铲土车一体化仿真

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铲土车机-液-车辆强耦合，工况多变、载荷冲击。多体动力学与液压-控制联合建模支撑性能评估、能耗优化与自动化验证。

原理概述

铲土车（装载机）是一种典型的工程机械，是一个集成了机械结构、液压驱动和车辆底盘动力学的复杂系统，用于铲装、运输和堆放物料，广泛应用于矿山、建筑工地和港口等场合。铲土车的核心工作装置（如动臂、铲斗）的运动并非由电机直接驱动，而是通过液压系统提供动力，由液压缸的伸缩来实现巨大力和力矩的输出。

铲土车一体化仿真

通过对铲土车系统的建模与分析，我们可以为设计人员提供全面的解决方案，从而搭建铲土车一体化仿真系统的机械结构系统（车身、车杆和铲斗）、液压系统、轮胎动力学系统和控制系统，提高铲土车一体化仿真系统的精确建模和运动控制能力。

各子系统的具体功能如下：

• 机械结构系统：包含铲土车的车身、车架、动臂以及铲斗结构，车架具有多个连杆结构，驱动铲斗运动；
• 液压系统：为铲土车的液压驱动杠提供输入；
• 轮胎动力学系统：计算轮胎的六分力，模拟铲土车轮胎和地面接触；
• 操控系统：控制液压阀开、轮胎转向和车辆行驶。

完整的 Modelica 模型如下图所示：

机械子系统结构如下图所示：

液压子系统结构如下图所示：

轮胎动力学子系统结构如下图所示：

模型结构中所有组件来自于以下模型库：

模型库名称	描述
Modelica 标准库	提供基础 Modelica 模型和函数
TYMultibody 多体系统模型库	用于多体动力学建模
TYHydraulics 液压模型库	提供液压系统建模所需的组件
TYOilMedia 液压介质模型库	提供液压油等介质的模型
TADynamics 车辆动力学模型库	提供车辆动力学建模所需的相关元件
TYMechanics 基础机械模型库	用于一维基础机械元件建模

仿真结果分析

选择模型，单击仿真，待仿真结束后，铲土车仿真结果如下图所示。

• 仿真运行动画

• 铲土车机械和液压系统运动和力结果曲线

• 铲土车轮胎运动和力结果曲线

本案例为前驱铲土车，模拟在平坦道路上，通过控制轮胎转速和方向来驱动铲土车，铲土车行驶的过程中会带来液压缸内部力发生改变，轮胎也会产生相应的抓力分力和扭矩，该构建了一个 “虚拟样机” 。它超越了传统的单领域分析，实现了从部件到系统、从静态到动态的全方位洞察：

• 用机械模型库搭建铲土车的机械系统，并通过铲土车“静态作业”案例，计算铲斗运动的对系统运动特性；
• 采用液压模型库搭建了铲土车的液压缸驱动系统，为铲土车的铲斗提供精准的动力控制；
• 采用车辆模型库，模拟铲土车轮胎和地面接触，通过控制铲土车行驶和转向，计算分析“动态”案例中铲土车作业过程中的动力学问题；
• 建立铲土车机-液-车耦合系统仿真，在物理样机制造前发现并解决设计问题，通过多学科优化，找到系统全局最优解。