履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真(共36頁(yè))

1、湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)車(chē)輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真Modeling and Simulation of tracked chassis and drive system 學(xué)生姓名：劉延韜學(xué) 號(hào)：201240670127年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：2012級(jí)車(chē)輛工程（1）班指導(dǎo)老師及職稱：李軍政 教授學(xué) 院：工學(xué)院湖南·長(zhǎng)沙提交日期：2016年5月湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文誠(chéng) 信 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的

2、作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)論文作者簽名： 年 月 日履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真學(xué) 生： 劉延韜指導(dǎo)老師： 李軍政（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）摘 要:此設(shè)計(jì)以電腦仿真技術(shù)并結(jié)合履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建履帶行駛系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)坦克車(chē)與水底行走車(chē)輛的履帶行駛系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)其直線行駛性能，爬坡越障性能與轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行軟件仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。此過(guò)程中使用了計(jì)算機(jī)三維圖形設(shè)計(jì)的理論知識(shí)、三維建模技術(shù)和仿真技術(shù)（主要使用軟件：pro/E、recurdyn），實(shí)現(xiàn)了三維

3、模型建立與仿真分析。關(guān)鍵詞：三維建模；多體運(yùn)動(dòng)仿真分析；履帶行駛系統(tǒng)建模與仿真；目錄履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真1前 言31坦克履帶車(chē)身三維模型制作61.1使用Pro/E建立坦克履帶車(chē)車(chē)身6裝配炮塔與車(chē)身71.2使用recurdyn對(duì)履帶部分建模81.2.1創(chuàng)建履帶板與驅(qū)動(dòng)輪81.2.2創(chuàng)建履帶行走機(jī)構(gòu)101.3履帶子系統(tǒng)仿真121.4地面參數(shù)的設(shè)定132水底行走履帶車(chē)建模153坦克履帶車(chē)輛仿真分析183.1坦克履帶車(chē)軟質(zhì)與硬質(zhì)地面過(guò)坡承重輪受力分析183.2坦克履帶車(chē)輛單邊轉(zhuǎn)向分析193.3坦克履帶車(chē)輛原地轉(zhuǎn)向仿真分析203.4坦克履帶車(chē)輛扭矩懸掛仿真214水底行走履帶車(chē)仿真分析244.1直

4、線行走仿真分析244.2轉(zhuǎn)向行走仿真分析254.3水底行走履帶車(chē)爬坡，越溝行走仿真分析264.4水底行走履帶車(chē)履帶增設(shè)懸掛系統(tǒng)285總結(jié)316書(shū)目32前 言虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于近年來(lái)的物體幾何建模技術(shù)、特征、菜單交互、并行處理、智能化多體系統(tǒng)仿真技術(shù)的產(chǎn)物。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可建立一個(gè)面向?qū)ο蟮?、可提供三維組件庫(kù)的設(shè)計(jì)環(huán)境。獲得與三維環(huán)境交互體驗(yàn)的世界，它將計(jì)算機(jī)才能處理的數(shù)字化信息轉(zhuǎn)變易于感受的具有多種表現(xiàn)形式的信息。通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等多種感官對(duì)使用者產(chǎn)生并行作用并且對(duì)使用者的控制行為做出相應(yīng)的交互和反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，包含了現(xiàn)代科技各項(xiàng)高科技領(lǐng)域，包含多種先進(jìn)技術(shù)，如VR圖形與

5、圖像生成，各資源實(shí)時(shí)配合與分布、立體環(huán)繞音效技術(shù)、人體姿態(tài)識(shí)別與定位裝置，VR數(shù)據(jù)庫(kù)等。VR依賴仿真系統(tǒng)推動(dòng)整個(gè)虛擬系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，處理各項(xiàng)可交互運(yùn)算，對(duì)自然現(xiàn)象如重力、大氣壓、空氣阻力等進(jìn)行模擬等。所以在整個(gè)VR系統(tǒng)中仿真系統(tǒng)是其核心組成部分，沒(méi)有其參與，VR系統(tǒng)將無(wú)法表現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)世界的特性。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)本質(zhì)上算是一種仿真系統(tǒng)的進(jìn)階衍生形勢(shì)。VR系統(tǒng)在使用者對(duì)一些假想物體進(jìn)行交互式行為時(shí)，其需要及時(shí)，精準(zhǔn)地仿真出假想物體間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。怎樣對(duì)用戶的交互式行為進(jìn)行正?；貞?yīng)，影響了整個(gè)VR環(huán)境的真實(shí)性。目前主要的開(kāi)發(fā)程序主要有三種：三維模型建立軟件，三維實(shí)時(shí)仿真軟件及其相關(guān)函數(shù)庫(kù)。用戶交互與并

6、行處理能力。此次建模與仿真應(yīng)用了pro/E三維模型建立軟件與RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真軟件及其履帶工具庫(kù)對(duì)履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行。此次設(shè)計(jì)使用計(jì)算機(jī)建立底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)使用VR技術(shù)使得使用者能夠更加直觀感受其運(yùn)轉(zhuǎn)，更加真實(shí)地體驗(yàn)并觀察履帶底盤(pán)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)齊進(jìn)行真實(shí)交互行為。首先使用pro/E對(duì)履帶車(chē)身進(jìn)行3D建模，再將其導(dǎo)出為IGS后導(dǎo)入recurdyn對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，然后運(yùn)用RecurDyn中的履帶工具庫(kù)添加履帶及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行有限元分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)分級(jí)以及動(dòng)力學(xué)分析，讓大家對(duì)履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真流程有直觀的認(rèn)識(shí)和了解。首先要明白R(shí)ecurdyn對(duì)模型進(jìn)行仿真運(yùn)算的原理

