John Deere采用LMS动力学和耐久性软件提高拖拉机耐久性

由于国际农业市场一直以来都是高风险低利润，因此农户更倾向于选择具备良好耐久性的多功能设备，以满足整个收割高峰期。为了进一步提高新型拖拉机的品质和可靠性，德国John Deere Werke Mannheim公司的工程师在John Deere 5000和6000型系列通用拖拉机的开发过程中，率先采用虚拟仿真技术。工程师通过采用基于LMS Virtual.Lab Motion & Durability的创新性仿真技术，可以深入了解设计修改如何影响拖拉机品质和可靠性。虚拟仿真技术帮助John Deere公司缩短拖拉机开发周期，同时提高拖拉机整体性能、灵活性、舒适度和经济性。

农民的拖拉机就好似裁判的哨子或者猎人的猎枪。如果农民只期望确保一件事的话，那无疑是拖拉机的可靠性，因为拖拉机是农民主要依赖的生产工具。在任何情况下，John Deere公司的拖拉机必须承受农业生产的苛刻要求：为举升和驱动连接拖拉机的各种设备提供足够的液压动力；在不同的气候情况下，推动/牵引其他设备运行在不同的土地上。尤其在繁忙的收获季节，农民使用John Deere拖拉机连续工作好几个星期。毫无疑问，在这个时期，拖拉机任何严重的故障都有可能极大地影响将农民的收益。拖拉机的品质和可靠性是John Deere优于其他拖拉机公司的关键所在。John Deere Werke Mannheim公司已经在德国设计、开发并制造了中型和大型通用拖拉机，占据了最大的市场份额。每年典型的绿色加黄色的John Deere拖拉机，大约40,000辆从德国运往世界各地。这包括所有的John Deere 6000和大部分的5000系列拖拉机，每台都提供了功能选择和工具装配选择的独特组合。这些拖拉机具有更多功能，同时具有大型拖拉机特有的省时特点。John DeereWerke Mannheim的高级工程师，Christian von Holst先生说：“在过去的10年里，John Deere的工程师极大地缩短了拖拉机开发所需时间，同时逐步提高了产品性能特性，并保持相对稳定的产品价格。”

率先在设计阶段引入耐久性仿真

在John Deere公司，典型的开发流程从一个想法开始，在这期间，常涉及的问题，构想，需求，建议和关注点被转换为更具体的产品要求。在后来的概念阶段，通过筛选、概念证实和评估技术可行性，形成随后的技术策略。在进一步详细评估最佳概念设计之后，开始前期设计阶段，设计雏形将依次进入建模、小型样机和不同类型样机设计阶段。在设计阶段， 工程师不断地采用物理试验获得的数据和分析结果，来逐步提高新型拖拉机设计的性能。设计方案不断地反复修改，直到新设计满足最初的产品需求，这对于拖拉机来说主要是与耐久性相关的产品需求。

在过去的十几年间，John Deere公司加速了研发阶段虚拟仿真的使用，而在过去常常是通过物理试验来完成的。“通过在我们的拖拉机设计过程中尽早地采用耐久性仿真技术，我们能够更好的定位，评估设计修改的技术可行性，并预测修改基本设计产生的效果。”Christian von Holst先生说，“在初始设计阶段获得越详细的信息，就越能帮助我们把握复杂的设计向正确的方向发展，将更有可能、更有效地满足预定的产品需求。对于潜在设计修改的模拟仿真来说，选择合适的虚拟仿真以及物理试验相结合非常重要，例如修改的悬架驾驶室设计或更强大的拖拉机发动机设计。”

LMS Virtual.Lab的耐久性仿真工具

John Deere公司的工程师创建了具有多种耐久性仿真方法的工具包，代替了单一的通用解决方案。工具包中的每一种方法都具有特定的预测功能，并可以根据时间和功率设定不同的约束条件。这种传统方法是一种部件疲劳寿命预测方法，能够在LMS Virtual.Lab平台上运行，并且是以测得的载荷数据为基础开始运行。除了这一基本方法，他们还开发了组合和混合仿真方法，两种方法集成了LMS Virtual.Lab Motion（多体动力学）和Durability（疲劳性分析）的组合。与传统方法相比较，组合方法能够仿真更详细的拖拉机设计修改，因为其可以通过在拖拉机设计开发中模拟动态动力学来输入载荷。混合方法主要集中于拖拉机部件的结构灵活性分析，及其在动态动力学和拖拉机耐久性分析方面。

