进行柔性化处理，使得后续的虚拟道路 行驶试验所得到的“载荷”，实际上是基于柔性刚体动力学解算得到的“模态位移”历程． 在获得了模态位移历程之后，通过应用模态应力恢复（Ｍｏｄａｌ 理论，由零件的模态节点应力（Ｍｏｄａｌ 图６－ｌ所示。
Ｎｏｄｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ

ＭＳＲ）

Ｓｌｒｅｓｓ）精确复现了底盘系统在虚拟路面上行

驶时其上零部件所承受的载荷历程。并最终将之应用于虚拟疲劳分析．具体的试验流程如

图６－１

底盘系统虚拟疲劳试验流程
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１）零部件的有限元模态分析与柔性体建模； ２）基于柔性多体动力学的虚拟道路行驶试验； ３）基于模态应力恢复的虚拟疲劳分析． 以下本章将对以上三个步骤逐一详细阐述．，

§６．２底盘系统零部件的有限元模态分析与柔性体建模
虽然在第四章中建立的底盘系统虚拟样机中，已对其中的零部件进行了大幅度的精简 和抽象，但其零件数量仍有５７个之多．由于本章仅用于说明虚拟试验的具体实现过程， 因此在本次虚拟疲劳试验中，仅选择了底盘系统中前悬架中的底端控制臂（Ｌｏｗｅｒ
Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ａｒｍ ＬｃＡ）作为试验分析的对象。该零件在工程机械行驶时主要承受因路面不平造成的车

轮和减震器垂向运动所施加的交变载荷，其疲劳破坏特点在底盘零部件中具有一定的典型 性。在以下各试验步骤中，也是围绕着该ＬＣＡ展开的． ６．２．１零件的有限元建模 参照５．３．１小结中的内容，ＬＣＡ的有限元模型同样采用ＰａｒａＳｏｌｉｄ格式从三维设计软件

中导入到Ｐａ胁中进行网格划分等有限元处理．其ＣＡＤ模型和划分网格后的模型如图６＿２、
６＿３所示。

图６屯ＣＡＤ模型

图６－３有限元模型

该模型共与５．３．１小节中相同采用四面体单元进行自动网格划分，共有１３５１２个节点、 ５７２７１个四面体单元和４个ＭＰＣ（图６—３中灰色部分）．其中ＭＰＣ同样为有限元模型与刚 体模型的接口。与５．３．１小节不同的是，在此划分网格和添加ＭＰＣ后的模型上还需在全部 ＭＰＣ的独立节点上建立一个超单元（ＳｕｐｅｒＥｌｅｍｃｎｔ），作为模态扩展的接口。 考虑到该ＬｃＡ所使用材料的基本属性如密度、弹性模量亦与５．３．１中区别甚微，则其
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材料属性的设置亦参照了５．３．１小节中的设置参数。 ６．２．２自由模态分析与柔性体文件生成 由４．１．２小节中介绍的公式４．４、禾５可知，在ＡＤＡＭＳ柔性多体动力学求解是基于模 态坐标的．这里对于本虚拟疲劳试验来说尤为重要的是，这里所说的模态，是指分析对象 的自由模态。所谓自由模态是指分析对象（对于本节内容，即指ＬＣＡ）在无约束条件下所 解算出的模态，反映的是分析对象的固有属性。这就为本节中的有限元模态分析带来了极 大的便利。这是因为在此完全不用考虑有限元模型的边界条件，在Ｐａｔｒａｎ环境下直接调用 Ｎａｓｔｒａｎ对其进行模态分析即可。 虽然事实上对零件应力影响最大的是被称为“主要模态”的前几阶固有模态，但在本 节中为了更加严密起见，使用Ｎａｓｗａｎ分析了ＬＣＡ前２０阶自由模态．模态分析的结果见
表６．１．

：襄６－１模态分析结集
阶数
ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ｌｌ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２０
４