7、。RecueDyn通過(guò)使用對(duì)研究對(duì)象建立計(jì)算模型的方式來(lái)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。其計(jì)算模型的建立是基于多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算理論基礎(chǔ)之上。l 物理模型：又稱作力學(xué)模型，由物體、鉸、力元，外力等元素組成并且具有一定拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。l 拓?fù)錁?gòu)型：指多體系統(tǒng)之中各物體間的聯(lián)系方式，稱之為系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)型，又簡(jiǎn)稱拓?fù)?。根?jù)拓?fù)渲惺欠裼谢芈反嬖冢囿w系統(tǒng)有能夠分為樹(shù)與非樹(shù)系統(tǒng)。系統(tǒng)中任意兩物體間通路唯一，不且不存在回路的系統(tǒng)稱之為樹(shù)系統(tǒng)，存在回路的系統(tǒng)稱之為非樹(shù)系統(tǒng)。l 物體：指代多體系統(tǒng)中構(gòu)件。在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算過(guò)程中，物體被分為剛性與柔性。分別稱之為剛體與柔體，當(dāng)對(duì)機(jī)構(gòu)零件的模型化時(shí)，剛體被定義為物體質(zhì)點(diǎn)

8、間的距離不發(fā)生改變的質(zhì)點(diǎn)系，而柔體需要考慮質(zhì)點(diǎn)間的距離變化。l 約束：系統(tǒng)的某構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)或構(gòu)件間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其施加的限制稱之為約束，約束可分為運(yùn)動(dòng)學(xué)約束以及驅(qū)動(dòng)約束。運(yùn)動(dòng)學(xué)的約束一般指系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)副約束代數(shù)形式，驅(qū)動(dòng)約束則是指單個(gè)構(gòu)件上或構(gòu)件之間被施加的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)條件。l 鉸：又被稱作運(yùn)動(dòng)副，屬于約束中的一種，即在多體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，物體間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束被定義為鉸。鉸約束是運(yùn)動(dòng)學(xué)約束中一種物理形式。l 力元：多體系統(tǒng)當(dāng)中，物體間相互作用被定義為力元，又可稱之為內(nèi)力。力元輸對(duì)系統(tǒng)中存在的彈簧，阻尼，制動(dòng)器的抽象形式。理想力元可以被抽象為統(tǒng)一的移動(dòng)彈簧，扭轉(zhuǎn)彈簧，阻尼，致動(dòng)器等。l 外力：多體系統(tǒng)外物

9、體對(duì)系統(tǒng)中物體作用定義為外力。l 數(shù)學(xué)模型：指運(yùn)動(dòng)學(xué)，靜力，動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的統(tǒng)稱，指相應(yīng)條件下對(duì)系統(tǒng)物理模型的數(shù)學(xué)描述。l 機(jī)構(gòu)：裝配在一起允許相對(duì)運(yùn)動(dòng)的若干剛體組合。l 運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究組成機(jī)構(gòu)相互連接構(gòu)件系統(tǒng)的位置、速度、加速度。其余產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力無(wú)關(guān)。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型是線性與非線性代數(shù)方程。l 動(dòng)力學(xué)：研究外力下機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。包括其系統(tǒng)的速度，加速度，位置，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中約束反力。動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是一直系統(tǒng)構(gòu)型，外力和初始條件球運(yùn)動(dòng)，又稱動(dòng)力學(xué)修正問(wèn)題。動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型是微分方程或其與代數(shù)方程混合形式。l 靜平衡：與時(shí)間無(wú)關(guān)的力作用下系統(tǒng)的平衡稱為靜平衡。其為一種特殊的動(dòng)力學(xué)分析，常用于確定系統(tǒng)的靜平衡位

10、置。l 逆向動(dòng)力學(xué)：是運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析的混合，尋求在運(yùn)動(dòng)學(xué)上確定系統(tǒng)反力問(wèn)題，與動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題對(duì)應(yīng)，是已知系統(tǒng)構(gòu)型與運(yùn)動(dòng)求反力又稱動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題。l 連體坐標(biāo)系：固定于剛體并隨其運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，以確定剛體運(yùn)動(dòng)。剛體上每個(gè)支點(diǎn)位置都由其連體坐標(biāo)系中不變矢量確定。l 廣義坐標(biāo)：唯一確定機(jī)構(gòu)所有構(gòu)件位置與方位，即機(jī)構(gòu)構(gòu)成的任意一組變量?？梢允仟?dú)立或不獨(dú)立。對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，廣義坐標(biāo)是時(shí)變量。l 自由度：確定一系統(tǒng)位置所需最少的廣義坐標(biāo)數(shù)目稱為其自由度。l 約束方程：對(duì)系統(tǒng)某構(gòu)件運(yùn)動(dòng)或構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)施加約束用廣義坐標(biāo)表示的代數(shù)方程式稱為約束方程。其為約束代數(shù)等價(jià)形式，是約束的數(shù)學(xué)模型。 1多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)可分

