【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)的履帶車輛三維動力學(xué)模型，主要方法如下：（1） 利用Pro/E三維軟件，建立除車輛行動系統(tǒng)外的車身框架及懸掛系統(tǒng)模型。其中，為減小仿真規(guī)模，在不影響分析精度的前提下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要簡化，以（*.stp）格式導(dǎo)出完成的模型文件。（2） 把生成（*.stp）格式文件導(dǎo)入（Import）到多體動力學(xué)仿真軟件RecurDyn中，利用軟件中履帶子系統(tǒng)Track/HM,建立主動輪、負(fù)重輪、拖帶輪以及履帶環(huán)系統(tǒng)，初步完成履帶車輛行動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型建立。： 履帶車輛動力學(xué)模型車輛模型為某高速履帶車輛，由裝配的車身、質(zhì)量塊、履帶系統(tǒng)構(gòu)成的。履帶裝置由主動輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、誘導(dǎo)輪張緊裝置、托帶輪和履帶組成。建模過程中進(jìn)行了簡化，在保證質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量以及質(zhì)心位置等參數(shù)不變的條件下，對車輛幾何外形細(xì)部做了適當(dāng)簡化。單側(cè)履帶系統(tǒng)有5個負(fù)重輪、3個托帶輪、166塊履帶板，驅(qū)動輪前置，履帶塊結(jié)構(gòu)為雙銷履帶、負(fù)重輪結(jié)構(gòu)采用雙輪緣式結(jié)構(gòu)。，最大載人量為15人，， ，整車共有1162個自由度。 添加結(jié)構(gòu)約束 ： 整車構(gòu)件及其約束明細(xì)構(gòu)件名稱 數(shù)量 約束關(guān)系備注上車架1固定副(Fixed)同底盤底盤1平面（Plane）同地面平衡肘10旋轉(zhuǎn)副(Revolute)同車體負(fù)重輪10旋轉(zhuǎn)副(Revolute)平衡肘主動輪2旋轉(zhuǎn)副(Revolute)同車體誘導(dǎo)輪2旋轉(zhuǎn)副(Revolute)同車體托帶輪6旋轉(zhuǎn)副(Revolute)同車體履帶板166 襯套力（Bushing）履帶板間 車輛關(guān)鍵部件建模 主動輪構(gòu)建在車輛運動過程中，主動輪的主要功用是：在驅(qū)動工況時，驅(qū)動履帶將由發(fā)動機(jī)經(jīng)傳動裝置傳到主動輪上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩?fù)Q成履帶的拉力；在制動工況時，將制動器傳來的制動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向履帶制動。仿真時，起主要驅(qū)動作用的主動輪的齒面形狀對仿真結(jié)果有很大影響。對于輪齒的基本形狀參數(shù)，可以根據(jù)真實車體模型數(shù)據(jù)確定，但是對于精確齒形，則根據(jù)對實體模型分析得出的齒形剖面文件來定義（*.mat格式）。在軟件Track/HM子系統(tǒng)中創(chuàng)建主動輪，選擇Tooth Profile選項卡，導(dǎo)入齒輪齒形刨面，完成定義。 （a）基本結(jié)構(gòu)尺寸 （b）剖面齒形 主動輪結(jié)構(gòu)示意圖 履帶環(huán)系統(tǒng)由于履帶的存在，使得履帶車輛成為一個十分復(fù)雜的多接觸碰撞的動力學(xué)系統(tǒng)，仿真過程中需要考慮接觸碰撞、摩擦等多方面因素。履帶環(huán)是由一塊塊履帶板通過連接銷連接而成的，和各輪共同構(gòu)成履帶環(huán)系統(tǒng)。文中研究的高速履帶裝甲車輛采用雙銷掛膠履帶結(jié)構(gòu)，每塊履帶板有兩個掛膠履帶銷，相鄰履帶板的履帶銷彼此之間用兩個或更多連接元件聯(lián)接。端連器一般用來與主動輪嚙合，起著聯(lián)接作用，并裝有誘導(dǎo)齒，以確保履帶不會脫離負(fù)重輪軌道。本文在履帶模型中，端連器的質(zhì)量和慣性矩與履帶板相比比較小，為簡化模型不予考慮。在履帶模型中，相鄰履帶之間的約束為襯套約束（Bushing (b)所示）。