V某丘陵底盤虛擬樣機動力學仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31306某丘陵底盤虛擬樣機動力學仿真分析案例 19421.1底盤行走系統(tǒng)的模型建立 1289711.2路面模型的建立 5252571.3底盤虛擬樣機動力學仿真 570401.4小結 12淺山丘陵底盤使用環(huán)境復雜，傳統(tǒng)設計中，理論經(jīng)驗結合試驗的研究方法，周期較長且耗費大。RecurDyn軟件是一款適用于復雜系統(tǒng)動力學問題的求解的多體動力學仿真軟件，工具包中包含有履帶車輛、媒體傳送、等行業(yè)專用開發(fā)及分析工具，采用模塊化、參數(shù)化的一體式建模技術，能夠快速、準確方便的建立系統(tǒng)模型[53]。采用機械設計和運動學仿真相結合的模式能夠更有效的進行設計[54,55]。本文充分利用Recurdyn軟件和SolidWorks三維建模軟件，共同完成底盤行走系統(tǒng)動力學模型的建立，利用RecurDyn軟件對淺山丘陵作業(yè)車輛行走系統(tǒng)虛擬樣機進行動力學仿真。1.1底盤行走系統(tǒng)的模型建立1.1.1車架模型的建立模型整體可以分為負載、車架、左行走系統(tǒng)和右行走系統(tǒng)。負載安裝在車架上，左、右履帶行走系統(tǒng)位于車體部分兩側。運用SolidWorks軟件對底盤車架進行三維建模，同時為了減少仿真的計算量，對模型進行一定的簡化，以“.x_t”的格式將模型導入Recurdyn仿真軟件中，將所有部分合并。1.1.2行走系統(tǒng)模型的建立行走系統(tǒng)主要包括支重輪、驅(qū)動輪、張緊輪、托帶輪和履帶板，即“四輪一帶”。利用Recurdyn軟件中的低速履帶工具包創(chuàng)建履帶行走系統(tǒng)的多體動力學仿真模型，首先需要建立參數(shù)化部件[56]，根據(jù)淺山丘陵作業(yè)底盤的行走系統(tǒng)的安裝尺寸。首先設置驅(qū)動鏈輪的質(zhì)心坐標為(-2900,0,0)，其他行走系統(tǒng)結構的質(zhì)心坐標根據(jù)安裝尺寸確定。行走系統(tǒng)關鍵部件的參數(shù)建模如下：驅(qū)動輪在低速履帶子系統(tǒng)中，利用Sprocket工具建立驅(qū)動輪，根據(jù)驅(qū)動輪的輪齒等的結構設計參數(shù)，在GeometryDate選項欄對車輪基本的幾何參數(shù)進行修改，驅(qū)動輪的幾何參數(shù)如圖3-1所示。(a)(b)圖3-1驅(qū)動輪的幾何參數(shù)驅(qū)動輪模型如圖3-2所示。圖3-2驅(qū)動輪模型支重輪利用Track/LM中的SingleRoller命令進行建模，根據(jù)第二章中設計的參數(shù)，支重輪的幾何參數(shù)如圖3-3所示。(a)(b)圖3-3支重輪的幾何參數(shù)支重輪模型如圖3-4所示。圖3-4支重輪模型張緊輪和托帶輪利用CenterFlange建立張緊輪和托帶輪，根據(jù)第二章中設計的參數(shù)，張緊輪和托帶輪的幾何參數(shù)如圖3-5（a），圖3-5（c）所示。(a)(b)(c)圖3-5張緊輪和托帶輪的幾何參數(shù)張緊輪和托帶輪的三維建模分別如圖3-6（a），圖3-6（b）所示。(a)張緊輪(b)托帶輪圖3-6張緊輪和托帶輪模型履帶板先運用Track/LM中的TrackLink工具命令進行建立履帶板的單個建模[57]。本文研究的履帶車輛的履帶為橡膠履帶，與輪系嚙合且直接接觸，根據(jù)實際結構，對履帶板的詳細參數(shù)進行修改，最后運用TrackAssembly工具將履帶板裝配到輪系上。1.1.3約束和裝配在完成集合結構建模并裝配之后，需添加約束和驅(qū)動，使其具有完成運動的能力。底盤行走系統(tǒng)各零部件之間的約束關系，如表3-1所示。