11、為三個(gè)發(fā)展階段：前期“多體動(dòng)力學(xué)仿真”階段是以多體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算力學(xué)做為研究參照，而其后則發(fā)展為綜合分析對(duì)象結(jié)構(gòu)、其控制以及運(yùn)動(dòng)仿真優(yōu)化相結(jié)合的階段，也就是所謂的“多體系統(tǒng)仿真”。當(dāng)前主要的的進(jìn)展方向則是進(jìn)入了綜合機(jī)，電一體化控制，并結(jié)合物理場(chǎng)的直接接入產(chǎn)品的“多體產(chǎn)品仿真”這一階段。RecurDyn是于“多體動(dòng)力學(xué)仿真”階段后期被開(kāi)發(fā)出來(lái)的，伴隨“多體系統(tǒng)仿真”階段發(fā)展并且延伸并已經(jīng)步入尚未成熟的“多體產(chǎn)品仿真”階段。多體動(dòng)力學(xué)仿真階段是多體仿真的萌芽階段。從業(yè)者大多為機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的出色學(xué)者。20世紀(jì)70年代隨電腦的逐步普及，美國(guó)多家大學(xué)應(yīng)用力學(xué)學(xué)者開(kāi)始以牛頓的力學(xué)定律對(duì)機(jī)械構(gòu)造建立數(shù)字化的

12、數(shù)學(xué)模型（Mathematical Models），這就是多體仿真的前身。當(dāng)時(shí)間進(jìn)入到70年代中至90年代，多體動(dòng)力學(xué)方面的研究進(jìn)展速度大幅加快，在這一時(shí)期誕生許多的基于多體動(dòng)力學(xué)理論而建立的數(shù)學(xué)模型以及與之相應(yīng)的算法，多體運(yùn)動(dòng)學(xué)的有效數(shù)值式解法并且發(fā)現(xiàn)了許多多體動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型和與之相關(guān)的幾何模型間的重要聯(lián)系。此中有以密西根大學(xué)建立的以Euler Angles為旋轉(zhuǎn)自由度的多體運(yùn)動(dòng)學(xué)的三維數(shù)模，伊利諾大學(xué)Dr. Shabana的模態(tài)柔體算法等。當(dāng)時(shí)間到達(dá)90年代中期后此些多體動(dòng)力學(xué)理論技術(shù)均已較為成熟，此時(shí)，RecurDyn的研發(fā)組繼承了這些多體運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的成果并引入了多體仿真分析常用的有限元

13、方式算法用于建立可承受較大規(guī)模的變形與相應(yīng)接觸的柔性體多體動(dòng)力學(xué)分析數(shù)模，并在年代末期于Microsoft的windows電腦系統(tǒng)公開(kāi)了其開(kāi)發(fā)的第一版本RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。 21 坦克履帶車(chē)身三維模型制作此次履帶底盤(pán)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真需要制作一個(gè)履帶車(chē)車(chē)身以結(jié)合RecurDyn的履帶工具庫(kù)進(jìn)行仿真。對(duì)于三維建模我選擇建模好用又直觀的Pro/E來(lái)實(shí)現(xiàn)。此軟件基于PC平臺(tái)，是第一個(gè)提出參數(shù)化設(shè)計(jì)概念的軟件，現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，采用模塊方式，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。其擁有強(qiáng)大的三維建模功能，并有多種導(dǎo)出方式與裝配，仿真的能力，但無(wú)法對(duì)帶、鏈 、履帶

14、等組件進(jìn)行多體系統(tǒng)仿真。1.1 使用Pro/E建立坦克履帶車(chē)車(chē)身此次坦克履帶車(chē)模型將參考德國(guó)豹二坦克的三視圖外形進(jìn)行制作，首先將在pro/E中制作坦克車(chē)身，為便于較為準(zhǔn)確，美觀地建立模型，建模過(guò)程將會(huì)依照豹二坦克的外形三視圖。制造坦克炮塔用Pro/E造型功能中的跟蹤草繪導(dǎo)入豹二三視圖后，用掃描建立坦克炮塔模型。制造履帶車(chē)身方式與制作炮塔大同小異，注意尺寸的配合。 裝配炮塔與車(chē)身使用Pro/E的裝配功能安裝坦克炮塔與車(chē)身，履帶車(chē)身的建模工作完成。將模型導(dǎo)入RecurDyn 將模型文件保存為STEP格式以導(dǎo)入RecurDyn，將其組合為一個(gè)整體，并將材質(zhì)設(shè)為鋼質(zhì)。2 使用recurdyn對(duì)履帶部分

15、建模RecurDyn作為一款由FunctionBay（韓國(guó)）開(kāi)發(fā)的新一代多體動(dòng)力學(xué)的仿真軟件。特點(diǎn)在于使用相對(duì)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程理論且引入了完全遞歸算法，使得其十分適合求解大規(guī)模的，較為復(fù)雜的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)類問(wèn)題。RecurDyn軟件能夠支持STEP、IGES、ADAMS等多格式模型文件，亦可提供2D/3D幾何造型的功能，同時(shí)其支持參數(shù)化的建模方式。RecurDyn在軟件中提供了20多種約束類型以及10多類力施加形式，而在接觸建模的方面，RecurDyn通過(guò)21項(xiàng)接觸定義方便用戶進(jìn)行具體操作并能夠?qū)崿F(xiàn)極為高效率的求解。大型的，涉及到多體運(yùn)動(dòng)方面較為復(fù)雜的系統(tǒng)，其能夠通過(guò)分成多個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)

