基于RecurDyn的高速履帶車輛建模

貴州民族大學(xué)機械電子工程學(xué)院 張 燕

1 引言

RecurDyn軟件有強大的適合各個行業(yè)的工具包，其中的履帶包Track(LM/HM)是專為履帶車輛設(shè)計的專業(yè)化履帶系統(tǒng)工具包，其中有履帶板、鏈輪、驅(qū)動輪等組件，用戶可以直接調(diào)用所需的部件，也可以根據(jù)需要自己定義部件形狀參數(shù)等，可參數(shù)化調(diào)節(jié)各部件的幾何形狀。

2 車體幾何模型

車架的幾何模型，可以在RecurDyn中建立，也可采用其他三維軟件建立。論文利用UG三維建模軟件，建立某全地形車車架的三維模型。車架具體結(jié)構(gòu)對仿真影響不大，因此只建立了車架幾何形狀的近似模型。在UG軟件中將建好的車架模型導(dǎo)出為文本格式（*.x_t）的文件。

3 行走系統(tǒng)建模

在RecurDyn軟件的履帶子系統(tǒng)Track/HM中，導(dǎo)入車架幾何模型，建立車輛行走系統(tǒng)的虛擬模型如圖1所示。將導(dǎo)入的車架設(shè)為motherbody，可以根據(jù)需要對其質(zhì)量、材質(zhì)、顏色等特性進行修改。本模型含有兩條履帶子系統(tǒng)，每條履帶子系統(tǒng)包括懸掛系統(tǒng)、1個驅(qū)動輪、1個導(dǎo)向輪、6個支重輪、3個拖帶輪、87塊履帶板和1個張緊裝置，；驅(qū)動輪采用前置方式，驅(qū)動輪齒數(shù)為10。各零部件的幾何參數(shù)等根據(jù)車輛的實際情況確定。

履帶車輛要實現(xiàn)規(guī)定的運動，各個零部件之間需要通過約束連接。在RecurDyn中，約束副關(guān)系通過Joint來定義。行走系統(tǒng)主要構(gòu)件之間的約束關(guān)系設(shè)置如表1所示。

表1 行走系統(tǒng)主要構(gòu)件約束副關(guān)系

3.1 行走系統(tǒng)關(guān)鍵部件建模

在RecurDyn中，驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪、拖帶輪的建模方法相同，因此只對驅(qū)動輪的建模進行介紹。

驅(qū)動輪是履帶車輛行走機構(gòu)的關(guān)鍵部件，履帶車輛的前進、后退、轉(zhuǎn)向等都由驅(qū)動輪來完成，因此，驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響設(shè)備性能及行走機構(gòu)的使用壽命。驅(qū)動輪的齒形，對車輛的仿真有很大影響。本論文根據(jù)某型履帶車輛的驅(qū)動輪，確定了輪齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在RecurDyn的Track/HM子系統(tǒng)中，選擇Sprocket建立主動輪，通過設(shè)置幾何參數(shù)，得到驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)

3.2 張緊裝置建模

在經(jīng)過復(fù)雜的路況時，車輛的振動隨著地面激勵的增加而增大，引起履帶、支重輪等部件發(fā)生跳動，履帶松弛，嚴重時可能發(fā)生脫輪。而張緊裝置能夠及時調(diào)整張緊力，減小履帶跳動，避免因地面工況差、較大振動而引起脫輪。

圖2 張緊裝置

張緊裝置的工作原理是：通過移動導(dǎo)向輪來張緊和調(diào)整履帶的松緊。導(dǎo)向輪與履帶直接接觸，通過調(diào)整與導(dǎo)向輪連接的曲軸的移動，實現(xiàn)履帶松緊調(diào)節(jié)。根據(jù)運動形式的不同，張緊裝置可分為曲軸型和直線型兩種形式。這兩種形式的張緊裝置，結(jié)構(gòu)都比較簡單。本文建立的是曲軸型張緊裝置。圖2（a）為液壓履帶張緊調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

在RecurDyn軟件中，先建立液壓缸系統(tǒng)，再導(dǎo)入到履帶行走系統(tǒng)的模型中，對液壓缸的運動進行設(shè)置。建立張緊裝置的曲臂并添加約束，曲臂與履帶架旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，導(dǎo)向輪與曲臂旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，液壓缸與曲臂旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，液壓缸與履帶架旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，圖2（b）為建立的張緊裝置模型。

3.3 履帶建模

RecurDyn軟件中整條履帶模型的建立，是通過先建立履帶板，再裝配得到的，各履帶板之間通過連接銷相互連接成一條履帶，本文研究的履帶車輛的履帶為橡膠履帶，因此采用單銷掛膠履帶結(jié)構(gòu)。相互連接的兩塊履帶板之間，通過襯套力相互約束，圖3為兩履帶板連接的示意圖。履帶與驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪、托帶輪直接接觸，構(gòu)成了履帶車輛的行走系統(tǒng)。

