基于ADAMS的某攜行具動(dòng)態(tài)仿真分析

周君濤，何永，蔣瀟蓉，郁家耀，薛濱

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在戰(zhàn)場(chǎng)上，士兵的主要目標(biāo)是生存和作戰(zhàn)，而負(fù)重能力的大小是決定士兵能否順利實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要因素之一。士兵通常需要在負(fù)重的前提下，完成各種高難度的動(dòng)作。

在進(jìn)行一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)、強(qiáng)度較高的行走時(shí)，士兵往往需要承載較大載荷。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，士兵在負(fù)重20kg的前提下，行軍20min后，吸氧量增加了33%，此時(shí)士兵的體能開(kāi)始逐漸下降。當(dāng)負(fù)重比較大時(shí)，執(zhí)行某些高難度的軍事任務(wù)會(huì)對(duì)士兵的身體造成傷害，降低軍隊(duì)作戰(zhàn)能力。KNAPIK J J等[1]發(fā)現(xiàn)士兵在負(fù)重作業(yè)時(shí)，小腿及腳踝處易受傷，因此會(huì)降低移動(dòng)能力和操作武器能力，削弱部隊(duì)的作戰(zhàn)能力，增加戰(zhàn)斗傷亡的風(fēng)險(xiǎn)[2]。JENNINGS B M等[3]在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)作戰(zhàn)情況下，有80%的士兵由于負(fù)重過(guò)大，從而導(dǎo)致骨骼肌損傷，甚至無(wú)法正常行走。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款多功能攜行裝置，主要通過(guò)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用減震彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)攜行具的穩(wěn)定行駛，達(dá)到減輕人體負(fù)重的效果，并針對(duì)單兵攜行裝置運(yùn)載炮彈行駛過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了建模分析研究。

1 攜行裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單兵攜行裝置主要有兩種設(shè)計(jì)方案：第一種是通過(guò)人機(jī)工程學(xué)方法對(duì)攜行方式進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，使得負(fù)載在人體上的受力分布更加合理，王義斌等[4]設(shè)計(jì)了用于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷行走功能的下肢助力機(jī)械外骨骼；第二種是通過(guò)開(kāi)發(fā)附加攜帶裝置，用于攜帶重型的負(fù)載。附加攜帶裝置具有獨(dú)立行進(jìn)結(jié)構(gòu)，可以為士兵承擔(dān)負(fù)荷。本文基于第二種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

如圖1所示，攜行具與人體之間有個(gè)牽引機(jī)構(gòu)，用腰帶6連接。當(dāng)士兵勻速向前行進(jìn)時(shí)，輪轂電機(jī)2帶動(dòng)車(chē)輪1向前運(yùn)動(dòng)，在電機(jī)的作用下，減少了牽引力。在平坦路面行駛時(shí)，士兵只需提供牽引方向；在翻越障礙時(shí)，需要提供翻轉(zhuǎn)力矩。極大程度上節(jié)省了士兵的體能。同時(shí)在腰部與攜行具之間設(shè)計(jì)一個(gè)阻尼-減震裝置7，以減少碰撞時(shí)產(chǎn)生的接觸力，起到保護(hù)人體的作用。承力板4與車(chē)輪之間安裝了兩個(gè)彈簧3，起到減震作用?？刂破?用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速以及暫停。

1—車(chē)輪；2—輪轂電機(jī)；3—彈簧裝置；4—承力板；5—控制器；6—腰帶；7—阻尼減震裝置。

2 攜行裝置的建模

2.1 基本假設(shè)

攜行裝置的運(yùn)動(dòng)是負(fù)載、架體、車(chē)輪、腰帶之間相互耦>合作用的過(guò)程，當(dāng)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)行進(jìn)時(shí)，腰帶與人體腰部之間產(chǎn)生碰撞力，對(duì)腰帶產(chǎn)生力矩。在分析攜行裝置系統(tǒng)受力以及運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，考慮到負(fù)載、架體以及車(chē)輪的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，基于以下假設(shè)建立攜行裝置耦合物理模型：

1) 整個(gè)攜行具裝置系統(tǒng)近似為一個(gè)多剛體系統(tǒng)；

2) 當(dāng)攜行裝置行進(jìn)時(shí)，將腰帶彈性變形部分簡(jiǎn)化成剛性介質(zhì)，并沿水平方向運(yùn)動(dòng)；

3) 將地面與障礙物設(shè)置為砂土狀態(tài)，當(dāng)橡膠輪胎與其進(jìn)行接觸時(shí)，裝置軸線方向上受平衡力，裝置沒(méi)有磨損、行進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生形變。

在此基本假設(shè)下，進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過(guò)在炮彈、車(chē)體以及腰帶各部件之間添加各種約束、運(yùn)動(dòng)副以及接觸關(guān)系，從而創(chuàng)建攜行裝置數(shù)字樣機(jī)。

2.2 攜行裝置實(shí)體建模

多剛體動(dòng)力學(xué)的核心在于建模與求解問(wèn)題。ADAMS中使用的是歐拉-拉格朗日方法，其采用的是第一類(lèi)Lagrange方程建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，在ADAMS/View中對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的分析一般包含3個(gè)步驟[5]：1)建立機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)體模型；2)定義系統(tǒng)內(nèi)部的約束及拓?fù)潢P(guān)系；3)動(dòng)力學(xué)模型求解及結(jié)果后處理。本文先使用三維建模軟件SolidWorks建立攜行裝置以及炮彈的模型，將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，在ADAMS中對(duì)其施加各部件之間的約束以及接觸關(guān)系。