16、的層層考核。Recurdyn有專門(mén)的履帶工具包，這也使得履帶模型的建立與裝配變得更為簡(jiǎn)單?，F(xiàn)在將以坦克履帶車(chē)輛模型的建模為例進(jìn)行履帶模型的創(chuàng)建說(shuō)明。履帶結(jié)構(gòu)同樣參考豹二坦克圖紙。2.1.1 創(chuàng)建履帶板與驅(qū)動(dòng)輪 首先定義履帶板的形狀。進(jìn)入Recurdyn的履帶工具包，因?yàn)闆](méi)有豹二坦克準(zhǔn)確的履帶行駛系統(tǒng)的尺寸與數(shù)據(jù)可以參考，只能通過(guò)估算的方式確定履帶驅(qū)動(dòng)輪的參數(shù)。根據(jù)三視圖我們可以知道豹二坦克的履帶驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)為10，直徑約為600mm，采用梯形齒，雙銷式連接方式。因此我們可以用如下公式算出履帶的節(jié)距。 知道節(jié)距約為185mm。建立相應(yīng)的履帶板模型。履帶類型選取坦克履帶常見(jiàn)的HM-I型履帶，并選取履

17、帶滾子直徑d=10mm。寬度依照模型履帶槽寬確定。依照性能要求對(duì)履帶齒形進(jìn)行調(diào)整。其他參數(shù)依照要求進(jìn)行修改。依照得出驅(qū)動(dòng)輪的齒頂圓與齒根圓，并依據(jù)履帶板寬度得出驅(qū)動(dòng)輪寬度，將這些數(shù)據(jù)依此輸入RecurDyn履帶驅(qū)動(dòng)輪模組的驅(qū)動(dòng)輪設(shè)定參數(shù)中，可以自由設(shè)定齒的大致外形，我依照坦克履帶車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的特點(diǎn)將其設(shè)置為梯形齒。2.1.2 創(chuàng)建履帶行走機(jī)構(gòu) 隨后依照三視圖建立履帶的承重輪，拖鏈輪與惰輪。承重輪，拖鏈輪與惰輪的大小與寬度均依照三視圖確定。將其按照三視圖的布局進(jìn)行排列。履帶車(chē)輛包含有兩條履帶子系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)如下圖所示含有1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)惰輪，7個(gè)承重輪與21個(gè)拖鏈輪。接著創(chuàng)建各輪的連接體。依照網(wǎng)上的

18、圖片與文字資料能夠知道豹二坦克采用了極為特殊的扭桿式懸掛。這里我雖然按照坦克的三視圖設(shè)計(jì)了扭桿，但緩沖方面決定暫時(shí)先采取豎直方向的螺旋彈簧作為懸掛的彈性元件以確保承重能力。在對(duì)履帶行駛系統(tǒng)完成一系列路面仿真，確保履帶板與驅(qū)動(dòng)輪嚙合能力，爬坡能力后將更換為扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行更接近真實(shí)情況的仿真分析。創(chuàng)建完扭桿與履帶子系統(tǒng)的框架后創(chuàng)建約束使履帶結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體。這里需要注意的是履帶驅(qū)動(dòng)輪的連接約束為單向滑動(dòng)約束，使其有一個(gè)水平方向的運(yùn)動(dòng)自由度，以便于履帶的張緊調(diào)整。此外不要忘記創(chuàng)建履帶子系統(tǒng)與母體間的約束。不然母體，也就是車(chē)身將無(wú)法更隨履帶行駛系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)。在裝配履帶板前的最后一步就是設(shè)置螺旋彈簧以實(shí)現(xiàn)

19、懸掛具有的緩沖避震的功能。以大幅增強(qiáng)車(chē)輛的通過(guò)性。對(duì)履帶行駛系統(tǒng)進(jìn)行履帶板的裝配是整個(gè)履帶建模過(guò)程中最為關(guān)鍵也是最為重要的一步。需要設(shè)置正確的鏈節(jié)數(shù)，使得履帶與驅(qū)動(dòng)輪直接能夠正確咬合。必要時(shí)將驅(qū)動(dòng)輪以其自身中點(diǎn)Z軸進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)使得履帶板與驅(qū)動(dòng)輪之間沒(méi)有相互干涉的情況出現(xiàn)。此外不要忘記設(shè)定履帶的張緊力。過(guò)松將造成履帶板下垂，在行駛過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)拖鏈。而過(guò)緊，容易出現(xiàn)斷鏈的情況使用RecurDyn而不是Pro/E進(jìn)行履帶建模的原因有以下幾點(diǎn)：1. RecurDyn有專門(mén)的履帶組件庫(kù)，通過(guò)直接選擇庫(kù)中的元件進(jìn)行裝配能大幅縮短建模所耗費(fèi)的時(shí)間，降低模型之間無(wú)法裝配的缺點(diǎn)。2. RecurDyn能夠

