采用LMS多体动力学和耐久性技术设计矿用运输卡车

采用LMS多体动力学和耐久性技术设计矿用运输卡车作者：LMS利勃海尔公司采用LMS公司多体动力学和耐久性技术，设计世界上最大的柴油机电型矿用运输卡车。这个庞然大物能够在承受恶劣的矿山挖掘环境的同时，提供最大的载荷能力。传统的搬运方式与新型利勃海尔大型矿山运输卡车相比黯然失色，并且，其运输能力也相差甚远。世界一流的矿山运输卡车平均负载能力达数百吨，而传统的建筑运输机械仅仅能够承载50吨的重量或更少。世界上最大的露天开采矿，最深处超过600米，这些运输卡车运载超大量的铁矿、铜矿或者金矿、煤炭及其它稀有金属，在平坦或盘旋的粗糙路面上，以每小时64公里的速度行驶。近几年随着商业需求的不断增加，矿产价格也随之上涨，矿山挖掘经营商们也越来越强烈地体会到，需要在新设备上投入大量资金才能够获得更优质的金属矿以及更快地将这些矿石搬运出去，从而获取最大的商业价值。经营商们对柴油机电型矿用卡车极为关注，卡车车轮的驱动由柴油机发电取代了齿轮箱和驱动轴装配的机械动力传动系统驱动。柴油机电型矿用卡车操作方便，并比普通机械卡车性能优越，特别是在陡坡路面上行驶时。此外，柴油机电型矿用卡车成本低，易于维护，因此，利勃海尔公司的矿山运输卡车很好地满足了偏远地区矿山的采矿需求：能够在矿山现场长期运行。近几年，市场对于一流的柴油机电型矿用卡车的需求不断上升，订单量已经达到数十年以来的最高点。利勃海尔矿山设备有限公司——矿山机械行业的全球领军者，在过去的五年内每年的销售额增长达10%到15%。为了保持良好的增长速度，利勃海尔公司最近在维吉尼亚开设了新的工厂。超大型矿山运输卡车利勃海尔的旗舰产品是T282B型柴油机电型矿用卡车，也是目前世界上投产最大的柴油机电型矿用卡车。载荷能力高达363公吨(相当于210多辆小型卡车的总质量)，卡车高7.8米，长15.3米，有六个直径达4米的车轮，由具有3,650马力的大型柴油发动机驱动。“在T282B内操作，就像驾驶一栋两层小楼。”利勃海尔矿山机械公司分析和仿真部经理VladimirPokras博士说。在设计如此巨大的机车时，主要问题之一就是车辆的总重量不能超过其轮胎的承载能力。并且减轻卡车结构的重量可以有效地提高其对货物的承载能力。T282B的质量比其他同类矿山运输车轻12%。这是一项非常有竞争力的优势，因为轻质卡车在空载返回的时能更省油，并且极大地延长了轮胎的寿命。它是能有效节省费用的主要部件，因为每个这种尺寸的轮胎价值好几万美元。利勃海尔通过平行控制臂运动学特性，以及差速传动轮控制系统来降低轮胎磨损。其中差速传动轮控制系统能够在卡车转弯时，自动调整电动机的扭矩和速度世界上使用最多的卡车工程面临的挑战之一是将先进的功能，例如差速轮控制系统，集成在轻质量的卡车中，增强其承受恶劣的矿山运输工作环境的能力。可以想象，这不太容易实现。例如，印度尼西亚的PTKaltimPrima煤矿位于赤道附近，处于偏远雨林的泥泞地带，这里通过使用三十辆T282B卡车来完成运输工作。同样，在内华达州的金矿，智利的铜矿，澳大利亚的煤矿以及南美洲的铁矿现场都能见到利勃海尔卡车的身影。“矿山运输卡车是世界上使用最多的车辆，”Pokras博士说。“在很多矿山，工作人员驾驶卡车快速驶过冰箱大小的巨砾，跨过浴缸尺寸的坑，运输尽可能多的矿石。”在加拿大南部，利勃海尔卡车还行驶在粘土层和积水路面运输油砂——这是一种被形容为“像在垫子上行驶”的地形。油砂是石油的稠状物质，能够经过提炼生成其它可用产品，此外，油砂随着原油价格的上升成为越来越抢手的商品，据估计油砂的储量相当于全世界石油储量的三分之二。在加拿大的阿萨巴斯卡油砂矿山至少有1.7万亿桶石油，那里对利勃海尔卡车的需求不断增长。