【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)的履帶車輛三維動力學模型，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，對結構進行了必要簡化，以（*.stp）格式導出完成的模型文件。（2） 把生成（*.stp）格式文件導入（Import）到多體動力學仿真軟件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)虛擬樣機模型建立。： 履帶車輛動力學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)構成的。履帶裝置由主動輪、負重輪、誘導輪、誘導輪張緊裝置、托帶輪和履帶組成。建模過程中進行了簡化，在保證質(zhì)量和轉動慣量以及質(zhì)心位置等參數(shù)不變的條件下，對車輛幾何外形細部做了適當簡化。單側履帶系統(tǒng)有5個負重輪、3個托帶輪、166塊履帶板，驅(qū)動輪前置，履帶塊結構為雙銷履帶、負重輪結構采用雙輪緣式結構。，最大載人量為15人，， ，整車共有1162個自由度。 添加結構約束 ： 整車構件及其約束明細構件名稱 數(shù)量 約束關系備注上車架1固定副(Fixed)同底盤底盤1平面（Plane）同地面平衡肘10旋轉副(Revolute)同車體負重輪10旋轉副(Revolute)平衡肘主動輪2旋轉副(Revolute)同車體誘導輪2旋轉副(Revolute)同車體托帶輪6旋轉副(Revolute)同車體履帶板166 襯套力（Bushing）履帶板間 車輛關鍵部件建模 主動輪構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)動機經(jīng)傳動裝置傳到主動輪上的驅(qū)動轉矩換成履帶的拉力；在制動工況時，將制動器傳來的制動轉矩轉向履帶制動。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，導入齒輪齒形刨面，完成定義。 （a）基本結構尺寸 （b）剖面齒形 主動輪結構示意圖 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雜的多接觸碰撞的動力學系統(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構，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，并裝有誘導齒，以確保履帶不會脫離負重輪軌道。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）雙銷履帶板基本結構尺寸 （b）履帶板連接力示意圖 （c）裝配示意圖和履帶機構裝配完成圖 履帶系統(tǒng)模型 動力推進簡化建模履帶車輛是由動力裝置通過側傳動機構驅(qū)動主動輪旋轉，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，將動力推進裝置簡化為驅(qū)動左、右主動輪的旋轉速度來實現(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)，其有效表達式可通過基本函數(shù)組合而成。函數(shù)表達式在多體系統(tǒng)建模仿真時具有非常重要的作用，諸如定義非常復雜的驅(qū)動、通過表達式實現(xiàn)某種控制、測量需要的量、控制輸入或輸出、優(yōu)化設計的目標函數(shù)或約束方程等[32]。本文中為了防止車輛啟動時轉速和負載的突變，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)表達式或設計變量。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，具備結構上緊湊、防護性等優(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構參數(shù)和影響因素，例如改變懸掛形式、負重輪、履帶板、地面等各種接觸單元。多體動力學仿真分析軟件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，亦可以表達非線性彈簧，(TSDA)及扭轉彈簧阻尼(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的彈簧，拉伸產(chǎn)生負力，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，配置在負重輪與車體之間，在第4負重輪處采用高強度扭桿彈簧懸掛，而在第5輪處采用“扭桿+液壓減震器”的復合懸掛形式。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，連接車身和負重輪的扭桿彈簧圍繞轉心發(fā)生轉動，從而提高車輛的行駛能力。文中利用“旋轉彈簧減振器驅(qū)動器”模型進行懸掛系統(tǒng)的力學描述（），建立扭桿部分簡化模型。 懸掛系統(tǒng)RSDA示意圖RecurDyn扭轉彈簧（以下簡稱扭簧）是施加在轉動副上的。(RSDA)創(chuàng)建步驟如下：（1） 從工具包區(qū)選擇ProfessionalForceRotational Spring。（2） 單擊一個轉動副，確定扭轉彈簧的位置。 扭轉彈簧屬性某履帶式裝甲車各平衡肘與車架相應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償室兩部分。筒式減振器設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）減振器結構參數(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和履帶式裝甲車性能數(shù)據(jù)，本文設定懸掛系統(tǒng)減震器結構尺寸參數(shù)如表32所示。 表32 減震器結構尺寸參數(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 誘導輪和張緊裝置設置履帶行走機構具有牽引力大、接地比壓低、爬坡能力強、轉彎半徑小等特點,在軍用車輛、工程機械等領域得到廣泛的應用。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。誘導輪通常安裝在履帶張緊機構的曲臂軸上，靠張緊機構移動誘導輪來張緊和調(diào)節(jié)履帶的松緊程度。按照誘導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構來實現(xiàn)運動過程中對張緊力整，因為其結構比較簡單，調(diào)整方便、省力，所以得到廣泛應用。文中建立的履帶式裝甲車曲臂扭轉式張緊力調(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鉸連接。剛筒與車體，曲臂和車體也采用旋轉鉸鏈連接。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、阻尼力及預載荷，當履帶遇到?jīng)_擊時，彈簧不斷伸縮變化，通過拉臂和曲臂結構來實現(xiàn)對履帶張緊力的實時調(diào)整。 履帶地面動力學關系 車輛地面關系在仿真技術中的應用履帶式車輛的仿真技術建立在對地面特性和車輛地面關系深刻了解的基礎之上，重點和難點主要是如何建立正確的力學模型，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)重點對車輛地面關系在仿真技術中的應用進行闡述。 履帶地面之間的相互作用關系，是車輛平順性研究和車輛關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響應一直是研究者關注的熱點和難點問題，目前這個問題可以借助先進的動力學仿真軟件完成，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化路面級別上對車輛進行模擬。 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模型，根據(jù)路面不同等級構建相應等級路面并與車輛行駛速度相結合，可以完成路面激勵響應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)。路面由矩形單元構成[40],每塊單元可以記住最大沉陷量、最大壓力、剪應變、剪應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，剪應力和剪切位移的關系產(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[41]。RecurDyn軟件中提供的兩種設置土壤模型的方法：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