20、直接通過(guò)修改參數(shù)的方式對(duì)履帶板、驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，隨時(shí)修正。而從Pro/E導(dǎo)入的模型沒(méi)有此功能，一旦出現(xiàn)問(wèn)題只能通過(guò)重新建模的方式解決。3. RecurDyn建模完成后可直接進(jìn)行裝配，建模與裝配界面合一，并可直接添加約束與作用力進(jìn)行子系統(tǒng)仿真，避免了繁瑣的操作。2.2 履帶子系統(tǒng)仿真在此對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行子系統(tǒng)靜態(tài)仿真運(yùn)轉(zhuǎn)。在驅(qū)動(dòng)輪的軸約束中添加運(yùn)動(dòng)函數(shù)。這里需要用到STEP函數(shù)。此為一個(gè)3次多項(xiàng)式逼近階躍函數(shù)，能夠較為真實(shí)地反應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪逐漸加速的過(guò)程。函數(shù)STEP(X，X0，H0，X1，H1)當(dāng)X<X0時(shí)，STEP=H0當(dāng)X0<=X<=X1時(shí)，STEP=H0+H1-H

21、0X-X0X1-X02(3-2X-X0X1-X02) 當(dāng)X>X1時(shí)，STEP=H1并將其用于驅(qū)動(dòng)輪軸約束的速度變量這里將X取世界TIME，X0取0，H0取0，X1取1，H1取90D。意味著驅(qū)動(dòng)輪將在1S世界內(nèi)加速到每秒90D的速度進(jìn)行仿真運(yùn)算，這里進(jìn)行5S，共150步的仿真。驅(qū)動(dòng)輪速度與加速度隨世界變化曲線如下圖所式由上面的曲線圖可知當(dāng)用STEP函數(shù)來(lái)仿真驅(qū)動(dòng)輪啟動(dòng)并加速到一定轉(zhuǎn)速時(shí)。驅(qū)動(dòng)輪加速度會(huì)先增加后降低，速度圖線將呈現(xiàn)一個(gè)圓滑的S型曲線增加至規(guī)定速度。此次仿真主要避免因?yàn)槁膸?shù)設(shè)置不正確而造成的履帶拖鏈、斷鏈，履帶張緊力過(guò)緊，過(guò)松的問(wèn)題。2.3 地面參數(shù)的設(shè)定在進(jìn)行路面仿真運(yùn)算

22、時(shí)，RecurDyn 采用的路面的仿真構(gòu)成單元為許多尺寸非常小的矩形方塊，每一塊單獨(dú)的RecurDyn的小矩形單元塊能夠參與計(jì)算并能記憶住行駛仿真過(guò)程中自身的的最大沉陷量、剪應(yīng)變，壓力及其剪應(yīng)力， 從而能夠算出地面與履帶間的水平摩擦力與履帶給與地面的正壓力。因?yàn)榈孛骖愋偷牟罹?，地面與履帶板之間發(fā)生的作用力相關(guān)計(jì)算會(huì)有所差異。在硬質(zhì)地面，地面與履帶板間壓力通過(guò)接觸力定義，因?yàn)槁膸к?chē)輛與地面的作用而產(chǎn)生的接觸力。RecurDyn 中內(nèi)置用于仿真的接觸力公式為：此公式中： fn指代地面與履帶間的接觸力， k 表示為履帶與地面的接觸剛度系數(shù)， 表示穿透深度， m1 表示接觸剛度指數(shù)； c 表示地面阻尼

23、系數(shù)，上加一點(diǎn)表示接觸點(diǎn)的相對(duì)速度，m2 表示接觸阻尼指數(shù)； m3 表示凹痕指數(shù)。 以上參數(shù)取決于履帶所用材料類型、履帶的尺寸等，在這之中，地面阻尼系數(shù) c 和接觸剛度系數(shù) k 對(duì)仿真結(jié)果有較大影響，地面與履帶間的摩擦力由庫(kù)侖摩擦定律計(jì)算得出。仿真用的硬地面參數(shù)如圖所示。 軟質(zhì)的地面默認(rèn)土壤能夠擁有“記憶”的能力，即能夠讀取并且加載計(jì)算的歷史。任何一塊單獨(dú)的履帶板跟軟質(zhì)地面之間會(huì)存在有單個(gè)廣義力，通常使用一個(gè)獨(dú)立的用戶向子程序來(lái)進(jìn)行計(jì)算，得到該單個(gè)廣義力的大小。各類不同的履帶式行走車(chē)輛對(duì)于地面正壓力的可用的仿真計(jì)算方式正是由美國(guó)的學(xué)者 M·G·貝克曾提出過(guò)的壓力-沉陷關(guān)系式

24、發(fā)展而來(lái)。式中的P用于表示履帶的接地正壓力，Kpi表示內(nèi)摩擦的仿真土壤塊變形模量，b則表示履帶板的寬度，Kc表示土壤內(nèi)聚變形模量， Z表示地面變形的深度，n表示變形指數(shù)。此公式用于持續(xù)加載的仿真，對(duì)于卸載應(yīng)用此公式：Au,Ko為土壤特征參數(shù)。地面與履帶間的水平作用力也是基于MG貝克理論進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。履帶在與其接觸的地面上會(huì)產(chǎn)生剪切作用力，其與履帶位移的關(guān)系可用如下公式表示：式中T表示地面與履帶的剪切應(yīng)力，單位為Pa, Tmax表示最大剪切力，單位同樣為Pa 。Sj表示剪切方向發(fā)生的位移，單位是m，k表示水平方向的剪切變形模數(shù)。式中To表示地面壓力等于0時(shí)最大剪切力，單位為Pa, 表示土壤內(nèi)摩擦