多体动力学的重要作用考虑到物理样机测试需要工程人员投入数月的工作以及需耗资数百万美元，因此利勃海尔公司主要采用工程分析软件来设计T282B，以在繁重的工作任务下有效地工作。特别是，LMS多体动力学技术能够用于整车仿真，以研究在各种载荷情况下，不同路面的卡车性能，包括加速、制动、转弯、颠簸、比利时路面、陡坡以及随机路面。为了尽早、尽快地优化设计，分析和仿真团队在概念设计阶段的早期创建多体仿真模型，并随着有效数据越来越多，从而进一步修改模型。主要卡车部件和装配的初始几何模型由基本的实体模型进行估算，并组合成刚体模型成为整车的多体仿真模型。然后，从多体仿真模型计算获得的载荷数据可以给结构分析部门，进行有限元分析，计算框架和其他结构部件的强度；各个部门可以重复使用相同的载荷数据，设计车辆液压、悬架、传动系和其它系统。设计统一的整车模型的中心理念通过这种方式，LMS多体动力学仿真是整体仿真的重心，所有主要的零部件和子系统设计都集成于一个统一的整车模型中，”VladimirPokras博士解释说。随着零部件和子系统的设计，工程团队不断更新各个实体和有限元模型。新的数据导入多体模型中，分析和仿真部门也能够在多体模型中添加更多详细的信息，例如强度、阻尼和质量属性。“LMS多体动力学仿真与有限元程序无缝集成，这使得模型更新的过程完全自动化。”Pokras博士指出。“LMS软件能够快速添加细节，与每次从草图开始创建模型相比，这更有利于我们快速创建多体模型，并减少误差。LMS多体仿真解决方案中提供的有限元模型和柔体模型导入功能，是对整车模型进行精确仿真的关键。”整车的主要结构零部件，例如车架和翻斗主体，都创建为柔体模型，可以仿真整车在工况下的变形和扭曲现象。模型中包含了70多种连接，包括橡胶垫架、圆柱和球状轴承、螺栓接合等等。工程师还可以使用很多其他多体单元对车辆模型进行详细的仿真。悬架的减震器由拉压弹簧阻尼单元仿真。以表达式描述的力单元用来表示制动器和电子发动机的扭矩，转向机构和举升机构的驱动力，以及悬架中的弹性力。接触单元可以仿真用于限制导向轮转动的旋转制动，和翻斗主体衬垫。电机、液压泵、油液空气减振支柱、轮胎和其他机械电子元件的力学特性可以通过曲线单元函数表示。了解实际工况“由LMS软件创建的详细多体动力学仿真模型能够以相当高的精度预测各种载荷情况下的车辆性能，”Pokras博士说。“这种方法的特点在于，当虚拟仿真发现存在潜在问题时，我们可以很方便地修改模型，来研究其他涉及方案的可行性。通过这种方式，LMS多体动力学仿真软件能够帮助我们分析不同的解决方案，而这对于物理样机试验样机来说是完全不可能的。”多体动力学仿真方法对于研究轴箱的各种工况来说非常有效，有利于设计出质量更轻，承载能力更强的轴箱。在多次仿真迭代之后，将最终设计的多体载荷数据导入到LMS耐久性模块中，以判定关键结构部件和装配的疲劳寿命，例如框架和轴箱。LMS多体动力学和耐久性两个模块的紧密集成，有利于快速精确地研究疲劳寿命，为工程师提供更多有价值的反馈信息从而设计出质量轻，且能够承受预期工况载荷的零部件，从而避免设计不足或者过设计。开发周期的最后一步是物理样机试验，在产品投产之前，对设计出的产品性能进行验证。领军矿业机械市场“仿真能让工程师更好地洞察零部件、装配以及整车的性能和特性，这是实物样机难以实现的，”利勃海尔公司研发部总经理JanmesWhitfield解释说。他认为，仿真在利勃海尔开发中，已经从一种设计后期的验证工具，逐渐转变为开发早期的设计工具，现在已成为日常工程开发流程中必不可少的工具。“很难想象在不采用仿真技术的情况下开发矿山卡车，同样其它公司也一直在采用此项技术。然而，设计出一种能够引领市场，性能卓越的轻质量卡车，需要采用像LMS耐久性和多体动力学这样的高级软件及工具。只有这样，才能更好地维持我们在市场中的领先地位。”(end)