某型军用车辆整车的多体动力学建模与仿真 - 文章

某型军用车辆整车的多体动力学建模与仿真

作者：北方车辆研究所王军

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摘要：将虚拟样机技术应用于履带车辆系统。充分考虑碰撞、摩擦等复杂因素的存在，建立了履带车辆系统虚拟样机分析的力学模型，生成了路面文件。对整车进行动态仿真分析、运动学和动力学分析，获得了整车系统构件在运行过程中的性能曲线，从而可以对车辆系统在运行过程中的动态性能、动态响应和动载荷等，进行全面的评估和安全分析。给出了车辆行走姿态的动画演示过程，进行了碰撞检测、故障再现、干涉检查。
关键词：多体动力学仿真军用车辆

1 引言

履带车辆由于其零部件数量多，机构运动关系复杂，加上有大量极难研究的碰撞、摩擦存在，长期以来很难建立描述车辆整体性能的整车模型。在过去对整车系统模型研究过程中，往往将零部件不规则曲面间碰撞后的作用视为连续接触，这与实际情况并不完全相符。由于车辆中存在诸多通过接触传递力和运动的零部件，碰撞作用较多，对碰撞过程连续接触的假设将在很大程度上影响计算精度。随着多体系统动力学理论的迅速发展，使得借助动力学仿真软件在计算机上对整车系统进行仿真研究成为可能。

约束反力是很难计算的一类力，部件（如平衡肘轴、负重轮、减振器等）的作用在不同时刻将发生不同的变化，因此约束反力将反映许多作用的综合结果，以前用传统理论和手段很难较精确地对约束反力加以计算，虚拟样机技术很好地解决了这一问题。通过计算获得了重点零部件受力大小的时间历程，可以看到冲击引起的尖峰载荷。此外对运动范围进行了干涉检查、碰撞检测、故障再现。

在方案设计阶段用履带车辆的工具箱—— ATV(Adams Tracked Vehicle)对整车进行动力学仿真，对于某型步兵战车来说，意义非常重要。对于行动部分的薄弱环节是否满足刚强度要求，需要利用仿真软件提前获得行动部分薄弱环节的受力情况、冲击响应特性。再利用相关分析软件与工具进行校核，加强或改进薄弱环节的设计，能够提高整车性能与可靠性，节约经费与时间，对于及时保证研制任务的按计划完成、少走弯路具有重要意义。另外，对于整车的动力性能和机动性能进行动力学分析，为总体在方案设计阶段提供了强有力的分析和比较工具。对于试验受到驾驶员的驾驶技术、安全原因、场地原因等条件的限制而不能完全实现的情况，通过仿真试验虚拟实现危险情况下的试验意义尤为重要。

2 模型的特点

本文运用多体动力学软件ADAMS12．0 版的履带工具箱ATV建立某型战车整车模型。该模型有两条履带系统，采用双销履带，每条履带系统由1 个诱导轮、6 个负重轮、1 个主动轮、3 个托边轮和89 块履带板组成。每侧1，2，6 负重轮上装有减振器；3，4，5 负重轮尚未安装减振器，针对这一悬挂系统的具体结构特点，在第1，2，6 号负重轮上设置了减振器阻尼，用独立的弹簧阻尼元件来表示悬挂系统。

整车共有401 个移动部件（不包括大地）， 2200 个自由度。为了提高计算效率，对于重点研究垂向和水平运动的情况，根据对称关系建立了以过车体质心的xoz 平面为对称面的整车一半的模型。此时以一个平面副把车体限制在xoz 平面内，此时模型有1100 个自由度。整车的计算模型如图1所示。

图1 整车的计算模型

3 碰撞力的描述

在ADAMS 中用下述模型描述碰撞作用过程：

式中 F ——法向接触力；

K ——Herts 接触刚度；
C ——阻尼系数，通常随d 呈正比变化；
δ ——接触点法向穿透距离；
e ——不小于1 的指数。

该模型可描述整车系统中各零部件间碰撞作用的不连续性。

4 数值仿真计算

4.1 碰撞指数的选取

由于采用双销履带，给求解带来很多困难。碰撞指数的选择基于Hert2(赫兹)的理论，就压在板上的柱体而言，压入体积是压入深度的二次方程，指数取2 到3 得到了较好的收敛和速度。

4.2 碰撞力的计算

为了验证前面提到的碰撞问题，图2、图3 出车辆运行中两个碰撞力的变化规律。可以看出，碰撞过程中接触力的变化并不平滑，且可能出现两部件碰撞后短期脱离，而后再次碰撞的现象。

图2 第一负重轮与履带的碰撞力

图3 第二负重轮与履带的碰撞力

4.3 仿真算例

对多种工况进行了仿真计算，得到了整车及其关键部件的受力曲线。限于篇幅这里只给出以车速v=11.1111m/s(即40km/h)，在随机路面条件（不平路面的平均高度值为0.194m，平均长度值为2.097m，微观纵剖面的均方偏差为0.012m）进行仿真得到的部分响应曲线如图4~图10 所示。

图8 作用于第46 节履带销上的拉力

图9 驾驶员座椅底甲板处垂向振动加速度

图10 驾驶员座椅底甲板处垂向振动加速度的功率谱密度

5 结论

(1) 第一负重轮受到经常反复的冲击力峰值达6、7 吨之多。在过障碍时受到短暂的冲击力更大，甚至是其它轮所受冲击力的几倍。

(2) 在方案设计阶段对战车的动力性能和机动性能进行动力学分析、碰撞检测、故障再现、干涉检查，得到了定量分析动力性能和机动性能的依据。为总体在方案设计阶段提供了强有力的分析和比较工具，从而为整车在方案设计阶段少走弯路提供了捷径。

(3) 建模过程中，充分考虑了碰撞、摩擦的存在，使模型更准确、真实。利用虚拟样机这一新技术手段可以对以前极难研究的复杂问题进行分析和研究，虚拟样机技术对提高我军坦克设计水平有十分重要的现实意义。

(4) 没有实测试验道路的路面谱，只是采用某随机生成的硬路面。没有考虑发动机的激励作用。履带车辆在松软路面或实际路面上的建模与仿真需要进一步研究。

参考文献：
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13 王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS 上的实践.西安：西北工业大学出版社，2002.3(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/29/2005)


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