25、角，用度表示。這兩個(gè)式子能夠結(jié)合起來(lái)得到如下公式：本次仿真軟地面選用黏土地面，參數(shù)如圖所示。3 水底行走履帶車(chē)建模此次仿真還將涉及一輛依照參數(shù)進(jìn)行建模的水底行走車(chē)。此水底行走履帶車(chē)參照深海履帶式集礦機(jī)多體動(dòng)力學(xué)建模與行走性能仿真分析論文設(shè)計(jì)。車(chē)身與水底行走履帶車(chē)的履帶的子系統(tǒng)如下圖方式進(jìn)行建模：首先用pro/E軟件進(jìn)行水底行走式履帶車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)布局建模當(dāng)水底行走車(chē)行走時(shí)后部的特殊結(jié)構(gòu)將水底淤泥卷起，通過(guò)吸管與傳送帶將礦質(zhì)運(yùn)送至儲(chǔ)存?zhèn)}中。水底環(huán)境應(yīng)為水流的長(zhǎng)期沖刷不會(huì)有過(guò)于復(fù)雜的地形，但仍需要具備一定的越障能力。同時(shí)通過(guò)液壓升舉機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)礦物輸送機(jī)構(gòu)的高度。兩個(gè)真空管提供強(qiáng)大的吸力能清除水中，最

26、后使用傳送帶將礦質(zhì)輸送入儲(chǔ)存?zhèn)}。履帶行駛系統(tǒng)的履帶板不同于坦克車(chē)輛履帶使用硬軟質(zhì)地面均有一定適應(yīng)能力的HM型履帶，而是采用專為軟質(zhì)地面設(shè)計(jì)的LM型履帶。履帶板使用采用高履刺設(shè)計(jì)，履刺高度達(dá)到了130mm。同時(shí)大幅增加了履帶板的寬度，單條履帶板寬度可達(dá)1700mm，此舉有效增加了履刺在行駛過(guò)程中與地面軟質(zhì)的接觸面積，在松軟地形行駛時(shí)能有效增加履帶板與地面的剪切應(yīng)力，保障履帶車(chē)輛穩(wěn)定向前行駛的能力。接著創(chuàng)建單條履帶的模型。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在類似于坦克履帶車(chē)輛的地方，如驅(qū)動(dòng)輪在后，張緊輪在前。但又有著與坦克履帶車(chē)輛差別較大的地方。水底行走履帶車(chē)的承重輪尺寸要大幅小于坦克式履帶車(chē)履帶行走系統(tǒng)中的承重輪

27、，而且水底行走履帶車(chē)的履帶接地形狀不是像坦克履帶車(chē)的接地一樣呈兩邊高中間低的梯形接地外形，而是接地面大致持一條水平直線。有著其單條履帶行駛子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，十四個(gè)承重輪，一個(gè)張緊輪與三個(gè)托鏈輪組成。可以看出該論文初始的履帶行駛系統(tǒng)未加入懸掛。考慮到該履帶車(chē)重量足以改變水底松軟地質(zhì)，且行駛地形大都為平地松軟路面，懸掛并非必要組件。且因加入懸掛后造成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，會(huì)增大在水中發(fā)生銹蝕、故障的概率。隨后設(shè)置地面類型。在RecurDyn中將車(chē)身建模與履帶行駛系統(tǒng)裝配，可以得到水底行走履帶車(chē)輛的大致結(jié)構(gòu)。下面給出其建模過(guò)程的參考數(shù)據(jù)。參數(shù)/單位符號(hào)數(shù)值履帶集礦車(chē)水下總重力/W1.05×1

28、05履帶接地長(zhǎng)度/()N*l6單條履帶寬度/()b1.7履帶板節(jié)距/()l0.2履刺厚度/()d0.0454 坦克履帶車(chē)輛仿真分析履帶車(chē)輛的履帶行駛系統(tǒng)在進(jìn)行仿真時(shí)屬于一個(gè)非線性類的多體復(fù)雜系統(tǒng)。履帶車(chē)輛的履帶板與地面的擠壓，剪切等行為均是較為典型的多體系統(tǒng)接觸過(guò)程，而對(duì)于此類設(shè)計(jì)復(fù)雜接觸的過(guò)程 RecurDyn 軟件能夠?qū)Υ艘远囿w動(dòng)力學(xué)的方式進(jìn)行仿真與分析。首先對(duì)履帶車(chē)輛在硬，軟兩種地面的行走狀況進(jìn)行仿真分析。首先建立坐標(biāo)系， X 指代沿車(chē)體向前的方向， Y 指代方向?yàn)樨Q直向上的方向， Z 方向指代垂直車(chē)體指向外的方向。4.1 坦克履帶車(chē)軟質(zhì)與硬質(zhì)地面過(guò)坡承重輪受力分析坦克需要適應(yīng)多種地形，

