基于RecurDyn的高速履带车辆建模

贵州民族大学机械电子工程学院 张 燕

1 引言

RecurDyn软件有强大的适合各个行业的工具包，其中的履带包Track(LM/HM)是专为履带车辆设计的专业化履带系统工具包，其中有履带板、链轮、驱动轮等组件，用户可以直接调用所需的部件，也可以根据需要自己定义部件形状参数等，可参数化调节各部件的几何形状。

2 车体几何模型

车架的几何模型，可以在RecurDyn中建立，也可采用其他三维软件建立。论文利用UG三维建模软件，建立某全地形车车架的三维模型。车架具体结构对仿真影响不大，因此只建立了车架几何形状的近似模型。在UG软件中将建好的车架模型导出为文本格式（*.x_t）的文件。

3 行走系统建模

在RecurDyn软件的履带子系统Track/HM中，导入车架几何模型，建立车辆行走系统的虚拟模型如图1所示。将导入的车架设为motherbody，可以根据需要对其质量、材质、颜色等特性进行修改。本模型含有两条履带子系统，每条履带子系统包括悬挂系统、1个驱动轮、1个导向轮、6个支重轮、3个拖带轮、87块履带板和1个张紧装置，；驱动轮采用前置方式，驱动轮齿数为10。各零部件的几何参数等根据车辆的实际情况确定。

履带车辆要实现规定的运动，各个零部件之间需要通过约束连接。在RecurDyn中，约束副关系通过Joint来定义。行走系统主要构件之间的约束关系设置如表1所示。

表1 行走系统主要构件约束副关系

3.1 行走系统关键部件建模

在RecurDyn中，驱动轮、支重轮、导向轮、拖带轮的建模方法相同，因此只对驱动轮的建模进行介绍。

驱动轮是履带车辆行走机构的关键部件，履带车辆的前进、后退、转向等都由驱动轮来完成，因此，驱动轮结构的优劣直接影响设备性能及行走机构的使用寿命。驱动轮的齿形，对车辆的仿真有很大影响。本论文根据某型履带车辆的驱动轮，确定了轮齿的结构参数。在RecurDyn的Track/HM子系统中，选择Sprocket建立主动轮，通过设置几何参数，得到驱动轮的结构如图1所示。

图1 驱动轮结构

3.2 张紧装置建模

在经过复杂的路况时，车辆的振动随着地面激励的增加而增大，引起履带、支重轮等部件发生跳动，履带松弛，严重时可能发生脱轮。而张紧装置能够及时调整张紧力，减小履带跳动，避免因地面工况差、较大振动而引起脱轮。

图2 张紧装置

张紧装置的工作原理是：通过移动导向轮来张紧和调整履带的松紧。导向轮与履带直接接触，通过调整与导向轮连接的曲轴的移动，实现履带松紧调节。根据运动形式的不同，张紧装置可分为曲轴型和直线型两种形式。这两种形式的张紧装置，结构都比较简单。本文建立的是曲轴型张紧装置。图2（a）为液压履带张紧调整系统的结构示意图。

在RecurDyn软件中，先建立液压缸系统，再导入到履带行走系统的模型中，对液压缸的运动进行设置。建立张紧装置的曲臂并添加约束，曲臂与履带架旋转铰链连接，导向轮与曲臂旋转铰链连接，液压缸与曲臂旋转铰链连接，液压缸与履带架旋转铰链连接，图2（b）为建立的张紧装置模型。

3.3 履带建模

RecurDyn软件中整条履带模型的建立，是通过先建立履带板，再装配得到的，各履带板之间通过连接销相互连接成一条履带，本文研究的履带车辆的履带为橡胶履带，因此采用单销挂胶履带结构。相互连接的两块履带板之间，通过衬套力相互约束，图3为两履带板连接的示意图。履带与驱动轮、支重轮、导向轮、托带轮直接接触，构成了履带车辆的行走系统。

在高速履带子系统Track(HM)中创建履带板，建立完成后，选择驱动轮、支重轮等完成履带子系统的装配如图4所示。

图3 履带板连接示意图

图4 履带板尺寸及履带装配模型

3.4 动力推进简化建模

在履带车辆车辆中，动力系统将驱动力矩通过传动装置传给驱动轮，通过驱动轮的旋转，驱动车辆行驶。本文对履带车辆的传动系统进行了简化，省略了行走系统中传动装置的建模，通过在驱动轮与车体之间添加的旋转副约束上施加速度驱动，实现行走系统的前进、后退、转向等运动，能够对履带行走系统进行精确的仿真及动力学分析。

3.5 悬架系统

本履带系统采用的是独立悬挂悬架系统，并对其进行了数学建模。由于支重轮所受振动的不同，第3、4支重轮处振动较小，采用扭杆悬挂，第1、2、5支重轮受到地面激励影响较大，为了保证车辆运行的平稳性，采用扭杆-油气悬挂系统。因此在RecurDyn中对这两种悬挂系统进行建模。

3.5.1 扭杆弹簧悬架模型

RecurDyn软件中提供了多种柔性连接力，包括弹簧阻尼、扭转弹簧阻尼、Bushing衬套力、beam梁力、Plate力等。与旋转副、固定副等理想铰接相比，考虑了变形，属于柔性连接。RecurDyn中的平移弹簧阻尼（TSDA）和扭转弹簧阻尼（RSDA），可以表示线性和非线性弹簧，可以在其属性表中设置参数。

为保证扭杆承受纯扭转，它的转动端装在平衡肘导管里，用导管承受弯矩，另一端与车体上的履带架连接。因此在平衡轴与车体的转动副上施加转动弹簧，建立扭杆弹簧悬架系统，在属性对话框内，可以设置扭杆弹簧的阻尼特性。

3.5.2 扭杆-油气悬架模型

针对履带行走系统的第1、2、5支重轮处振动大的特点，在这些支重轮处选用了“扭杆+液压减震器”的复合悬架。其结构特点是在原扭杆悬架基础上，又增加了一个液压减震器。它的两端分别与车体、支重轮轮连接。在RecurDyn中建立液压缸子系统来模型液压减震器，建模步骤如下：

(1)选择Subentity建立参数化端点、参数化值、参数化内点；

(2)选择Professional＞＞Body＞＞Cylinder建立几何部件（液压缸和活塞杆）；

(3)建立液压缸和活塞杆之间的平动副。

确定模型正确后，输出子系统，选择RecurDyn Subsystem file(*.rdsb)。在履带行走系统模型中，导入液压子系统。对液压系统进行编辑，设置液压缸运动。液压缸的上端与车体铰接，液压缸下端与支重轮铰接，确定液压缸安装位置后，在两个铰接处添加旋转副，完成扭杆+液压减震器悬架建模如图5所示。

图5 扭杆-油气悬架模型

3.6 路面模型

路面模型对履带车辆动力学仿真结果有着很大的影响。在RecurDyn软件中，可以自己建立地面模型，也可以通过直接导入RecurDyn中的地面模型文件。建立地面模型的方法有三种，分别是通过轮廓线建立、通过样条曲线建立、通过实体的面建立。

文中采用轮廓法建立路面模型。通过导入RecurDyn中的地面模型文件的方式建立随机路面，通过修改路面文件中的参数，可设置随机工况的路面。

4 结语

利用RecurDyn软件进行动力学仿真，虚拟模型的建立和参数设置决定了仿真结果的准确度。论文所建模型的合理性在后续的仿真过程中得到了验证。论文未对土壤的建模方法进行介绍，在RecurDyn中可以建立硬质、干沙软地面等地面模型，对高速履带工作的不同工况进行仿真。