频率肫
３．７２Ｂ．３ ２．９２王－３

模态振形描述
整体沿叉前臂平移 整体以叉前臂为轴旋转 整体以减震器安装孔轴心为轴旋转 整体以交叉点横向为轴旋转 整体以减震器安装孔到叉前臂安装孔为轴旋转 整体以叉前臂安装孔垂向为轴旋转 前后叉臂安装端纵向相对扭曲 前后叉臂联结端纵向相对扭曲 前后叉臂纵向同向扭曲 整体垂向扭曲 前后叉臂安装孔处垂向相对扭曲 前后叉臂安装孔处垂向同向扭曲 前后叉臂安装孔处纵向相对扭曲 前叉臂垂向扭曲 后叉臂垂向扭曲 后叉臂及减震器安装处纵向扭曲

２．２ｌＢ３
１．１８Ｂ．３ ９．１７８４ ５．０６Ｅ－４ ３８３．９ ６５６．２ ８４９．５ ９２８．７ １３０１．９ １６５７５ ２２０６．４ ２３２５．４ ２５７５．６ ２７２３．４ ３２６３．２ ３４８２．８ ３９９５．２

减震器安装臂垂向扭曲 减震器安装处局部纵向变形 整体以减震器安装孔垂向为轴同向扭曲
前后叉臂联结端局部垂向扭曲

４１０２．７

在表ｌ中，前六阶模态结果为零件的刚体模态（主频率约为Ｏ），反应了模型作为刚体 的位移情况，对模态应力恢复不产生影响，因此后续分析将忽略此六阶模态。并且由上述 模态分析结果中可以看出，前２０阶模态已涵盖了该零件从刚体模态到局部模态的各种模 态类型，这意味着此２０阶模态对后续模态应力恢复操作已含有足够多的模态阶数．
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由于事先设置，可使Ｎａｔｒａｎ在完成模态分析的同时生成该零件的模态中性文件（Ｍｏｄａｌ
Ｎｅｕｔｒａｌ Ｆｉｌｅ

ＭＮＦ），该文件保存了零件的网格化的模型和其模态分析结果等信息。

６．２．３柔性体零件导入 上一小节中最后生成的ＬＣＡ的ＭＮＦ文件可以由ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ导入原有刚体底盘系统 虚拟样机替换原有ＬＣＡ的刚体模型．替换时，可由零件的柔性体（有限元）模型与原有 刚体模型外形相同，则可以使用质心匹配快速将柔性体模型定位，需要注意的是，在零件 替换时需要将有限元中ＭＰＣ的独立点（亦为超单元）与原有刚体零件中与其他零件连接 的约束副的Ｍａｒｋｅｒ点一一对应，以保证在柔性体零件导入后对原有刚体虚拟样机的结构并 不产生影响。 ＬＣＡ柔性体零件导入后，可以在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ中快速测览其中所包涵的模态信息，在 此列举其中第ｌ，７，１３，１９阶模态振型如下．

（ａ）

（ｂ）

（ｃ） ａ第１阶ｂ第７阶ｃ第１３阶ｄ第１９阶

（ｄ）

图６－４町文件中记录的各阶振型

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§６．３路面建模与行驶仿真
一当柔性体零件模型导入替换完毕后，原有刚体虚拟样机即成为刚柔体混合模型．接下 来就可以对该样机进行虚拟道路行驶试验，此时对于ＬＣＡ，ＡＤＡＭＳ采用了柔性多体动力 学的求解方法，对于底盘的其它零部件仍然使用刚体动力学的求解方法进行求解。 ６．３．１路面谱输入 由于ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ允许使用多种方法输入标准或用户自己建立的路面模型．本节中参 照３．３．１小节中的方法，使用路面文件（Ｒｏａｄ ＧＢ标准路面．其文件内容如图６－５所示：
ｔｍｌ＿Ｋ１１ｍｅ］ ＦｉｔＥ－Ｔｔｎ－‘ｒ¨‘
ＦＩＬＥ＿ＵＥｌｌ５１１１Ｈ?５．●●

Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ

Ｆｉｌｅ）的指令文件快速地生成

ＦＩＬＥ—ＦＯＲＩＮＴ－。１１ＥＣＩＩ’
‘ＣＯＨＨＥｎＴｓ）

（ｃＥｍｅｎｔ＿ｓｔｒｉｎｇ） ’ｓｔ＿ｃｈａｓｔＩ‘ｓｔｙｌ●ｒｎｕｌ４●ｅｓｃｒＩ●ｔＩ＿‘
［１１ＭＩＴＥ］
ｌ■ｓ‘ ＬＥＮＧＴＨ ＴＩ●Ｅ 一。ｋｇ’