表3-1行走系統(tǒng)約束關系約束類型部件1部件2數(shù)量位置轉(zhuǎn)動副車架驅(qū)動輪1(-2900,0,0)轉(zhuǎn)動副履帶架支重輪6(-2430,-420,0)/(-2140,-420,0)(-1850,-420,0)/(-1560,-420,0)(-1270,-420,0)/(-980,-420,0)轉(zhuǎn)動副張緊支架張緊輪1(-500,0,0)轉(zhuǎn)動副履帶架托帶輪2(-1990,80,0)/(-1430,80,0)固定副車架履帶架1(-1704,-269,0)完成一側行走系統(tǒng)的裝配后，復制行走系統(tǒng)，將車架作為母體，將左、右兩個行走系統(tǒng)與車架相匹配，最終建立履帶車的運動學模型。整車動力學模型如圖3-7所示。圖SEQ圖\*ARABIC4-7整車動力學模型1.1.4添加驅(qū)動本文沒有針對底盤動力系統(tǒng)進行獨立建模，而是通過在驅(qū)動輪與車架處接的轉(zhuǎn)動副上面添加函數(shù)實現(xiàn)底盤的驅(qū)動。仿真過程中，驅(qū)動輪速度從零開始連續(xù)變化，因此函數(shù)選用STEP函數(shù)，能較好反映驅(qū)動輪逐漸加速的過程。函數(shù)表達式為:（3-1）式中：為驅(qū)動函數(shù)的自變量；為自變量的初始值；為自變量的結束值；為STEP函數(shù)的初始值；為STEP函數(shù)的結束值。1.2路面模型的建立Recurdyn軟件中的Ground模塊給出了兩種路面建模的方法，一種是有定義接觸力的無沉陷路面，另一種是通過Bekker理論定義的沉陷路面系，簡單來說，就是將土壤與車輛接觸時的變形分解為相互獨立的豎直方向的變形和水平方向的變形[58]。結合淺山丘陵路面半沙化的土壤特性，仿真路面設置為干沙軟路面，其特征參數(shù)如圖3-8所示。圖3-8路面參數(shù)1.3底盤虛擬樣機動力學仿真1.1.1模型預分析仿真分析之前，為了對模型整體的合理性進行評估，找出建模中存在的問題，應對所建立的模型進行預分析。預分析是為了找出模型中多余的約束、獨立的坐標，即對模型進行初步的驗證，并且計算自由度[59]。預分析的結果如圖3-9所示，預分析結果表明：模型運動自由度為456，不存在冗余約束。由模型預分析可知模型設計合理，可以進行仿真分析。圖3-9預分析結果1.1.2底盤通過性能分析（一）平地行駛平地行駛是淺山丘陵作業(yè)車輛底盤主要的行駛方式，履帶式底盤在路面的直線行駛仿真性能，主要是通過測量驅(qū)動輪的阻力矩、沉陷深度、接地比壓來衡量的[60]，同時履帶底盤行走的平穩(wěn)性也是底盤研究的重要指標[61]，其主要通過底盤的垂直方向的質(zhì)心位移來衡量[62]。分別模擬車速為8km/h、6km/h、4km/h三個工況下勻速直線行駛的過程。驅(qū)動輪在三個工況下穩(wěn)定行駛的轉(zhuǎn)速分別為1.895rps，1.426rps，0.948rps，驅(qū)動函數(shù)分別為STEP(TIME,0,0,1,-1.895*PI),STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI),STEP(TIME,0,0,1,-0.948*PI)(負號代表驅(qū)動輪沿順時針轉(zhuǎn)動)。仿真時間10s，步數(shù)1000步。履帶式行走系統(tǒng)的總阻力等驅(qū)動輪受到的反力，仿真模型中，驅(qū)動輪與車架之間的旋轉(zhuǎn)副Z方向的阻力矩即為履帶式底盤行駛時的阻力矩，圖3-10（a）為三種行駛工況（行駛速度）下驅(qū)動力矩變化曲線。由圖可知，0～1s內(nèi)是履帶底盤的加速階段，由于加速階段車架和履帶的振動導致受力不均勻，阻力矩變化較大；1s后底盤加速結束，保持勻速行駛，底盤運行平穩(wěn)，此時受力較均勻，由圖3-10（b）、（c）、（d）可知，三種行駛工況下底盤行駛總阻力的平均值相差不大，并且隨著行駛速度增加，驅(qū)動阻力矩有增高趨勢。（a）（b）（c）（d）圖3-10三種工況下驅(qū)動力矩變化曲線圖3-11為三種工況下履帶中第2塊履帶板的沉陷深度變化曲線，由曲線圖可知，三種行駛速度下履帶板的沉陷深度相同，查閱資料可知履帶沉陷深度主要與底盤重量以及土壤系數(shù)有關。圖3-11三種工況下履帶第2塊履帶板的沉陷深度變化曲線圖3-12為三種工況下履帶第2塊履帶板與地面的接觸力變化曲線。