（a）雙銷履帶板基本結(jié)構(gòu)尺寸 （b）履帶板連接力示意圖 （c）裝配示意圖和履帶機(jī)構(gòu)裝配完成圖 履帶系統(tǒng)模型 動力推進(jìn)簡化建模履帶車輛是由動力裝置通過側(cè)傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動主動輪旋轉(zhuǎn)，由主動輪齒撥動履帶環(huán)，驅(qū)動車輛行駛。文中沒有專門針對動力傳動系建模，而是按照約束情況，將動力推進(jìn)裝置簡化為驅(qū)動左、右主動輪的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)車輛的運動。這種簡化不影響對運動約束主要特征的描述和后續(xù)車輛行駛及轉(zhuǎn)向性能的分析。在RecurDyn軟件中的函數(shù)包括系統(tǒng)提供的函數(shù)和用戶自己定義的函數(shù)，其有效表達(dá)式可通過基本函數(shù)組合而成。函數(shù)表達(dá)式在多體系統(tǒng)建模仿真時具有非常重要的作用，諸如定義非常復(fù)雜的驅(qū)動、通過表達(dá)式實現(xiàn)某種控制、測量需要的量、控制輸入或輸出、優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)或約束方程等[32]。本文中為了防止車輛啟動時轉(zhuǎn)速和負(fù)載的突變，運用軟件提供的一般階躍函數(shù)Step函數(shù)（），在主動輪處施加餃驅(qū)動約束，完成車輛不同設(shè)置工況下的仿真分析。Step函數(shù)格式為：Step(x,x0,h0,x1,h1 ) 該表達(dá)式利用三次多項式逼近階躍函數(shù)，定義了一個光滑的階躍函數(shù)，其執(zhí)行格式為公式（37）所示： x≤x0 x0≤x≤x1 （37） xx1 式中： x ——為自變量，可以是時間和時間的任一函數(shù)；x0 ——為自變量的Step函數(shù)開始值；h0 ——為Step函數(shù)的初始值；x1 ——為自變量的Step函數(shù)結(jié)束值； h1 ——為Step函數(shù)的最終值。 其中，x0,h0,x1,h1，四個變量可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或設(shè)計變量。例如，函數(shù)Step(time,0,1,1,6)。 Step階躍函數(shù)加載曲線 Step函數(shù)曲線 其中，當(dāng)time=1時，函數(shù)值為1；time≥1時，函數(shù)值為6；0time1時，函數(shù)值按照STEP（Time）=1+(61)(time)2(32time)取值。 懸掛系統(tǒng)的簡化處理履帶車輛的懸掛系統(tǒng)和部件必須適應(yīng)越野戰(zhàn)斗車輛的特點，性能上滿足高速越野行駛車輛的要求，具備結(jié)構(gòu)上緊湊、防護(hù)性等優(yōu)勢。利用軟件建立的懸掛系統(tǒng)模型，可以方便的修改車輛模型的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和影響因素，例如改變懸掛形式、負(fù)重輪、履帶板、地面等各種接觸單元。多體動力學(xué)仿真分析軟件RecurDyn中提供了多種柔性連接力，相對于各種理想的鉸接而言，柔性連接考慮了變形的因素，是非剛性的約束。兩個元件間的彈力、粘滯阻尼力、制動力以及預(yù)載荷是由彈性阻尼產(chǎn)生的，主要是通過彈簧剛度和阻尼來控制，可以表示線性彈簧，亦可以表達(dá)非線性彈簧，(TSDA)及扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼(RSDA)。 彈性阻尼 (38) (39)式中：K（Spring Coefficient）——剛度系數(shù)；Kt（Spring Spline）——剛度曲線；C（Damping Coefficient）——阻尼系數(shù)；Ct（Damping Spline）——阻尼曲線。 彈簧剛度和阻尼系數(shù)可以是常數(shù)，也可以是樣條曲線，當(dāng)彈簧剛度和阻尼系數(shù)是常數(shù)時，可以通過剛度系數(shù)和阻尼指數(shù)來定義非線性彈簧，通過樣條曲線來表達(dá)的彈簧，拉伸產(chǎn)生負(fù)力，壓縮產(chǎn)生正力。 彈簧力樣條曲線文中研究的車輛采用的懸掛行駛為獨立懸掛，配置在負(fù)重輪與車體之間，在第4負(fù)重輪處采用高強(qiáng)度扭桿彈簧懸掛，而在第5輪處采用“扭桿+液壓減震器”的復(fù)合懸掛形式。