ｌ—————－－—－——————－－——－——————?－———－—－———————－－－－－——－———————?——－－———－—————ｑＨＩＴＳ

０…———————————————————————Ｐ●聃●ＥＴＥＲｓ
－’ｓｅｃ。

－’＿‘

ＩＩＨＥＬＥ
ＦＯＲＣＥ

－’■ｅｇｒｅｅ‘

０————————————————————————————??————————————————————————?—————ｍ●ＥＬ
Ｉｒａ）ＥＬ］ ＨＥＴＨｌｌＤ
－‘２１１‘ ＦＵＨＣＴＩＩＩＮ ｌｉｔＨＥ １１１１１１●．．ＩＹＰＥ －。１１ＲＣｌｌｌｒｌ‘

?。●ｍ■¨■。

－‘ｓｔｅｃｈａｓｔｉｃ＿ｕｎｅｗｎ。
．●

。

【＂Ｐ１１ＦｓＥＴｌｌｌｌＨＥⅫ１
ｌＵ

Ｒ１１ＴＲＴＩＯＨ＿ＩｔＨＥＬＥ ｌ
ＩＨＴＥＨＳＩＴ’ ｐ１１ＴＮ＿Ｃ１１ＨＳＴ●ＨＴ ＣＯＲＲＥＬＥＴ｜ＯＨ＿１１Ｌ １１Ｔ１１■Ｔ

ｚｆ．ＰＬ４ＨＥ－１１１１ ?１．ＩＩ
－ ?

●．０８８

＇●●●●¨

?●．●

－１一●

图６＿５ ＲＤＦ文件

上图中路面文件的结构是ＡＳＣⅡ格式的文本文件．分为头、单位、模型和参数四个模

块。其中参数模块中的ＤｒｒＤＩｓｒｒＹ一、厢函ｉ面磊，ＭｅａｎＶａｌｕｅ为按道路级另Ⅱ从表３－ｌ中ＩＳＯ
８６０８（ＧＢ７０３１．８６）选择空问功率谱密度的平均值，这里的０．００８表示路面等级为Ｄ级标
准路面．Ｐａｔｈ

Ｃｏｎｓ磕ｔ表示道路的长度（单位在ＵＮＩＴ模块中设置为“ｒｅ．ｎ１”），这里１００００００

表示路面长度为］Ｋｍ。ＣＯＲＲＥＬＡＴＩＯＮ＿ＲＬ为左右轮辙相关系数，在Ｏ～ｌ之间，０表示 不相关，ｌ表示完全相同，这里取０．８．ＭＵ为道路与轮胎摩擦系数修正比，实际摩擦系数 是二者的乘积，这里取默认值１． 上述路面文件即表示一段左右相关系数为０．８的长达Ｉ公里的Ｄ级标准路面． ６．３．２虚拟道路行驶控制与仿真 在建立了“路面”的基础上，要使已建立的底盘系统虚拟样机在该路面上行驶，ＡＤＡＭＳ
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还需要驾驶控制文件（Ｄｒｉｖｅ

Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｉｌｅ

ＤＣＦ）来控制虚拟样机的行驶操作．ＤＣＦ文件中

可以控制已有底盘虚拟样机的转向、发动机转速、档位、离合器开闭等，可以全面地模拟 真实条件下驾驶者对车辆的控制情况．由于本试验仅需要使该虚拟样机以一定的速度在 ６．３．１小节中所建立的“路面”上“行驶”一段距离即可．因此只需要在ＤＣＦ中添加以下 指令：
。

玳ＩＴＬＡＬ

ＳＰＥＥＤ

＝ｌＩ．１１１１１１

（ＥＮＤ＿ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ）
｛ｍｅ豁ｕｒｅ
ｔｅｓｔ

ｖａｌｕｅ １０００

ａｌｌｏｗｅｄ＿ｅｒｒｏｒ ｆｉｌｔｅｒ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ＿ｔｉｍｅ １．０ ０．０ ０．０