在高速履帶子系統(tǒng)Track(HM)中創(chuàng)建履帶板，建立完成后，選擇驅(qū)動輪、支重輪等完成履帶子系統(tǒng)的裝配如圖4所示。

圖3 履帶板連接示意圖

圖4 履帶板尺寸及履帶裝配模型

3.4 動力推進簡化建模

在履帶車輛車輛中，動力系統(tǒng)將驅(qū)動力矩通過傳動裝置傳給驅(qū)動輪，通過驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動車輛行駛。本文對履帶車輛的傳動系統(tǒng)進行了簡化，省略了行走系統(tǒng)中傳動裝置的建模，通過在驅(qū)動輪與車體之間添加的旋轉(zhuǎn)副約束上施加速度驅(qū)動，實現(xiàn)行走系統(tǒng)的前進、后退、轉(zhuǎn)向等運動，能夠?qū)β膸凶呦到y(tǒng)進行精確的仿真及動力學(xué)分析。

3.5 懸架系統(tǒng)

本履帶系統(tǒng)采用的是獨立懸掛懸架系統(tǒng)，并對其進行了數(shù)學(xué)建模。由于支重輪所受振動的不同，第3、4支重輪處振動較小，采用扭桿懸掛，第1、2、5支重輪受到地面激勵影響較大，為了保證車輛運行的平穩(wěn)性，采用扭桿-油氣懸掛系統(tǒng)。因此在RecurDyn中對這兩種懸掛系統(tǒng)進行建模。

3.5.1 扭桿彈簧懸架模型

RecurDyn軟件中提供了多種柔性連接力，包括彈簧阻尼、扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼、Bushing襯套力、beam梁力、Plate力等。與旋轉(zhuǎn)副、固定副等理想鉸接相比，考慮了變形，屬于柔性連接。RecurDyn中的平移彈簧阻尼（TSDA）和扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼（RSDA），可以表示線性和非線性彈簧，可以在其屬性表中設(shè)置參數(shù)。

為保證扭桿承受純扭轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)動端裝在平衡肘導(dǎo)管里，用導(dǎo)管承受彎矩，另一端與車體上的履帶架連接。因此在平衡軸與車體的轉(zhuǎn)動副上施加轉(zhuǎn)動彈簧，建立扭桿彈簧懸架系統(tǒng)，在屬性對話框內(nèi)，可以設(shè)置扭桿彈簧的阻尼特性。

3.5.2 扭桿-油氣懸架模型

針對履帶行走系統(tǒng)的第1、2、5支重輪處振動大的特點，在這些支重輪處選用了“扭桿+液壓減震器”的復(fù)合懸架。其結(jié)構(gòu)特點是在原扭桿懸架基礎(chǔ)上，又增加了一個液壓減震器。它的兩端分別與車體、支重輪輪連接。在RecurDyn中建立液壓缸子系統(tǒng)來模型液壓減震器，建模步驟如下：

(1)選擇Subentity建立參數(shù)化端點、參數(shù)化值、參數(shù)化內(nèi)點；

(2)選擇Professional＞＞Body＞＞Cylinder建立幾何部件（液壓缸和活塞桿）；

(3)建立液壓缸和活塞桿之間的平動副。

確定模型正確后，輸出子系統(tǒng)，選擇RecurDyn Subsystem file(*.rdsb)。在履帶行走系統(tǒng)模型中，導(dǎo)入液壓子系統(tǒng)。對液壓系統(tǒng)進行編輯，設(shè)置液壓缸運動。液壓缸的上端與車體鉸接，液壓缸下端與支重輪鉸接，確定液壓缸安裝位置后，在兩個鉸接處添加旋轉(zhuǎn)副，完成扭桿+液壓減震器懸架建模如圖5所示。

圖5 扭桿-油氣懸架模型

3.6 路面模型

路面模型對履帶車輛動力學(xué)仿真結(jié)果有著很大的影響。在RecurDyn軟件中，可以自己建立地面模型，也可以通過直接導(dǎo)入RecurDyn中的地面模型文件。建立地面模型的方法有三種，分別是通過輪廓線建立、通過樣條曲線建立、通過實體的面建立。

文中采用輪廓法建立路面模型。通過導(dǎo)入RecurDyn中的地面模型文件的方式建立隨機路面，通過修改路面文件中的參數(shù)，可設(shè)置隨機工況的路面。

4 結(jié)語

利用RecurDyn軟件進行動力學(xué)仿真，虛擬模型的建立和參數(shù)設(shè)置決定了仿真結(jié)果的準確度。論文所建模型的合理性在后續(xù)的仿真過程中得到了驗證。論文未對土壤的建模方法進行介紹，在RecurDyn中可以建立硬質(zhì)、干沙軟地面等地面模型，對高速履帶工作的不同工況進行仿真。