基于RecurDyn軟件坦克懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真*

徐國(guó)英，王 闖，姚希民，陳靖然

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072)

0 引言

現(xiàn)代高速履帶車(chē)輛中得益于大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以達(dá)到的行駛速度越來(lái)越快，不過(guò)坦克在越野環(huán)境下的平均速度提高的卻不是很多，主要是受限于坦克的懸掛裝置［1－3］。而隨著現(xiàn)在技術(shù)的不斷發(fā)展，懸掛設(shè)計(jì)的方法也越來(lái)越多，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為其中不可或缺的一個(gè)，對(duì)于原來(lái)求解非常復(fù)雜的問(wèn)題，現(xiàn)在可以利用計(jì)算機(jī)順利解決，節(jié)約了大量的人力物力，現(xiàn)在多提動(dòng)力學(xué)軟件不斷涌現(xiàn)，其中ADAMS、LMS、SimPack和RecurDyn被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、軍工等領(lǐng)域［1－3］。筆者利用效率較高的 RecurDyn.。

1 RecurDyn軟件介紹

RecurDyn軟件(Recursive Dynamic)是由 FunctionBay(韓國(guó))公司研發(fā)的新一代多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，首先它是吸取了ADAMS的大量?jī)?yōu)點(diǎn)，又在此基礎(chǔ)上發(fā)展了自己的特點(diǎn)。它采用全新的運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，計(jì)算極其快捷穩(wěn)定，適合于求解大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，尤其是接觸問(wèn)題和柔性多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題［2］。

傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)現(xiàn)在普遍存在的接觸碰撞問(wèn)題解決的都不是很令人滿(mǎn)意，包括過(guò)多的簡(jiǎn)化、求解效率低下、求解穩(wěn)定性差等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需要。而Recurdyn以遠(yuǎn)超其他以前軟件的求解速度和穩(wěn)定性，成功地解決了機(jī)構(gòu)接觸碰撞中的上述問(wèn)題。所以說(shuō)Recurdyn不但可以很好解決傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也是解決工程中機(jī)構(gòu)碰撞問(wèn)題的能手［4－6］。

當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)向時(shí)，以向左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，此時(shí)右側(cè)車(chē)輪為外轉(zhuǎn)向輪。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)如圖2所示，假設(shè)液壓缸位活塞桿移為y，方向向右，通過(guò)右側(cè)拉桿推動(dòng)右梯形臂轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度α。則可得出活塞桿的位移y與右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α的關(guān)系為:

同理，活塞桿的位移y與左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β的關(guān)系為:

2 履帶車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型建立

2.1 目標(biāo)函數(shù)

選取某型坦克作為原型，建立了高速履帶車(chē)輛的多體力學(xué)模型，其懸掛系統(tǒng)是由多個(gè)6自由度的剛體組成的機(jī)械系統(tǒng)，多剛體系統(tǒng)是指忽略系統(tǒng)中彈性變形，將其作為剛體來(lái)處理。定義廣義坐標(biāo)如下:

約束個(gè)數(shù)為m，其約束形式如式(4):

然后根據(jù)拉克朗日方程法，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為:

對(duì)式(4)分別進(jìn)行兩次微分，可得方程如下:

模型的建立主要分為行動(dòng)系統(tǒng)和車(chē)體，其中行動(dòng)系統(tǒng)建模是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而RecurDyn軟件中高速履帶車(chē)輛模塊中提供了大量的原件，大大方便了模型的建立，其中動(dòng)力的提供是通過(guò)向主動(dòng)輪后置施加驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.2 建立RecurDyn路面模型

Recurdyn軟件提供了多種方法來(lái)生成路面曲線(xiàn)，本文使用的是Outline Geometry，生成的路面模型如圖3所示。

圖1 車(chē)輪理論轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖

圖2 車(chē)輪理論轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖

從而得到矩陣方程:

RecurDyn軟件中提供了兩種設(shè)置土壤模型的方法:一種是通過(guò)一般接觸力來(lái)定義土壤模型，一種是基于貝克理論來(lái)定義土壤模型。其中貝克理論建立的一般是干沙軟地面模型，而筆者采用一般接觸力理論來(lái)建立平坦贏地面模型。

法相接觸力Fn公式為:

式中:K為彈性系數(shù);C為粘滯阻尼系數(shù);δ·為滲透度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);n1、n2為非線(xiàn)性接觸力指數(shù);n3為壓痕指數(shù)。

通常在定義摩擦力時(shí)，主要根據(jù)摩擦系數(shù)與相對(duì)速度間的關(guān)系來(lái)得到。一般兩者之間的關(guān)系如圖3。

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性，要進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果應(yīng)該與仿真分析結(jié)果一致。本文根據(jù)GJB59.15－88《裝甲車(chē)輛試驗(yàn)規(guī)程—野外振動(dòng)試驗(yàn)》進(jìn)行了實(shí)施道路試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)加速度得到其曲線(xiàn)和加速度PSD曲線(xiàn)，和相同工況下仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