2.3 各部件約束以及接觸關(guān)系施加

在攜行裝置各個(gè)部位定義以下的約束。

轉(zhuǎn)動(dòng)副：車(chē)輪與車(chē)軸之間使用軸承連接，輪轂電機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪繞車(chē)軸勻速向前運(yùn)動(dòng)，在此處定義一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行定義；連接桿的上端與腰帶的右端定義一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，使其能夠上下轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)副

移動(dòng)副：當(dāng)士兵向前拉著裝置行進(jìn)時(shí)，對(duì)人體與地面定義一個(gè)移動(dòng)副。如圖3所示。

圖3 移動(dòng)副

固定副：繪制的砂土以及障礙模塊分別固定在地面上；承力框、鉸支座、連接桿與控制器等各零件之間采用焊接使其固定。

彈簧副：如圖4(a)中所示，在承力框下方左右兩端放置彈簧副來(lái)代替三維軟件中攜行裝置的彈簧；如圖4(b)中所示，在腰帶與連接處放置一個(gè)彈簧副，以此減小裝置運(yùn)行中產(chǎn)生的碰撞力，從而起到保護(hù)人體的作用。

圖4 彈簧副

接觸：輪轂電機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪向前行駛時(shí)，與地面之間存在摩擦力；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，承載物與承力板之間存在摩擦力。

定義全局坐標(biāo)系的方向，其中水平方向與攜行具的行進(jìn)方向相反，垂直方向與重力方向相反。繪制地面與障礙部分，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，設(shè)車(chē)體前進(jìn)方向?yàn)榍?。在?duì)各部件定義約束和接觸的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)模型施加重力，并結(jié)合動(dòng)態(tài)計(jì)算，完成對(duì)攜行裝置多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立，如圖5所示。

圖5 單兵攜行裝置多剛體動(dòng)力學(xué)模型

2.4 碰撞力模型

攜行裝置仿真模型由多個(gè)部件構(gòu)成，在ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，除了添加必要的運(yùn)動(dòng)副，還需要定義各個(gè)部件之間的接觸約束，從而模擬炮彈與攜行裝置之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。接觸碰撞模型將碰撞過(guò)程歸結(jié)為“自由運(yùn)動(dòng)-接觸變形”，它通過(guò)計(jì)入碰撞體接觸表面的彈性和阻尼，建立了描述碰撞過(guò)程中力和接觸變形之間的本構(gòu)關(guān)系[6]。在ADAMS中采用非線性等效彈簧-阻尼法來(lái)模擬接觸過(guò)程，該模型在數(shù)學(xué)上便于處理[7]。法向接觸力F可表示為

(1)

式中:k為Hertz接觸剛度；e為≥1的指數(shù)；g為接觸點(diǎn)法向穿透距離；c為阻尼因子。

切向接觸力Ft采用庫(kù)侖摩擦定律，可表示為

Ft=μ(|Vt|)sign(Vt)F

(2)

式中:Vt為切向速度；μ為摩擦系數(shù)。

3 攜行具動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果與分析

本文根據(jù)行進(jìn)過(guò)程中翻越障礙的高度不同，對(duì)腰部受力和承載物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析攜行具以及承載物的通過(guò)性，受力曲線如圖6-圖7所示。

圖6 翻越20mm障礙時(shí)腰部受力曲線圖

圖7 翻越30mm障礙時(shí)腰部受力曲線圖

3.1 臺(tái)階高度對(duì)腰部受力分析

由上述受力曲線圖6-圖7可知，當(dāng)裝置翻越20mm障礙時(shí)，腰帶部位受力最大為293.9N，受力時(shí)間為2.37s；當(dāng)裝置翻越30mm障礙時(shí)腰帶部位受力最大為421.2N，受力時(shí)間為2.76s。由此可以得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，攜行具翻越的障礙高度對(duì)人體影響不大。我國(guó)汽車(chē)側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)GB 20071-2006規(guī)定，腹部受力峰值應(yīng)該≤2.5kN，所以本文仿真結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 攜行裝置的承載物速度與加速度分析

由受力曲線圖8-圖9可知，當(dāng)裝置翻越20mm障礙時(shí)，承載物質(zhì)心垂向最大速度為1351.67mm/s，垂向最大加速度為7.6×105mm/s2，承載物質(zhì)心水平最大速度為1477.87mm/s，水平最大加速度為1.26×105mm/s2；由圖10-圖11可知，當(dāng)裝置翻越30mm障礙時(shí)，承載物質(zhì)心垂向最大速度為1201.46mm/s，垂向最大加速度為2.2×106mm/s2，承載物質(zhì)心水平最大速度為1653.44mm/s，水平最大加速度為1.76×106mm/s2。由此可以得出結(jié)論：障礙物的高度對(duì)承載物的質(zhì)心垂向速度影響較小。

圖8 翻越20mm障礙時(shí)承載物 質(zhì)心點(diǎn)水平、垂向速度

圖9 翻越20mm障礙時(shí)承載物 質(zhì)心點(diǎn)水平、垂向加速度

圖10 翻越30mm障礙時(shí)承載物 質(zhì)心點(diǎn)水平、垂向速度

圖11 翻越30mm障礙時(shí)承載物 質(zhì)心點(diǎn)水平、垂向加速度

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)對(duì)某行具進(jìn)行仿真分析得出以下結(jié)論，在無(wú)需人力強(qiáng)硬拉扯裝置，以一個(gè)恒定的速度步行并翻越障礙物時(shí)：

1)本文設(shè)計(jì)的單兵攜行裝置，通過(guò)性良好；

2)在士兵牽引攜行裝置翻越障礙時(shí)，其高度對(duì)人體作用影響較?。?/p>

3)在翻越障礙時(shí)，障礙的高度對(duì)其承載物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較小；在實(shí)際過(guò)程中，當(dāng)翻越障礙時(shí)，應(yīng)該減緩速度，平穩(wěn)越障，以避免承載物掉落。