ｇｒｏｕｐ｝

吼ｓ．Ｉ－ＡＮＣＥｔ ｋｄ

其中，ＩＮＩＴＲＡＬ ＳＰＥＥＤ指定了行驶的初速度为１１．１ｌｌｌｌｌｌｍ／ｓ，即４０Ｋｍ／ｈ．
ＥＮＤ

ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ后的语句表示了当行驶距离达到１０００ｍ时停止仿真．

选择上述建立的ＲＤＦ文件和ＤＣＦ文件，在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ环境下运行整车仿真中的文 件驱动的仿真，即完成了对该虚拟样机的虚拟道路行驶试验． ６．３．３模态位移输出 虚拟道路行驶试验结束后，柔性体ＬＣＡ零件的各阶模态位移历程被记录了下来，通 过ＡＤＡＭＳ／Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ模块，可以直接将该模态位移历程输出为Ｆａｔｉｇｕｅ可识别的ＤＡＣ文 件。供后续疲劳分析使用。ＤＡＣ文件的数量与事先输入的ＭＮＦ所含模态数目相同．

§６．４基于模态应力恢复的疲劳分析
６．４．１模态应力恢复与材料设置 所谓模态应力恢复，是指当有限元（柔性体）模型的第ｆ阶固有圆频率ｑ、振型矢量｛谚｝ 已由前述自由模态分析得到、模态位移面已由上小节中的动力学仿真得到的前提下，在 Ｆａｔｉｇｕｅ中，使用以下公式求得有限元模型上的各节点的模态应力（Ｍｏｄａｌ Ｓｔｒｅｓｓ）（ｏ｝和反 作用力（Ｒｅａｃｔｉｏｎ）Ｆ，作为疲劳分析的输入载荷： 模态应力：

｛ｏ）＝斜Ｅ，】

（６．１）

式中【Ｅ，】为模态应力矩阵，矩阵中各元素的值与材料弹性模量、泊松比有关，由有限 元模型决定． 模态反作用力： Ｆ＝ＫＵ一石２ＭＵ（６－２）

式中Ｋ、Ｍ为有限元模态分析时的刚度和质量矩阵．面为各阶模态圆频率的矢量表达，

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面为基于下式计算出的节点位移（失量形式）．
Ｊ

，

ｕ＝∑｛谚｝西。（６－３）
式（６－３）中Ｑ为第ｆ阶模态位移，为一无单位标量，｛谚）模态振型矢量，由Ｎａｓｔｒａｎ 模态分析获得．该式表示在一个线性弹性结构（绝大多数金属零件在承受工作载荷时均属 于线弹结构）在自由或强迫振动下振动时，其在任意时刻的振动形状是所有模态的线性组
合．

又由于丕是由有限元文件生成的柔性体文件跟随整车虚拟样机经过虚拟道路行驶试 验得到的随时间变化的矢量集（矢量的个数取决于仿真时间内的采样点数）面（ｔ），因此由 （６－１）、（６－２）式即可得到节点模态载荷历程盯（ｔ）与Ｆ（ｔ），用于零部件的疲劳分析． 在本次试验中，由于在模态分析中计算了ＬＣＡ的前２０阶自由模态，由式（６－１）、（６－２）、

（６－３）可知，要进行模态应力恢复，必须在Ｆａｔｉｇｕｅ中将模态分析结果与虚拟道路行驶试
验输出的模态位移（历程）按照模态的阶次一一对应起来，如图６－６所示：

图６－６模态位移历程对应

在Ｆａｔｉｇｕｅ中，还可以方便地浏览ＤＡＣ文件中保存的各阶模态位移，图６－７所示为其
。

中第７，ｌＯ，１３，１６。１９阶模态位移历程．

注ｌ依次为第７’１０，１３．１６．１９阶

图６－７ ＤＡＣ文件中记录的模态位移历程

本次试验对象ＬＣＡ的材料选材料类型为优质碳素结构钢５５（ＧＢ６９９．８８）嘲，对应的ＳＡＥ

牌号为ｓＡＥｌ０５５，在Ｆａｔｉｇｕｅｑ氆＿择该牌号材料，绘制该材料的ｓ－Ｎ曲线如图６－８所示：
．

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图６－８ ＳＡＥｌ０５５的Ｓ－Ｎ曲线

６．４．２疲劳安全系数预测与结果分析 完成上述模态应力恢复和材料疲劳属性设置等工作后，对于该ＬＣＡ，参照ＧＪｌ３２２０１８４ 对于“军用工程机械可靠性鉴定和验收试验”中的规定“１，在设置预想寿命为１０万公里、 置信度９０％的情况下，运行安全系数分析，分析结果如图６－９所示：

