不同路面下的履帶運(yùn)輸車動(dòng)力學(xué)仿真*

賈小平，樊石光，于魁龍，邢 旺

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

不同路面下的履帶運(yùn)輸車動(dòng)力學(xué)仿真*

賈小平，樊石光，于魁龍，邢 旺

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

針對(duì)不同路面上履帶式底盤的運(yùn)動(dòng)性能差異比較大的問題，利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn建立了履帶運(yùn)輸車虛擬樣機(jī)模型，通過在不同情形路面上的運(yùn)動(dòng)仿真，得到了不同的仿真數(shù)據(jù)。通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，更全面的認(rèn)識(shí)了不同性質(zhì)路面對(duì)履帶運(yùn)輸車的影響。

履帶運(yùn)輸車；不同路面；動(dòng)力學(xué)仿真

1 引 言

履帶車具有較高的越野和越障性能，如適應(yīng)壕溝、陡坡、臺(tái)階等惡劣路面工況。由于其具有良好的路面通過性，目前正廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、勘探、森林消防、救援搶險(xiǎn)、軍事等領(lǐng)域。履帶車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)所提供功率既用于克服本身機(jī)械裝置的內(nèi)阻力，也用來(lái)克服由行駛條件所決定的外阻力[1]。外阻力不僅與車輛本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，更與外部介質(zhì)的特性有關(guān)。因此在直線行駛條件下，分析不同接觸路面與車輛的相互作用，可為今后的研究打下基礎(chǔ)。

履帶車輛機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜，利用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行性能分析既耗時(shí)不經(jīng)濟(jì)。而利用虛擬樣機(jī)技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)建立、模型仿真、性能測(cè)試，極大的縮短了實(shí)驗(yàn)周期，降低了成本，還為實(shí)車制造提供了有力依據(jù)。筆者利用RecurDyn軟件對(duì)某履帶運(yùn)輸車進(jìn)行實(shí)體建模與動(dòng)力學(xué)仿真，主要研究給定條件下不同路面上的履帶張緊力、車體質(zhì)心加速度的變化情況，通過對(duì)比更深入理解車輛與地面的相互作用。

2 理論計(jì)算

2.1 履帶張緊力

履帶張緊力分為預(yù)張緊力和動(dòng)張緊力。履帶車靜止時(shí)，由于自身重量而被拉緊，這種拉緊履帶的張力叫預(yù)張緊力。預(yù)張緊力常以履帶某段上的下垂度的大小來(lái)表征，并根據(jù)車輛在各種行駛條件下履帶不脫落的條件，用履帶調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整。預(yù)張緊力一般均勻分布在履帶上，可跟據(jù)自由段的下垂度來(lái)計(jì)算，其公式為：

(1)

式中:a為履帶自由段下垂度(cm)；γ為履帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量(10 N/cm)；l為履帶自由段的長(zhǎng)度(cm)。

預(yù)張緊力不宜過小，否則履帶易脫落；但也不宜過大，過大時(shí)履帶效率降低，且容易崩裂。履帶等速卷繞時(shí)，在弧形段產(chǎn)生離心力，離心力在履帶中引起張力。假設(shè)履帶為均質(zhì)軟帶，貼于各輪上的弧形段的半徑為常數(shù)。則動(dòng)張緊力公式為：

(2)

式中:vx為履帶卷繞速度(cm)。

由上式可知，隨著車輛行駛速度增加，離心力引起的履帶張力將大大增加[2]。

履帶總張力為預(yù)張緊力和動(dòng)張緊力之和。由于行駛裝置內(nèi)部摩擦力及路面等因素引起動(dòng)張緊力的不均勻分布，在履帶局部地方可能是預(yù)張緊力和動(dòng)張緊力相加或相減，故總張力求和公式只是概念值，不能用于確定任意時(shí)刻各段張緊力分布情況。當(dāng)履帶行進(jìn)過程中，主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪等嚙合處動(dòng)張緊力為零時(shí)，可能出現(xiàn)履帶脫落或嚙合不良的現(xiàn)象[3]。

2.2 履帶運(yùn)輸車質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程式

由牛頓第二定律可得：

(3)

由動(dòng)力學(xué)關(guān)系：

∑Fx=F-Ff-Gsinα-Fgcosβ-Fk

(4)

式中：F為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為地面變形阻力，α為坡度角，F(xiàn)g為掛鉤阻力，β為掛鉤角，F(xiàn)k空氣阻力。取α、Fg、Fk為零，驅(qū)動(dòng)力F近似等于計(jì)算牽引力Fj，則質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程式為：

(5)

式中：Pf為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，η為履帶車效率，v為整車行駛速度，f為地面變形阻力系數(shù)。

3 履帶運(yùn)輸車虛擬樣機(jī)建模

RecurDyn采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，適合求解復(fù)雜多體動(dòng)力學(xué)問題。利用低速履帶系統(tǒng)工具包Track(LM)，建立履帶運(yùn)輸車三維多體動(dòng)力學(xué)模型，利用Ground模塊建立道路模型，設(shè)置單位制為MMKS，車體以(*.x_t)格式從solidworks中導(dǎo)入，模型如圖1所示。

圖1 履帶運(yùn)輸車虛擬樣機(jī)仿真模型

該虛擬樣機(jī)主要由車體和兩個(gè)履帶子系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)履帶子系統(tǒng)包括1個(gè)主動(dòng)輪、1個(gè)誘導(dǎo)輪、4個(gè)負(fù)重輪、1個(gè)履帶架、1個(gè)張緊裝置和49塊單銷式履帶板，該車采用動(dòng)力前置。調(diào)整主動(dòng)輪使其與履帶正確嚙合，在履帶架和張緊裝置間建立機(jī)械式履帶張緊器，采用Track Assembly功能自動(dòng)生成履帶[4]。路面由矩形單元構(gòu)成，每塊路面單元都可以記住最大沉陷量、最大壓力、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力，以此來(lái)計(jì)算正壓力和水平摩擦力。每塊履帶板與地面間都有一個(gè)廣義力，并由一個(gè)用戶子程序完成該廣義力的計(jì)算。

