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履带地面力学系统建模及性能仿真

履带地面交互力学是履带车辆牵引动力学仿真的关键。分析履带-地面交互力学机理,以每块履带板与地面的力学作用为基元建立履带沉陷、地面垂直力、牵引力、侧向力、行驶阻力的数学模型,并基于此模型和FORTRAN语言开发了ADAMS的履带-地面交互力学用户子程序。将此模型应用到某型

履带地面力学系统建模及性能仿真1

宿月文, 朱爱斌 陈渭 谢友柏 , ,

西安交通大学机械工程学院,现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室,西安,710049

E-mail:suyw@http://doc.docsou.com

摘 要:履带地面交互力学是履带车辆牵引动力学仿真的关键。分析履带-地面交互力学机理,以每块履带板与地面的力学作用为基元建立履带沉陷、地面垂直力、牵引力、侧向力、行驶阻力的数学模型,并基于此模型和FORTRAN语言开发了ADAMS的履带-地面交互力学用户子程序。将此模型应用到某型矿用履带车辆虚拟样机模型,并进行了牵引动力学仿真。结果表明,该模型能很好的预测不同工况下每块履带板的运动力学状态和整车的牵引特性。本。

关键词:虚拟样机; 履带车辆; 动力学;仿真

中图分类号:TD421

1. 引言

履带车辆以其良好的通过性能在现代军事、农业、建筑业等领域发挥着十分重要的作用。为了提高研究效率,节省成本,动力学仿真被广泛应用到履带车辆设计之中。履带车辆动力学仿真的关键技术包括多体力学建模、履带-地面力学建模。特别是后者,由于土壤与履带的相互作用对履带系统的受力磨损,乃至整车诸如行驶阻力、挂钩牵引力等行驶性能有着重要影响,因此建立一个合适的车辆地面力学模型对仿真试验的成功是至关重要的。

目前,国外针对履带车辆的动力学仿真的软件系统主要有ADAMS/ATV,DADS,RecurDyn,可提供履带系统主要部件的参数化建模,整个履带系统的组装及动力学仿真等功能[1-2]。但是它们在实际应用中还存在诸多不足:(1) 软件的刚性太强,灵活性不足,用户只能利用系统所提供零部件模板建模,而不能由用户自定义,如不能建立任意结构型式的履带底盘系统模型;(2) 处理履带—负重轮—地面等相互接触之类的关键问题上对用户还都是“黑匣子”,不能描述任意构件在每一时刻的力学状态,很难为用户提供较高真实度的精细化模型;(3) 与CAD、FEM软件协作程度很低。

因此,本文根据经典的Bekker地面力学理论,采用坐标变换的方法详细建立每块履带板和地面的相互运动及力学作用。利用带库仑摩擦的三维接触力来描述履带和驱动轮、导向轮以及车身的接触作用。通过Solidworks和ADAMS来协同建立三维多体动力学仿真模型,采用Fortran子程序来定义每块履带和地面的力学作用。最后利用该方法建立了某型履带车辆的进行了行驶动力学仿真研究。。 [3]

2. 履带和地面交互力学模型

履带地面交互力学模型是模拟履带车辆诸如行驶阻力、挂钩牵引力等重要性能的基础。因此,建立一个合适的履带地面力学模型对履带车辆动力学仿真试验是至关重要的。履带地面力学建模主要包含两个方面的内容,分别为几何描述和力学描述。几何描述主要是建立履带和地面之间的空间位置关系;力学描述则是关于地面和履带的力学建模,即地面对履带的垂直、水平及侧向三个方向的力学表达[4],分别对应地面支持力、地面牵引力、转向阻力。

2.1 地面牵引力建模

如图1所示,地面轮廓在整体坐标系XYZ中的方程为Z=f(X,Y)。每个履带板上本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20050698016)的资助。

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