传统方法可以用于研究拖拉机车厢架的耐久性，因为车厢架承受颠簸循环式试验跟踪驾驶的载荷。同时，匀速驾驶时，作用于车厢耦合点和拖拉机车架之间的力也可以测量，除了特殊的车厢点转移和加速度之外。获得的动态载荷数据可以用于车厢架有限元模型，为车厢结构进行仿真并提供应力和应变。在这些分析结果的基础上，工程师运行LMS Virtual.Lab Durability耐久性仿真，可以获得车厢设计的疲劳寿命性能，评估车厢设计修改的效果。在圆形边缘和直角型边缘车厢装配上进行的仿真能够帮助工程师评价车厢架最可能受损位置的疲劳寿命，同时减少基本材料和梁焊接处的最大应力。虽然传统方法能够处理非线性有限元模型，

The classical LMS Virtual.Lab-driven simulation approach indicates that the use of round-edged cabin mounts offers superior fatigue-life performance compared to square-edged mounts. In case John Deere engineers need to evaluate more profound design changes, they retrieve the required cabin loads using system-level simulations in LMS Virtual.Lab Motion instead of gaining the data through measurement.

更详细的设计修改和部件灵活性

John Deere工程师开发了综合方法，与传统方法相比较扩展了耐久性仿真功能。代替运行物理试验生成载荷数据，LMS Virtual.Lab Motion多体动力学软件用于创建拖拉机子装配模型，将它们组合在一起进行整拖拉机动态动力学仿真。通过在特定的虚拟试验中运行逼真的模型化拖拉机设计，工程师能够获得拖拉机载荷结果数据，以及拖拉机装配中的结果内力。然后，获得的载荷数据可以输入随后的有限元和耐久性仿真步骤，这与传统耐久性仿真方法中的步骤是一样的。Christian von Holst先生认为：“LMS Virtual.Lab Motion多体动力学的系统级仿真对于模拟更详细的设计修改中的耐久性来说至关重要。采用综合耐久性仿真方法，我们能够可靠地预测修改的衬套特性或者调整的装配位置对拖拉机车厢或其他部件上的影响。与其它软件解决方案不同，LMS Virtual.Lab Motion多体仿真软件提供了通用的建模功能，能够帮助我们灵活真实地模拟整拖拉机设计。虽然新的拖拉机设计模型创建需要相当多的工作，以及丰富的CAE技术，我们还是能够使用这些模型进行多种仿真任务，包括耐久性分析、驾驶和操纵性、控制机械和拖拉机工具的相互作用。”

耐久性仿真工具包中的第三种方法是John Deere公司经常提及的混合方法。这种方法最大的特点是能够考虑特定拖拉机零部件的结构灵活性，例如悬架系统部件，车厢衬套和车轮罩托架。根据Craig-Bampton分析结果可以创建能变形的部件模型，能够自动初始化并在LMS Virtual.Lab环境中驱动。在整拖拉机仿真过程中，LMS Virtual.Lab Motion多体仿真软件计算模态参数因子，并最终获得实施在部件上的作用力。多体动力仿真获得的瞬态应力和应变历史纪录可以用于随后的耐久性分析的输入数据，这样可以检测正在评估的柔体部件中最薄弱的点。

Since actuator assembly brackets connected to the tractor frame are rather thin parts that operate while carrying many times their own weight, it is necessary to model such components as flexible bodies.

The transient stress and strain history results of the motion simulations are used as input for the subsequent analysis in LMS Virtual.Lab Durability, which detects the weakest spots of the flexible parts being evaluated

更少的物理样机获得更高的拖拉机可靠性

“采用混合方法研究的典型零部件是连接拖拉机车架的动作器装配支架。”Christian von Holst先生解释道。“由于这些支架相当细，而且运行时要承受比自身重量好几倍的压力，所以有必要对这种柔体零部件进行建模。支架变形及其固有频率的激励会导致改变的机械动力，不必要的系统振动和内部载荷的改变。混合方法将多体仿真紧密集成在柔体分析和疲劳寿命预测中，使我们能够在完成设计过程之前，结合真实的整拖拉机性能评估支架的耐久性。采用LMS Virtual.Lab的图形后处理功能，我们能够放大指定的拖拉机部件的耐久性热点，深入了解潜在的问题根源。识别的热点还可以构成随后的更细致的物理试验，这样可以更多地关注于在虚拟样机中检测的关键区域。在很多情况中，混合耐久性仿真方法能够补偿所需的额外处理，弥补仅限于有限元分析的方法。”

在最近几年，虚拟仿真技术已经发展进入一个可以获得更认可更可靠的信息的阶段，已经应用于早期概念设计阶段。“在较早的设计阶段引入LMS Virtual.Lab Durability耐久性分析——早期设计阶段有很大的设计空间——可以肯定地提高拖拉机可靠性并减少所需的样机试验数量。”Christian von Holst先生解释道。“LMS Virtual.Lab为John Deere的虚拟耐久性分析带来了巨大的价值，它能够提供混合方法的关键技术，提高了综合方法的效率。从这一角度来看，LMS Virtual.Lab帮助John Deere提高了其开发能力，为农户购买新型拖拉机提供更方面的优势，包括更好的性能，灵活性，舒适度，经济型和安全可靠性等。”