圖3 相對(duì)速度和摩擦系數(shù)間關(guān)系

通過(guò)分析知高速履帶車(chē)輛振動(dòng)主要來(lái)自三個(gè)方面，①由于地面不平而引起的振動(dòng)，其頻率范圍為0～150 Hz，這也是振動(dòng)的主要來(lái)源;②發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高頻振動(dòng);③車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)零件不可避免發(fā)生碰撞，其中產(chǎn)生的振動(dòng)。而頻率過(guò)大對(duì)人影響不大，所以主要考慮0～80 Hz的頻率，且車(chē)輛各個(gè)部件的加速度不會(huì)過(guò)大，所以實(shí)驗(yàn)中懸著低頻響應(yīng)、量程小、靈敏度高的加速度傳感器。

3.1 履帶車(chē)輛實(shí)車(chē)驗(yàn)證

為了保證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)儀器有一定的要求，儀器的性能要穩(wěn)定可靠，因?yàn)檐?chē)輛行駛的速度快，并且儀器的性能要有較強(qiáng)抗的干擾能力。為了節(jié)約成本選擇可滿(mǎn)足條件的單項(xiàng)加速度傳感器(量程為100 g，靈敏度為50 MV/g)，為了便于實(shí)驗(yàn)，選擇使用WS－5926型便攜數(shù)據(jù)采集記錄儀。

3.2 動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立車(chē)輛模型的準(zhǔn)確性，對(duì)該型履帶車(chē)輛進(jìn)行直線(xiàn)行駛測(cè)試，場(chǎng)地選取與B級(jí)隨機(jī)路面十分接近的高速跑道。其天氣情況良好，駕駛員的身體與精神也良好。

試驗(yàn)中，駕駛員需要駕駛高速履帶車(chē)輛分別以1、2、3、4四個(gè)不同的檔位在指定的高速跑道上進(jìn)行行駛，每一個(gè)檔位駕駛員都需要把油門(mén)踩到底，以便于保證車(chē)速的穩(wěn)定，方便與測(cè)量。安裝在車(chē)體扭扭力軸上方和駕駛員底座下方的加速度傳感器能有效地工作，記錄數(shù)據(jù)。

首先車(chē)輛以1檔的速度進(jìn)行行駛，行駛過(guò)后，分別記錄駕駛員底座下方車(chē)體垂直加速度信號(hào)如圖4，而在仿真模擬中，駕駛員底座下方車(chē)體垂直加速度信號(hào)如圖5，實(shí)車(chē)測(cè)試的振動(dòng)加速度PSD曲線(xiàn)與仿真測(cè)試振動(dòng)加速度PSD曲線(xiàn)圖如圖6、7。

可看出仿真試驗(yàn)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位置垂直加速度時(shí)域曲線(xiàn)以及PSD曲線(xiàn)基本一致。其中對(duì)比加速度PSD曲線(xiàn)圖，相同檔位下，實(shí)車(chē)信號(hào)與仿真信號(hào)加速度值最大峰值處的頻率基本一致，同理分別記錄車(chē)輛以2到4檔速度行駛時(shí)，其實(shí)車(chē)型號(hào)與仿真信號(hào)也大致相同，圖形太多，就不一一列舉了。

圖4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)1檔測(cè)試點(diǎn)位置垂直加速度時(shí)域曲線(xiàn)

圖5 仿真試驗(yàn)1檔測(cè)試點(diǎn)位置垂直加速度時(shí)域曲線(xiàn)

圖6 實(shí)車(chē)試驗(yàn)1檔測(cè)試點(diǎn)位置垂直加速度PSD曲線(xiàn)

圖7 仿真試驗(yàn)1檔測(cè)試點(diǎn)位置垂直加速度PSD曲線(xiàn)

將實(shí)車(chē)試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)相應(yīng)車(chē)體位置處的垂直加速度均方根值進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表1。

表1 垂直加速度均方根值對(duì)比 /(m/s2)

表1中，對(duì)比測(cè)試位置處垂直加速度均方根值，實(shí)車(chē)試驗(yàn)得出結(jié)果與仿真分析得出的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步證明了模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可看出隨著坦克速度的提升，其加速度的均方根值也逐漸增大，坦克平順性降低。

4 結(jié)論

(1)基于多提動(dòng)力學(xué)軟件recurdyn中高速履帶模塊，建立履帶車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)模型，并在recurdyn中針對(duì)B級(jí)路面進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

(2)在基本接近B級(jí)路面的高速跑道上進(jìn)行了實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同位置加速度及加速度PSD曲線(xiàn)，通過(guò)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)與仿真模擬結(jié)果的對(duì)比，得出了仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性?？梢钥闯鲕?chē)輛速度加快，加速度的均方根值也隨之變大，車(chē)輛平穩(wěn)性降低。

［1］ 閆清東，張連第，劉 輝.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

［2］ 丁法乾.履帶式裝甲車(chē)輛懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［3］ 王良曦，王紅巖.車(chē)輛動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］ 董新建.履帶車(chē)輛行動(dòng)部分動(dòng)力學(xué)分析與仿真［D］.湖南:湖南大學(xué)，2007.

［5］ 李傳才.履帶式裝甲車(chē)輛懸掛性能研究與仿真［D］.山西:中北大學(xué)，2013.

［6］ 尤·帕·沃爾科夫，阿·弗·巴依科夫，彼·得·巴·拉·諾夫.履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1996.