基于柔性履帶模型的履帶車輛建模與仿真分析

桂華良，王 濤

（1.紅五環(huán)集團股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州學(xué)院機械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

1 引言

履帶車輛因其具有良好的通過性能在工程機械車輛中有著廣泛的應(yīng)用。履帶機構(gòu)一般由主動輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪和負重輪組成，通過履帶構(gòu)成柔性鏈環(huán)，其本身就是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)。傳統(tǒng)的研究方法是基于經(jīng)驗公式和大量試驗研究基礎(chǔ)之上的。電子計算機的發(fā)展使得數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，將數(shù)值模擬技術(shù)用于履帶車輛的研究能有效縮短研制周期，提高設(shè)計效率和質(zhì)量[1]。

目前對履帶車輛進行多體動力學(xué)數(shù)值模擬的軟件主要有DADS、ADAMS和 Recurdyna，其中 DADS和 Recurdyna采用的是相對坐標(biāo)的遞歸算法，運算速度較快，而ADAMS采用的是絕對坐標(biāo)系，速度稍慢，這些軟件都能很好地完成履帶車輛的仿真分析。對履帶建模的模型主要有兩種：一種是柔性履帶模型，該模型建模較方便，能在設(shè)計早期就對履帶的平順性做出快速預(yù)測而得到改進的指導(dǎo)數(shù)據(jù)；一種是剛體履帶模型，該模型能對每塊履帶板、銷的力學(xué)特征進行詳細研究，但該建模方式比較復(fù)雜，需要考慮各零件之間的接觸關(guān)系，建模過程復(fù)雜，同時剛性履帶模型的自由度與柔性履帶模型相比計算量大大增加。本文基于柔性履帶模型對履帶車輛進行建模和數(shù)值模擬，通過對履帶車輛的平順性分析，為改進設(shè)計提供有效數(shù)據(jù)。

2 柔性履帶理論模型

在柔性履帶模型中，其履帶被假設(shè)為一條具有柔性的連續(xù)的帶子，由這條柔性的帶子包裹主動輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪和負重輪而構(gòu)成一條履帶鏈，通過與地面接觸而將地面激勵傳遞到車體。

圖1 柔性履帶模型Fig.1 flexible track model

履帶、負重輪及地面間接觸的相互作用力如圖2，作用在負重輪上的力計算公式：

式中σ——地面的法向應(yīng)力

τ——地面的切向應(yīng)力

TL——履帶左張力

TR——履帶右張力

地面法向應(yīng)力計算公式：

圖2 履帶，負重輪和地面之間作用力Fig.2 forces between the track,wheel and road

式中p——法向壓力

z——地面變形深度

w——履帶的寬度

n——土壤變形指數(shù)

kc——土壤粘結(jié)系數(shù)

kφ——土壤摩擦系數(shù)

地面的切向應(yīng)力計算公式：

τmax=C+p tanφ

式中W——剪切變形量

G——剪切模量

C——剪切粘性系數(shù)

φ——摩擦角

根據(jù)受力分析可得

Fn= （TL+TR）sinθ

Fτ=2Rτ（sinθ- θcosθ）

履帶張力TL和TR可以通過弦垂線方程獲得[2]。

3 履帶車輛平順性模型

平順性反映了車輛行駛的安全性。良好的平順性能減少地面動載荷對底盤及相關(guān)連接件的振動，提高零件的疲勞壽命。本文建立某型履帶車輛的平順性模型如圖3。考慮車體質(zhì)量、質(zhì)心位置、負重輪數(shù)量、質(zhì)量、位置及尺寸、主動輪和誘導(dǎo)輪尺寸和位置、履帶結(jié)構(gòu)和性能等，運用Bekker提出的地面力學(xué)壓力-沉陷關(guān)系、設(shè)置土壤的剪切特性、土壤的摩擦特性等來計算地面施加于車輛的各種力。

圖3 履帶車模型Fig.3 tracked vehicle model

4 仿真分析結(jié)果

將上述建立的履帶車模型行駛通過一個高為10cm梯形凸臺障礙來研究其通過平順性，得到其通過凸臺前后的車體的姿態(tài)如圖4，車體的質(zhì)心處的加速度如圖5，以及履帶張力如圖6。

從圖5可以看出履帶車通過凸臺的時候車體質(zhì)心處加速度值的變化，其仿真結(jié)果在4～6s時候加速度波動較大，因加速度值能反映履帶車輛通過梯形凸臺障礙時地面對車體的振動激勵，通過履帶參數(shù)的合理設(shè)計控制其振動，能有效地衰減來自地面的沖擊載荷，提高各零件的動載荷疲勞壽命；圖6顯示出履帶張力的變化波形，其仿真結(jié)果在4～6s時候加速度波動較大，因履帶車正通過凸臺導(dǎo)致履帶張力增加，其張力值能為研究主動輪和履帶之間的磨損提供參考依據(jù)。

圖4 履帶車通過凸臺障礙的姿態(tài)Fig.4 the gestures of the tracked vehicle through a concave baffle

圖6 履帶張力Fig.6 track tension

5 結(jié)論

本文基于柔性履帶模型建立了某履帶車輛的三維仿真模型，對其平順性進行了數(shù)值模擬研究。該方法建模簡單快捷且求解效率高。相比于傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗公式和大量試驗的方法，所獲取的數(shù)據(jù)更加豐富，研制周期縮短。用柔性履帶模型方法在早期設(shè)計階段就能快速地預(yù)測履帶車輛的通過性、車體振動加速度等指標(biāo)，為改進設(shè)計提供有價值的理論數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)結(jié)合最終的實驗驗證，提高履帶車輛的設(shè)計水平。

[1]韓寶坤，李曉雷，孫逢春．履帶車輛動力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展與展望[J]．兵工學(xué)報,2003,24(2)．

[2]M G Bekker．地面 車輛 系統(tǒng) 導(dǎo)論[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1987．

[3]王建春，王治林，張耀娟等．基于RecurDyn的高架履帶推土機行走系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究[J]．工程機械，2012(7)．