29、其中就包括硬質(zhì)地面（如公路，橋梁等）與軟質(zhì)地面。在履帶車(chē)輛行駛過(guò)程中，支重輪是總重量經(jīng)履帶板傳遞到地面這一過(guò)程的主要承重組件，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性能影響巨大。這次選用兩型履帶車(chē)輛分通過(guò)黏土與剛性起伏路面，仿真情況為從約20cm處跌落地面進(jìn)行跌落仿真，然后原地啟動(dòng)，執(zhí)行上坡與下坡的行駛仿真。現(xiàn)對(duì)左側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)最前方的一對(duì)承重輪懸掛的螺旋彈簧進(jìn)行受力分析。分析結(jié)果如下：軟質(zhì)路面：硬質(zhì)路面： 由圖可知履帶車(chē)輛下落時(shí)硬質(zhì)地面會(huì)給承重輪造成更大的壓力，在起步平地階段，承重輪在硬地與軟地受力區(qū)別并不大，在5s左右履帶車(chē)開(kāi)始爬坡，兩種地面承重輪的受力均出現(xiàn)一個(gè)峰值， 相對(duì)于軟質(zhì)地面，硬質(zhì)地面會(huì)使承重輪受力迅速上升

30、，而軟質(zhì)地面上升速度明顯較為平緩。隨后上到坡頂后轉(zhuǎn)為下坡，承重輪受力均出現(xiàn)一個(gè)峰值，而硬質(zhì)地面受力峰值明顯高于軟質(zhì)地面。值得一提的是承重輪受力并非總是越小越好，當(dāng)其受力過(guò)小時(shí)容易產(chǎn)生履帶脫落的情況，因此在軟質(zhì)地面行駛時(shí)需要增大履帶的張緊力。4.2 坦克履帶車(chē)輛單邊轉(zhuǎn)向分析 為戰(zhàn)場(chǎng)上靈活性考慮，需要盡可能減小轉(zhuǎn)向半徑。此處采用單邊履帶行走機(jī)構(gòu)鎖死，單邊低速運(yùn)行的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向仿真。地面采用軟質(zhì)黏土路面下圖為仿真運(yùn)行圖下圖為坦克履帶車(chē)輛在軟質(zhì)土地上轉(zhuǎn)向行走的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖兩坐標(biāo)系分別對(duì)應(yīng)X軸與Z軸（水平平面位移路徑）由此曲線圖可知在進(jìn)行單向履帶驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向行走仿真時(shí)，坦克履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向半徑為2m左

31、右。此轉(zhuǎn)向半徑能夠滿足坦克駕駛時(shí)所需的機(jī)動(dòng)性。4.3 坦克履帶車(chē)輛原地轉(zhuǎn)向仿真分析 猜想當(dāng)兩側(cè)履帶以等速反向低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)理論上能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，現(xiàn)在將借助RecurDyn對(duì)原地轉(zhuǎn)向進(jìn)行仿真。下圖為坦克履帶車(chē)輛在軟質(zhì)土地上原地轉(zhuǎn)向的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖由此曲線圖可知在進(jìn)行原地的轉(zhuǎn)向行走仿真時(shí)，坦克履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向半徑仍有1m左右。具分析是因?yàn)槁膸?qū)動(dòng)輪正向旋轉(zhuǎn)與反向旋轉(zhuǎn)其受到的阻力不同，履帶板與地面摩擦因?yàn)榉较蚺c前后剪切角的差距也會(huì)使得左右兩側(cè)履帶子系統(tǒng)產(chǎn)生的作用力發(fā)生差別。同樣兩履帶的中心距與接地面積對(duì)此也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。為了實(shí)現(xiàn)完美的原地轉(zhuǎn)向需要考慮多方面的因素，并矯正兩驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)速度，真正的原地

32、轉(zhuǎn)向并非僅僅將兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪等速反向驅(qū)動(dòng)就能夠完成。4.4 坦克履帶車(chē)輛扭矩懸掛仿真真實(shí)的豹二坦克采用的是扭矩懸掛，用一根一定扭矩的桿通過(guò)連接臂連接至承重輪,而不是通過(guò)螺旋彈簧。這樣的好處在于使得車(chē)輛履帶形式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、緊湊與牢固，易于維修與更換?，F(xiàn)在將通過(guò)懸掛重新建模與仿真來(lái)進(jìn)行兩種懸掛的性能對(duì)比。首先進(jìn)行與上面相同的軟質(zhì)路面過(guò)坡仿真。這里曲線圖由第一對(duì)承重輪螺旋彈簧受力圖改為第一對(duì)承重輪連接擺臂與車(chē)體間連接軸約束的豎直方向受力情況。兩者分析結(jié)果如下：采用扭矩彈簧懸掛在過(guò)坡時(shí)豎直方向承重輪軸受力曲線及車(chē)身豎直位移曲線：采用螺旋彈簧懸掛過(guò)坡時(shí)豎直方向軸受力曲線及車(chē)身豎直位移曲線：通過(guò)對(duì)比