图６－９ １０万公里寿命安全系数分布

分析结果显示，最危险处寿命安全系数为１．２２，危险部位分布于ＬＣＡ底面部分与减 震器安装架周围，且前臂比后臂更容易发生疲劳破坏． 根据上述结果中安全系数可知预计最小疲劳寿命约为１２．２万公里，对于该轮式多用工 程车而言，足以满足可靠性鉴定试验时间中关子行驶１０００小时的要求，与目前的试验结 果吻合．由于前述虚拟道路为Ｄ级路面，优于通常工程机械工作所处的恶劣环境，因此该 分析结果偏于乐观，在进一步做更为苛刻的可靠性鉴定试验之前，并不能作为定量的评判 依据．但在此可以确定的是，该结果在量级上与一般通用汽车零件的疲劳寿命分析结果一 致，疲劳危险部位也与该零件的受力特点相符，因此可以认为该结果已能够供轮式多用工 程车底盘预估零部件疲劳寿命所使用，证明了该试验方法的可行性和一定意义上的有效
性。

§６．５本章小结
本章通对第四章中建立的轮式多用工程车底盘系统进行试验分析，详细介绍了工程机
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械底盘系统基于虚拟样机动力学仿真、有限元模态分析、模态应力恢复等方法的虚拟疲劳
’

试验方法．

该试验方法使用基于构件模态综合的模态应力恢复算法，零部件有限元建模时无需施 加约束条件，动力学仿真时保留原有刚体的连接方式，无需考虑加载通道，排除了加载位 置和方式对后续虚拟疲劳试验结果的影响。 该试验使多体动力学分析与有限元分析充分结合，在工程机械设计企业已经建立合适 的底盘系统虚拟样机的前提下，该方法使得设计人员可以快速地评估其车上各零部件的疲 劳寿命，能够大幅提高汽车研发效率和新产品的可靠性．

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第七章全文总结

§７．１完成的工作
本文在对现有疲劳预测理论、虚拟样机以及虚拟试验技术的发展现状进行全面的分析 总结的基础上，针对目前军用工程机械可靠性试验周期长、费用高、结果分散性大等固有 缺陷，提出了利用计算机集成仿真技术开展军用工机械虚拟可靠性疲劳试验的思想．通过 对现有虚拟样机、有限元分析，疲劳分析软件的综合评价和对比，对实现该虚拟疲劳试验 需要解决的关键技术一一进行了剖析，提出了各关键技术的解决方案．具体说来，本文完 成了以下几个方面的工作： （１）通过对工程机械的整体构成与工作特点进行细致研究，得出了将工程机械分为 工作装置与底盘两部分分开建立虚拟样机模型的结论．而后，经过对现有虚拟样机建模软 件进行了认真的比较与分析，选择舢）ＡＭＳ／Ｖｉｅｗ、ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ两个模块分别用于对工作 装置和底盘系统建模． （２）通过总结工作装置与底盘系统内零部件工作应力特点与疲劳发生类型，提出了

对前述两系统分别进行不同类型的虚拟疲劳试验的观点——对工作装置进行结构疲劳试
验，对底盘进行振动疲劳试验．进而，结合现有软件仿真分析环境，疲劳分析理论，以ＰａＷａｎ、 Ｎａｔｒａｎ、Ｆａｔｉｇｕｅ等软件为分析工具，得出了利用已有虚拟样机模型进行作业仿真获取两种． 虚拟试验各自所需载荷谱的方法，并设计了相应的试验流程．最后将两种试验与现有军用 工程机械可靠性试验相关理论与操作规范相结合，＋得到了军用工程机械虚拟疲劳试验系 统． （３）将上述虚拟疲劳试验系统分别应用于某装载装置与高速轮式工程机械底盘系统， 在其各自虚拟样机上分别进行了典型工况仿真与虚拟道路行驶试验，获得了各自时域和模 态载荷历程，进而对两系统中的零部件分别进行了基于时域载荷与模态应力的疲劳分析， 取得了满意的疲劳分析结果，验证了上述试验系统的有效性．

