基于多体动力学的挖掘机履带底盘仿真研究

引言

在现代工程建设、矿山开采、市政工程等众多领域，挖掘机都扮演着至关重要的角色，其作业能力和可靠性直接影响着工程的进度与质量。而履带底盘作为挖掘机的 “腿脚”，是支撑整机重量、实现行走移动以及承受作业载荷的关键部件，其结构设计的合理性与性能的稳定性对挖掘机的整体工作表现起着决定性作用。

一、多体动力学在挖掘机履带底盘仿真中的应用意义

（一）实现复杂工况下的全面性能分析

挖掘机的作业环境复杂多样，可能面临崎岖不平的山地路面、泥泞湿滑的沼泽地带、重载作业的巨大冲击等多种复杂工况。在传统的物理试验中，很难全面精确地模拟这些复杂工况对履带底盘的影响，导致对底盘性能的分析不够深入和全面。而多体动力学通过建立包含履带、支重轮、驱动轮、引导轮、托链轮、下车架等多个部件的详细动力学模型，设定不同的路面参数（如路面形状、摩擦系数等）、载荷条件（如作业时的挖掘力、整机重量分布等）和运动状态（如行驶速度、爬坡转向等），从而全面地模拟履带底盘在各种复杂工况下的运动过程和载荷变化。

（二）有效缩短设计周期并降低研发成本

在履带底盘的设计阶段，需要对多种设计方案进行验证和比较，以筛选出最优的设计方案。传统的设计方法通常需要制造多个物理样机，并进行大量的试验测试，这不仅会消耗大量的材料和资金，而且会使产品的研发周期变得很长。多体动力学仿真技术的应用则改变了这一局面，设计人员可以在计算机虚拟环境中构建不同的履带底盘设计模型，修改模型参数，对不同设计方案进行仿真分析和对比评估。

（三）为结构优化提供科学的理论依据

履带底盘的结构参数（如履带节距、履带板宽度、支重轮踏面直径等）与底盘的各项性能指标（如承载能力、行驶阻力、转向灵活性等）之间存在着复杂的内在联系。要实现履带底盘的结构优化，就必须分析这些参数对性能的影响规律。多体动力学仿真能够通过 DOE 分析，揭示各结构参数与性能指标之间的关系。

二、基于多体动力学的挖掘机履带底盘仿真关键技术与问题

（一）动力学模型的准确性

构建精准可靠的多体动力学模型是开展仿真研究的基础和前提，其质量直接决定了仿真结果的可信度。在构建挖掘机履带底盘的多体动力学模型时，需要考虑多个方面的因素，包括履带底盘零部件的几何参数、各部件之间的连接关系、质量和惯量，以及履带与地面、履带与各轮体之间的接触特性等。

（二）仿真工况设置的全面性

仿真工况设置是否全面、合理，直接关系到仿真研究能否真实反映履带底盘在实际作业过程中的性能表现。目前，在基于多体动力学的挖掘机履带底盘仿真研究中，工况设置往往存在不够全面的问题。许多研究侧重于对单一工况进行分析，如挖掘机在平坦路面上的直线行驶工况、匀速转向工况等，而对于挖掘机在实际作业中经常遇到的各种复合工况考虑不足。

（三）仿真结果与试验结果的验证

仿真结果的有效性和可靠性需要与实际物理试验结果对比验证来确认，只有经过验证的仿真结果才能为工程实践提供可靠的指导。然而，目前在基于多体动力学的挖掘机履带底盘仿真研究中，仿真结果与实际验证之间存在一些问题。一方面，在构建仿真模型时，由于对某些部件的实际参数（如部件之间的实际摩擦系数）了解不够精确，导致模型参数的设定与实际部件存在一定的差异，使得仿真结果与实际试验数据之间难以直接对比。另一方面，目前缺乏一套标准化的仿真结果验证流程和统一的评价指标，不同的研究人员可能采用不同的验证方法和评价标准，这使得对仿真结果可靠性的评估缺乏客观性和一致性，影响了仿真技术在工程实践中的推广和应用。

三、基于多体动力学的挖掘机履带底盘仿真优化方向

（一）提升动力学模型的精准度

为了提高挖掘机履带底盘多体动力学模型的精准度，需要从多个方面进行改进和优化。首先，应加强对履带与地面接触特性的深入研究，通过理论分析、数值计算与物理试验相结合的方式，建立能够更真实反映实际接触情况的接触模型，精确确定接触刚度、摩擦系数等关键参数。其次，在建模过程中，应细化履带、轮系、下车架等部件的建模细节，充分考虑部件的惯量、质心位置等因素对模型动力学特性的影响，必要时可以采用DEM-MBD 耦合仿真模型，引入散体颗粒模拟松软路面、挖掘作业的物料等，并考虑 DEM 参数的影响。

（二）完善仿真工况的设置标准

针对目前仿真工况设置全面性不足的问题，应建立一套完善的仿真工况设置标准。首先，应深入调研挖掘机的实际作业场景，收集和整理各种典型的作业工况信息，包括不同的路面条件（如硬土、软土、砂石、泥泞等）、不同的载荷大小（如空载、满载、超载等）、不同的运动状态（如直行、转向、爬坡、下坡等）以及各种常见的复合工况。基于这些调研结果，构建一个多维度、全覆盖的工况数据库。在进行仿真研究时，应根据挖掘机的实际作业特点和概率分布，从工况数据库中选取具有代表性的典型工况进行仿真分析，确保仿真结果能够全面反映履带底盘在各种可能工况下的性能表现。

（三）加强仿真与试验的协同验证

加强仿真与试验的协同验证是提升仿真结果可靠性和推动仿真技术工程应用的关键。为此，需要建立健全仿真与试验的协同验证机制。一方面，在仿真模型的构建和参数设定阶段，应充分利用物理试验数据对模型进行校准和初始化，确保模型的初始精度。另一方面，应制定标准化的仿真结果验证流程和统一的评价指标（如误差允许范围、相关性分析指标等），在相同的工况条件下，将仿真结果与物理试验数据进行系统的对比分析。通过对两者之间的误差进行评估，找出模型中存在的问题，并对模型进行修正和优化，不断提高仿真结果的准确性。

结束语

基于多体动力学的挖掘机履带底盘仿真研究，为提升履带底盘的设计水平和综合性能提供了强有力的技术支撑，在复杂工况下的性能分析、缩短研发周期、降低研发成本以及为结构优化提供理论依据等方面展现出了显著的优势。然而，当前的研究在动力学模型构建的准确性、仿真工况设置的全面性以及仿真结果与实际验证等方面仍存在一些亟待解决的问题。通过采取提升动力学模型精准度、完善仿真工况设置标准、加强仿真与试验协同验证等优化措施，可以有效解决这些问题，进一步发挥多体动力学在挖掘机履带底盘仿真研究中的作用。

参考文献

[1]任琛. 基于多体动力学与颗粒动力学耦合的挖掘机工作仿真分析[D]. 长安大学, 2023.

[2]郝万军.大型矿用挖掘机设计关键技术研究[D].吉林大学,2014.

[3]吴亚.液压挖掘机履带底盘行驶性能虚拟样机仿真及试验研究[D].吉林大学,2017.