基于RecurDyn软件坦克悬挂系统动力学仿真*

2015-06-11徐国英姚希民陈靖然

机械研究与应用 2015年3期

徐国英，王闯，姚希民，陈靖然

(装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072)

0 引言

现代高速履带车辆中得益于大功率的发动机，可以达到的行驶速度越来越快，不过坦克在越野环境下的平均速度提高的却不是很多，主要是受限于坦克的悬挂装置［1－3］。而随着现在技术的不断发展，悬挂设计的方法也越来越多，虚拟仿真技术已经成为其中不可或缺的一个，对于原来求解非常复杂的问题，现在可以利用计算机顺利解决，节约了大量的人力物力，现在多提动力学软件不断涌现，其中ADAMS、LMS、SimPack和RecurDyn被广泛应用于机械、军工等领域［1－3］。笔者利用效率较高的 RecurDyn.。

1 RecurDyn软件介绍

RecurDyn软件(Recursive Dynamic)是由 FunctionBay(韩国)公司研发的新一代多体动力学仿真分析软件，首先它是吸取了ADAMS的大量优点，又在此基础上发展了自己的特点。它采用全新的运动方程理论和完全递归算法，计算极其快捷稳定，适合于求解大规模及复杂接触的多体动力学问题，尤其是接触问题和柔性多体动力学问题［2］。

传统动力学分析软件对现在普遍存在的接触碰撞问题解决的都不是很令人满意，包括过多的简化、求解效率低下、求解稳定性差等问题，难以满足工程应用的需要。而Recurdyn以远超其他以前软件的求解速度和稳定性，成功地解决了机构接触碰撞中的上述问题。所以说Recurdyn不但可以很好解决传统的运动学问题，同时也是解决工程中机构碰撞问题的能手［4－6］。

当车轮转向时，以向左转向为例，此时右侧车轮为外转向轮。机构运动如图2所示，假设液压缸位活塞杆移为y，方向向右，通过右侧拉杆推动右梯形臂转动了一个角度α。则可得出活塞杆的位移y与右转向轮转角α的关系为:

同理，活塞杆的位移y与左转向轮转角β的关系为:

2 履带车辆多体动力学模型建立

2.1 目标函数

选取某型坦克作为原型，建立了高速履带车辆的多体力学模型，其悬挂系统是由多个6自由度的刚体组成的机械系统，多刚体系统是指忽略系统中弹性变形，将其作为刚体来处理。定义广义坐标如下:

约束个数为m，其约束形式如式(4):

然后根据拉克朗日方程法，系统运动方程为:

对式(4)分别进行两次微分，可得方程如下:

模型的建立主要分为行动系统和车体，其中行动系统建模是其中的重点和难点。而RecurDyn软件中高速履带车辆模块中提供了大量的原件，大大方便了模型的建立，其中动力的提供是通过向主动轮后置施加驱动来实现的。

2.2 建立RecurDyn路面模型

Recurdyn软件提供了多种方法来生成路面曲线，本文使用的是Outline Geometry，生成的路面模型如图3所示。

图1 车轮理论转角关系示意图

图2 车轮理论转角关系示意图

从而得到矩阵方程:

RecurDyn软件中提供了两种设置土壤模型的方法:一种是通过一般接触力来定义土壤模型，一种是基于贝克理论来定义土壤模型。其中贝克理论建立的一般是干沙软地面模型，而笔者采用一般接触力理论来建立平坦赢地面模型。

法相接触力Fn公式为:

式中:K为弹性系数;C为粘滞阻尼系数;δ·为渗透度对时间的导数;n1、n2为非线性接触力指数;n3为压痕指数。

通常在定义摩擦力时，主要根据摩擦系数与相对速度间的关系来得到。一般两者之间的关系如图3。

3 模型验证

为了验证模型的可靠性，要进行实车试验进行验证，其验证结果应该与仿真分析结果一致。本文根据GJB59.15－88《装甲车辆试验规程—野外振动试验》进行了实施道路试验，通过测量振动加速度得到其曲线和加速度PSD曲线，和相同工况下仿真结果进行比较。

图3 相对速度和摩擦系数间关系

通过分析知高速履带车辆振动主要来自三个方面，①由于地面不平而引起的振动，其频率范围为0～150 Hz，这也是振动的主要来源;②发动机产生的高频振动;③车辆在运动过程中各个零件不可避免发生碰撞，其中产生的振动。而频率过大对人影响不大，所以主要考虑0～80 Hz的频率，且车辆各个部件的加速度不会过大，所以实验中悬着低频响应、量程小、灵敏度高的加速度传感器。