§７．２课题创新点
由于应用于工程机械的虚拟样机以及虚拟疲劳试验技术起步相对较晚，特别是在国内 几乎无人涉及．因此，在国外技术封锁、国内无相关资料而我军装备发展迫切需要的背景 下开展该课题的研究，即是很好的机遇又是极大地挑战．在有限的研究时间内，本课题取 得了以下几点创新之处： （１）提出了一种工程机械虚拟样机的高效且有实际意义的建模方法．工程机械是一 类特殊的机械，可以理解为安装在简易汽车底盘上的作业装置，两者互相联结但却任务迥
ｆ

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异。况且在事实上，工程机械的生产企业往往也并不生产底盘．本文中创新性地将两者分 开建模，使用相关已有成熟的虚拟样机建模软件及其专用模块建立虚拟样机，可以大幅减 低建模工作的强度，避免了因拘泥于。整车”的概念而花费了大量人力物力从零开始建立 模型。这种方法尤其适用于对于工程机械的作业可靠性、行驶可靠性试验，以及今后的虚 拟安全性试验、作业性能试验等虚拟试验所试对象的虚拟样机建模． （２）创新性地将多体动力学仿真与疲劳试验结合起来．以往的利用计算机进行的疲 劳寿命分析往往是依靠实际样机试验实地采集而得，因此即使利用了计算机，这种依靠物 理样机的疲劳分析成本仍然十分高昂，并且由于采集的载荷谱往往不具有通用性，使得这 种试验找不到一种通用的试验方案以应对种类繁多的工程机械．本文中疲劳试验所使用载 荷谱，无论是时域载荷还是模态位移历程，均由虚拟样机进行虚拟作业试验得到，由于虚 拟样机以及进行的虚拟作业试验均可由人为设计，因此该试验在流程不变的前提下，可以 用于多种试验对象，克服了原有使用物理样机采谱成本高、可重用性差的缺点。 （３）将三维设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析等软件综合运用，集成化地建立了 虚拟疲劳试验系统。本文中进行的虚拟疲劳试验，所 使用的软件除ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ以外，均为ＭＳＣ系列软件． 各软件间的数据（文件）交换如图７．１所示：ＭＳＣ 系列软件问的文件交换均使用ＭＳＣ默认的格式完 成，当ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ需要与ＭＳＣ系列软件交换数据（例 如零件设计模型导入ＡＤＡＭＳ）时，使用的是 ＰａｒａＳｏｌｉｄ这种标准数据交换格式．所有以上措施， 为的是最大程度地避免不同软件间数据传递时发生 的数据丢失现象，排除人为因素干扰，尽可能地减少 了由于软件兼容或人为操作失误所带来的试验误差． 更为重要的是，这种众多软件问的数据交换方式不仅适合虚拟疲劳试验，还可适用于其它 多种虚拟试验．
：

图７－１文件交换

§７．３不足与展望
虽然本课题取得了上述创新，但毕竟是开拓性地研究，加之时间有限，使得本课题在 解决了一些实现军用工程机械虚拟疲劳试验所面临的问题的同时，仍留下了许多问题有待 进一步研究．此外，本文中所述的试验方法也有一些不尽如人意的地方。总体而言，有以 下几个方面存在着不足和缺陷有待进一步的研究并加以解决：
’