由于該懸掛系統(tǒng)具有雙向漸升特性，且要求扭桿彈簧具有較高的材料性能，因此運用軟件中的柔性連接力扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼(RSDA)，通過對彈簧剛度和阻尼來控制彈簧力、阻尼力及預(yù)載荷，來實現(xiàn)對懸掛系統(tǒng)彈性特性及阻尼摩擦特性的仿真分析。履帶車輛行駛時，連接車身和負(fù)重輪的扭桿彈簧圍繞轉(zhuǎn)心發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而提高車輛的行駛能力。文中利用“旋轉(zhuǎn)彈簧減振器驅(qū)動器”模型進(jìn)行懸掛系統(tǒng)的力學(xué)描述（），建立扭桿部分簡化模型。 懸掛系統(tǒng)RSDA示意圖RecurDyn扭轉(zhuǎn)彈簧（以下簡稱扭簧）是施加在轉(zhuǎn)動副上的。(RSDA)創(chuàng)建步驟如下：（1） 從工具包區(qū)選擇ProfessionalForceRotational Spring。（2） 單擊一個轉(zhuǎn)動副，確定扭轉(zhuǎn)彈簧的位置。 扭轉(zhuǎn)彈簧屬性某履帶式裝甲車各平衡肘與車架相應(yīng)位置處安裝雙筒式液壓減振器。筒式液壓減振器有工作缸和補(bǔ)償室兩部分。筒式減振器設(shè)計中可能涉及的參數(shù)較多[33]，大致可以分為如下幾類：（1）整車參數(shù)：包括裝甲車全重、懸置質(zhì)量、裝甲車縱向的轉(zhuǎn)動慣量、車輛懸架剛度、車輛振動固有頻率（圓頻率）、筒式減振器個數(shù)等；（2）幾何布置參數(shù)：包括減振器的位置、彈性元件位置、安裝杠桿比等；（3）減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括減振器長度、減振器活塞直徑、活塞桿直徑、節(jié)流孔位置、節(jié)流孔個數(shù)、節(jié)流孔直徑、減振器筒徑等；（4）減振器工作參數(shù)：包括減振器的工作長度、限壓閥閥門彈簧的剛度、彈簧預(yù)緊壓縮量、閥門附加最大行程、活塞行程、活塞最大線速度、活塞正反最大阻力、開閥壓力、減振器阻尼系數(shù)等。（a）常見雙筒式液力減振器 （b）俄羅斯某型減振器局部示意圖 雙筒式液壓減振器示意圖在RecurDyn中液壓減振器的阻尼特性用剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來表示，根據(jù)評價減振器阻尼特性和量化的指標(biāo)和履帶式裝甲車性能數(shù)據(jù)，本文設(shè)定懸掛系統(tǒng)減震器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表32所示。 表32 減震器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表 參數(shù)名稱 數(shù)值大小剛度系數(shù)K (Spring Coefficient) (Nm/rad)阻尼系數(shù)C (Damping Coefficient)10000 (Ns/mm)剛度指數(shù) M (Stiffness Exponent)0阻尼指數(shù) N (Damping Exponent)1預(yù)載荷F (Pre Load)/T (Pre Torque)0彈簧自由長度（Free Length )660（mm）彈簧直徑 (Spring Diameter )80（mm）彈簧圈數(shù) (Number of Coils )20 誘導(dǎo)輪和張緊裝置設(shè)置履帶行走機(jī)構(gòu)具有牽引力大、接地比壓低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點,在軍用車輛、工程機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。履帶張緊裝置在履帶車輛的行駛過程中起著非常重要的作用，它及時調(diào)整履帶系統(tǒng)張緊力，時刻保證履帶環(huán)的穩(wěn)定性，防止因振動沖擊作用過大而發(fā)生脫輪故障等。誘導(dǎo)輪通常安裝在履帶張緊機(jī)構(gòu)的曲臂軸上，靠張緊機(jī)構(gòu)移動誘導(dǎo)輪來張緊和調(diào)節(jié)履帶的松緊程度。按照誘導(dǎo)輪軸的移動軌跡形式[34]，張緊裝置分為曲臂軸型和直線型兩種。