33、可以看出當(dāng)使用安裝螺旋彈簧懸掛時(shí)承重輪連接軸所受的徑向壓力波動(dòng)程度明顯要大于扭矩彈簧，并且造成了更大的壓力峰值。由此可知在坦克等重型越障履帶車(chē)上應(yīng)用扭矩懸掛要優(yōu)于使用螺旋彈簧懸掛。5 水底行走履帶車(chē)仿真分析5.1 直線行走仿真分析水底行走履帶車(chē)的速度范圍規(guī)定為0.5-1.0m/s。在對(duì)其進(jìn)行仿真時(shí)采用0.6m/s的速度，使用STEP函數(shù)進(jìn)行模擬。如圖為仿真截圖以及仿真曲線?？v向直線速度與時(shí)間曲線車(chē)體沉陷量曲線圖重心Y軸坐標(biāo)（豎直方向）與X軸坐標(biāo)（縱向）關(guān)系圖分析圖形能夠得知，水底行走履帶車(chē)能夠保證其速度穩(wěn)定性。水底行走履帶車(chē)直線行走時(shí)車(chē)體在仿真地質(zhì)的下沉距離約為100mm，履帶齒能與底質(zhì)產(chǎn)生剪

34、切作用的厚度約為100mm。5.2 轉(zhuǎn)向行走仿真分析在進(jìn)行轉(zhuǎn)向的行走仿真時(shí)，因?yàn)樗仔凶咿D(zhuǎn)向車(chē)輛的履帶板寬度較寬，決定采用差速轉(zhuǎn)向方式以保證履帶壽命。仿真選取轉(zhuǎn)向速度比值為1.2，內(nèi)側(cè)履帶速度調(diào)整為0.5m/s下圖為水底行走履帶車(chē)在不同地面上轉(zhuǎn)向行走的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖兩坐標(biāo)系分別對(duì)應(yīng)X軸與Z軸（水平平面位移路徑）砂壤土硬質(zhì)土粘性土由曲線圖可知在進(jìn)行轉(zhuǎn)向速度比為1.2的行走仿真時(shí)，水底行走履帶車(chē)的轉(zhuǎn)向半徑達(dá)到了30m左右，基本上轉(zhuǎn)向路徑為正圓形，證明在軟質(zhì)地面轉(zhuǎn)向性能并未受到較大影響。但由于過(guò)大的轉(zhuǎn)向半徑可知水底行走履帶車(chē)在行駛時(shí)必須預(yù)先進(jìn)行路徑規(guī)劃以避免發(fā)生跑偏、碰撞等事故。5.3 水底行走

35、履帶車(chē)爬坡，越溝行走仿真分析由于水底地面環(huán)境較為復(fù)雜，必然會(huì)存在各種障礙。不要求水底行走履帶車(chē)能有坦克履帶車(chē)一樣的復(fù)雜地形通過(guò)力，但設(shè)計(jì)時(shí)仍需使其具備一定的爬坡，越溝能力。根據(jù)提供的設(shè)計(jì)要求，其爬坡高度不得大于0.5m ，爬坡坡度不得大于15度，越溝的寬度不得大于1m。依照此要求通過(guò)創(chuàng)建地形模型對(duì)其爬坡，越溝行走進(jìn)行仿真分析。下圖為仿真的部分圖片截取，首先是一個(gè)坡度為15度，坡高為0.5m的坡，隨后為一個(gè)寬度為1m，深度為0.3m的平行溝。仿真過(guò)程中，水底行走履帶車(chē)均能平穩(wěn)通過(guò)。下圖為行走過(guò)程中水底行走履帶車(chē)重心位置與速度的變化曲線圖綠色為速度曲線，藍(lán)色為重心的Y軸坐標(biāo)（豎直位移），底部為X軸

36、坐標(biāo)（縱向位移）由位移與速度，位移與車(chē)身重心縱坐標(biāo)曲線圖可以看出水底行走履帶車(chē)能夠滿足設(shè)計(jì)要求的爬坡與過(guò)溝能力。速度與車(chē)體重心位移的變化曲線準(zhǔn)確，能夠真實(shí)反映水底行走履帶車(chē)在爬坡與越溝過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征及變化。在上坡過(guò)程中可以看到車(chē)輛重心平緩上升，速度并未發(fā)生較大變化。在剛開(kāi)始下坡過(guò)程中，速度會(huì)突然增加到一個(gè)峰值，經(jīng)過(guò)波動(dòng)后逐漸趨于平緩，而過(guò)溝過(guò)程中重心位置與速度并未發(fā)生明顯變化。5.4 水底行走履帶車(chē)履帶增設(shè)懸掛系統(tǒng)在之前對(duì)于坦克履帶車(chē)的仿真中已經(jīng)證實(shí)對(duì)于重型車(chē)輛，扭轉(zhuǎn)式懸掛要由于螺旋彈簧式懸掛。這一理論在水底行走履帶車(chē)上是否同樣適用，接下來(lái)將進(jìn)行驗(yàn)證。由于該型履帶車(chē)設(shè)計(jì)因素，無(wú)法進(jìn)行強(qiáng)度較高的爬坡仿真，將通過(guò)仿真車(chē)輛駛過(guò)顛簸軟質(zhì)路面的方式來(lái)驗(yàn)證懸掛作用效果。由于在平地顛簸道路上單個(gè)承重輪受力波動(dòng)幅度較小，受其他因素影響較大故分析無(wú)法體現(xiàn)懸掛優(yōu)劣性?，F(xiàn)僅對(duì)車(chē)體重心的縱向位移進(jìn)行分析。未安裝懸掛時(shí)：安裝螺旋彈簧懸掛時(shí)：安裝扭力彈簧懸掛時(shí)：由