（１）由于本试验使用的线性累积损伤理论仅能用于对金属零部件的高周疲劳得出理 想的预测结果．这就极大地限制了本疲劳试验的应用范围．尤其是对于工程机械这种机一

电一液一体化的系统，液压系统的故障率往往高于机械结构部分．因此。在将来的研究工
作中，针对液压系统的虚拟疲劳试验理论与方法是非常值得考虑的问题．

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（２）由于建模软件的限制，本试验所使用的某高速轮式多用工程车底盘系统虚拟样 机是经过了大幅简化的模型，该模型没有反映出传动链上以及车身部分零部件的具体结 构，导致后续的疲劳试验亦无从对其进行分析，影响了目前虚拟疲劳试验的精度和考核范 围．在以后的研究中，可以在工程机械底盘系统的虚拟样机建模上多加研究，开发出符合 工程机械底盘结构特点的建模模版． （３）在对底盘系统进行虚拟道路行驶试验时，本文中所使用的是标准路面谱，这种 做法与实车试验时采用不同苛刻路面配比进行试验的做法差别较大，使本文中该试验的试 验结果偏于乐观．如何在计算机中再现各种复杂路面的路面铺以及在虚拟试验中采用怎样 的炉型配比是亟待解决的问题。 （４）本文中对军用工程机械的两大部分分别建模并进行试验，这样虽然加快了建模 以及试验速度，简化了建模操作，使得分析能够更多地关注于感兴趣的部位．但这种完全 忽略两者之间影响的做法显然是不符合实际情况的．在实际作业中，两系统之间是互相影 响的，但如何考虑这种影响对零部件疲劳的作用，也是下一步研究值得关注的．
．

总之，由于虚拟疲劳试验相比以往的各种实装试验有着不可比拟的优越性，必将是目 前和将来各大工程机械生产厂家和研究机构研究的焦点，是未来工程机械设计试验的发展 趋势．然而目前此项技术尚处于起步阶段，要使虚拟疲劳试验能够在工程机械领域得到广 泛的应用，仍需要付出许多的努力．

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致谢
经过两年有余的学习，本人在硕士阶段的研究将要告一段落．在两年多的时间里，我 的导师尚建忠教授从选择基础课程一直到本论文的修改，无不花费了大量的心血把我一步 步地领进了学术研究的殿堂．尚老师平易近人的工作作风，规格严格的治学态度，给我留 下了极其深刻的印象，从他们那里我不仅学到了科学研究的方法，更学到了做人做事的道 理，使我终生受益．在此，谨对尚建忠教授及家人致以最衷心的感谢！ 同时。在课题研究过程中，得到了本教研室鲁建平讲师，罗自荣讲师及其他老师给予 的热情的指导。本人的同学肖俊军、郭瑜、赵峰亦对我的研究和论文写作有所帮助，在此 对他们表示衷心的感谢。 最后，感谢自己的父母和爱人，感谢他们对自己学习和工作的全力的支持。

作者：丛楠 二００六年十一月

第６ｌ页

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ｏｆｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｎｏｔｃｈｅｄ

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Ｌｉｕ，Ｓａｎｋａｒａｎ

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Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ Ｒａｎｄｏｍ Ｌｏａｄｉｎｇ．ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ａｎｎｕａｌ

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【６ｌ】李端．基于虚拟样机的门座起重机组合臂架系统动力学仿真研究．武汉理工大学硕

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国防科学技术大学研究生院学位论文 １９９１，２２（４）：３ｍ－３５

陈车，卡特彼勒蝉联全球最强机械企业．工程机械与维修，２００６，２：１０７

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国防科学技术大学研究生院学位论文

附录一攻读学位期间发表的论文
［１］丛楠，尚建忠，罗自荣，鲁建平．基于模态应力恢复的汽车零部件虚拟疲劳试验方 法．汽车工程（已录用） 【２】丛楠，尚建忠，鲁建平，孙宏祝．基于虚拟样机的工程机械工作装置虚拟疲劳试验 研究．机械制造（２００７．２） ［３】孙宏祝，尚建忠，丛楠，梁科山．ＶｉｒｔｕａｌＦａｔｉｇｕｅＴｅｓｔ
ＳｙｓｔｅｍａｎｄＩｔｓＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

ｆｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００６

ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（国际会议２００６．１１中国杭州ＥＩ收录）
［４】孙宏祝，陈循，丛楠，尚建忠．军用工程机械虚拟疲劳试验研究．兵工学报（待发 表）

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  本文关键词：军用工程机械虚拟疲劳试验研究，由笔耕文化传播整理发布。