在軍用履帶式車輛上用的最多的是曲臂軸型張緊裝置，利用液壓張緊緩沖機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)運動過程中對張緊力整，因為其結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整方便、省力，所以得到廣泛應(yīng)用。文中建立的履帶式裝甲車曲臂扭轉(zhuǎn)式張緊力調(diào)整裝置，由于調(diào)整好履帶張緊力之后，裝置液壓缸閉鎖，因此可將液壓缸看做缸體與拉臂之間用旋轉(zhuǎn)鉸連接。剛筒與車體，曲臂和車體也采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接。根據(jù)上節(jié)（）彈性阻尼理論分析，利用平移彈簧阻尼器（TSDA）來替代液壓調(diào)整裝置。 履帶調(diào)整裝置模型 模型中采用彈簧張緊方式，給定平移彈簧長度、直徑等參數(shù)，通過定義彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來控制彈簧力、阻尼力及預(yù)載荷，當(dāng)履帶遇到?jīng)_擊時，彈簧不斷伸縮變化，通過拉臂和曲臂結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對履帶張緊力的實時調(diào)整。 履帶地面動力學(xué)關(guān)系 車輛地面關(guān)系在仿真技術(shù)中的應(yīng)用履帶式車輛的仿真技術(shù)建立在對地面特性和車輛地面關(guān)系深刻了解的基礎(chǔ)之上，重點和難點主要是如何建立正確的力學(xué)模型，使之更接近于實際情況。在對于履帶行動系統(tǒng)動力學(xué)分析時，主要從兩個方面因素考慮：一方面是履帶與地面的作用；另一方面是考慮車輛行動系統(tǒng)內(nèi)懸掛系統(tǒng)及履帶張緊力的設(shè)置對車輛性能影響。對于履帶張緊調(diào)節(jié)裝置及懸掛系統(tǒng)的分析和簡化，上節(jié)（、）建模過程中已著重考慮，不再贅述，本節(jié)重點對車輛地面關(guān)系在仿真技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。 履帶地面之間的相互作用關(guān)系，是車輛平順性研究和車輛關(guān)鍵重要零部件可靠性研究的重要前提。如何快速有效地計算車輛的動力學(xué)響應(yīng)一直是研究者關(guān)注的熱點和難點問題，目前這個問題可以借助先進(jìn)的動力學(xué)仿真軟件完成，如美國 MSC 公司的 ADAMS 針對軍、民用履帶式車輛專門有分析履帶車輛工具包 ATV，可以將多履帶系統(tǒng)制成一個模型[38]，具有全三維能力可分析不同類型履帶系統(tǒng)以及與軟、硬土壤的相互作用。比利時LMS公司的動力學(xué)分析軟件履帶模塊(LMS Track Motion)專門為履帶車輛工程提供不同地形與車輛相互作用，能是工程師輕松地在不同細(xì)化路面級別上對車輛進(jìn)行模擬。 由于軟件需全面考慮履帶作用，并將一塊履帶板作為 6 個自由度的剛體考慮，因此這樣建立的模型常常具有1000多個自由度，求解極其耗時。而新一代動力學(xué)分析軟件 Recurdyn，因其采用全新的運動方程理論和完全遞歸算法[39]，計算極其快速穩(wěn)定，非常適合于求解大規(guī)模的接觸問題和柔性多體動力學(xué)問題。利用 Recurdyn提供的高速和低速履帶車輛的建模工具，建立車輛履帶板的動力學(xué)模型，根據(jù)路面不同等級構(gòu)建相應(yīng)等級路面并與車輛行駛速度相結(jié)合，可以完成路面激勵響應(yīng)對履帶車輛行駛性能的影響分析。 RecurDyn路面模型RecurDyn軟件中提供了幾種典型軟地面的相關(guān)參數(shù)，此外還可以根據(jù)用戶的需要自定義土壤參數(shù)。路面由矩形單元構(gòu)成[40],每塊單元可以記住最大沉陷量、最大壓力、剪應(yīng)變、剪應(yīng)力以計算正壓力或水平摩擦力。履帶板與土壤之間是通過受壓下沉，剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系產(chǎn)生相互作用。Bekker通過履帶板與土壤的滲透和剪切試驗開發(fā)了the bevameter測量技術(shù)[41]。RecurDyn軟件中提供的兩種設(shè)置土壤模型的方法：一種是通過一般接觸力來定義土壤模型，一種是基于貝克理論來定義