主動(dòng)輪與4個(gè)負(fù)重輪和履帶架分別建立鉸接副，對(duì)誘導(dǎo)輪與張緊裝置建立鉸接副，對(duì)履帶架和張緊裝置建立平動(dòng)副，對(duì)車體和兩側(cè)履帶架分別建立固定副，履帶與地面間的約束副由RecurDyn自動(dòng)完成。在履帶架和張緊器間建立彈簧力，設(shè)置其彈性系數(shù)為0.1，阻尼系數(shù)為100。

4 運(yùn)動(dòng)仿真分析

4.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)置

對(duì)兩側(cè)履帶子系統(tǒng)中主動(dòng)輪與履帶架鉸接副施加速度驅(qū)動(dòng)STEP(Time,0.2,0,12,-0.2×pi×Time)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)置仿真時(shí)間t=12 s，步數(shù)step=200。三次多項(xiàng)式逼近階躍函數(shù)STEP表達(dá)式為STEP(x,x0,h0,x1,h1)，其中x為自變量，STEP值域在h0與h1之間，如圖2所示。

(6)

圖2 STEP函數(shù)曲線圖

4.2 典型路面下履帶張緊力與車體質(zhì)心加速度曲線

該履帶運(yùn)輸車為復(fù)雜的非線性多體系統(tǒng)，履帶與地面的擠壓過程是典型的接觸過程。分別選取不同性質(zhì)的行駛路面，對(duì)履帶車行駛性能進(jìn)行仿真，較直觀的得到路面因素對(duì)車輛行駛參數(shù)的影響。沙土路面、粘土路面、重粘土路面參數(shù)如表1所列[5]。

表1 路面參數(shù)表

對(duì)不同土壤特性條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，以履帶子系統(tǒng)中的一塊履帶板為研究對(duì)象，得到了履帶板張緊力曲線；以車體質(zhì)心為研究對(duì)象，得到了質(zhì)心加速度曲線，如圖3、4所示。

圖3 不同路面下履帶張緊力曲線

圖4 不同路面下車體質(zhì)心加速度曲線

結(jié)合履帶車運(yùn)動(dòng)過程，通過分析發(fā)現(xiàn)：在軟件默認(rèn)路面下履帶車從接觸路面到運(yùn)行結(jié)束，能夠平穩(wěn)行進(jìn)，未出現(xiàn)原地調(diào)整現(xiàn)象；在另外三種路面下，張緊力曲線接近時(shí)間軸的區(qū)段出現(xiàn)了履帶撞擊車體的現(xiàn)象，導(dǎo)致履帶沒能完全與主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪正確嚙合，張緊力出現(xiàn)消失現(xiàn)象[6]；由于路面參數(shù)各異，同一時(shí)刻履帶板的張緊力數(shù)值不等，變化趨勢(shì)也不一樣；各路面下質(zhì)心加速度變化趨勢(shì)一致，初始階段由于履帶還未與路面接觸，故有短暫調(diào)整階段；由于主動(dòng)輪處驅(qū)動(dòng)采用函數(shù)STEP(Time,0.2,0,12,-0.2*pi*Time)，故穩(wěn)定后車體質(zhì)心加速度趨于常值。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn對(duì)某履帶運(yùn)輸車進(jìn)行了仿真研究，認(rèn)識(shí)了不同路面下履帶張緊力和車體質(zhì)心加速度的變化情況，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。為使履帶板在行駛過程中始終受到合適的張緊力，既要考慮路面因素，也要考慮車輛因素。在下一步實(shí)車試驗(yàn)中，應(yīng)充分考慮到路面性質(zhì)對(duì)車輛行駛性能的影響。

[1] 閆清東，張連第，趙毓芹,等.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[2] 汪明德，趙毓芹，祝嘉廣.坦克行駛原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[3] 宋 晗，李曉雷.履帶動(dòng)態(tài)張緊力的動(dòng)力學(xué)仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(9)：19-21.

[4] 駱清國(guó)，司東亞，龔正波,等.基于RecurDyn的履帶車輛動(dòng)力學(xué)仿真[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2011(4)：26-28.

[5] 徐飛軍，黃文倩，陳立平.履帶拖拉機(jī)軟土地行走動(dòng)力學(xué)仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009(12)：204-207.

[6] 姚繼權(quán)，李曉豁，朱 宇，等.縱軸式掘進(jìn)機(jī)履帶行走系統(tǒng)張緊力仿真研究[J].礦山機(jī)械，2012(6)：18-21.

Dynamic Simulation of a Tracked Carrier on Different Roads

JIA Xiao-ping, FAN Shi-guang, YU Kui-long, XING Wang

(AcademyofArmoredForcesEngineering,Beijing100072,China)

According to the phenomenon that the differences about motion performance of tracked chassis are huge on different roads,a model is established for a tracked carrier prototype by using the multi-body dynamics analysis software RecurDyn.After dynamical simulation on different types of roads different datas are obtained.By comparing and analyzing the simulation results,a comprehensive understanding about the impacts of different roads is acquired.

tracked carrier; different roads; dynamic simulation

2013-12-13

賈小平(1958-)，男，云南昆明人，教授，研究方向:軍用車輛系統(tǒng)總體論證、仿真與評(píng)估。

TP391.9

A

1007-4414(2014)01-0036-03