由曲線圖可知，履帶板與地面的接觸力的變化較大，主要是由于履帶板在嚙合時受力不均勻造成的。并且隨著行駛速度的升高，接觸力稍有升高。圖3-12三種工況下履帶第2塊履帶板與地面的接觸力變化曲線圖3-13為三種檔位工況下底盤質(zhì)心在y方向上的位移變化。0～1s內(nèi)底盤的質(zhì)心垂直位移曲線變化顯著，這是因為底盤開始加速時會產(chǎn)生較大的振動；曲線的波動在2s左右成規(guī)律性變化，波動明顯減弱，說明底盤勻速運行平穩(wěn)。圖3-13三種檔位工況下底盤質(zhì)心在y方向上的位移變化坡道行駛履帶式底盤的爬坡能力反應了底盤在坡道行駛和進行作業(yè)的效果，選取最大爬坡度為評價指標，最大爬坡度最直接形象的表明了一個履帶底盤的越障能力，最大爬坡度越大，爬坡能力越強。底盤的爬坡性能仿真如圖3-14所示。圖3-14底盤的爬坡性能仿真圖仿真速度為4km/h，驅(qū)動函數(shù)為STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)，建立長2598mm，高1500mm的30°坡道，仿真時間15s，步數(shù)1000步。圖3-15為爬越30°斜坡時底盤質(zhì)心y方向位移曲線。由圖可知，底盤在4s后開始爬坡，質(zhì)心位移升高，4～6.5s底盤開始爬坡，曲線斜率有微弱變化，6.5s～11s曲線呈線性增長，說明底盤在斜坡上穩(wěn)定行駛；11s～12s時，位移曲線快速升高又降低，因為此時底盤行駛到了斜坡的最高點，底盤前部分開始接觸上平面；12s后質(zhì)心位移曲線不再發(fā)生變化，說明底盤在上平面平穩(wěn)運行。由圖可知，底盤順利完成爬坡，達到了最大爬坡角度≥30°的設計要求。圖3-15爬越30°斜坡時底盤質(zhì)心的y方向位移曲線圖3-16為底盤爬30°斜坡時的底盤質(zhì)心的速度曲線。0～1秒內(nèi)為底盤速度達到設定速度4km/h；4s時，底盤開始爬坡，曲線產(chǎn)生波動，這是因為底盤行駛到斜坡的最低點，底盤前部分開始爬坡；6.5s后底盤整體完全爬上斜坡，速度穩(wěn)定在設定值4km/h附近，開始在斜坡上平穩(wěn)行駛；11s～12s秒速度曲線再次出現(xiàn)較大波動，這是因為底盤行駛到了斜坡的最高點，底盤前半部分的懸空使底盤產(chǎn)生速度改變，12s之后底盤整體到達上平面，速度穩(wěn)定在4km/h左右，行駛平穩(wěn)。底盤順利完成爬坡。圖3-16底盤爬30°斜坡時的底盤質(zhì)心的速度曲線圖3-17為底盤爬30°斜坡時的底盤質(zhì)心加速度曲線。底盤開始運動，4s時，底盤開始爬坡，此時曲線產(chǎn)生波動，這是因為底盤開始爬坡時底盤前部分接觸斜坡產(chǎn)生的加速度變化；4～7s底盤在斜坡上行駛，加速度穩(wěn)定；在12秒左右速度曲線再次出現(xiàn)較大波動，這是因為底盤從斜坡再次進入平地時產(chǎn)生較大加速度。底盤爬越斜坡過程中加速度變化合理，底盤運行平穩(wěn)。圖3-17底盤爬30°斜坡時的底盤質(zhì)心加速度曲線跑偏度分析底盤跑偏是由于兩側履帶與地面的接地比壓不同而導致兩側履帶相對地面的位移不同，即造成整機跑偏。通過參考標準GBT15370.4-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機通用技術條件第4部履帶拖拉機》中要求履帶拖拉機在干硬平整、坡道不大于1“的路面上的百米跑偏量不超過6m，即跑偏率不大于6%。以4km/h作為行駛速度，驅(qū)動函數(shù)為STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)，建立長150m的水平路面模型，仿真時間200s，步數(shù)500步。圖3-18為底盤x方向和y方向位移變化曲線，可知底盤于178s時，水平位移100m，同時偏移量為2757.84mm，計算跑偏率為2.7％。符合標準技術要求。圖3-18底盤x方向和y方向位移變化曲線1.1.3底盤轉(zhuǎn)向性能分析履帶式底盤改變運動方向的能力稱為轉(zhuǎn)向性能，是履帶式底盤重要的性能之一，履帶式底盤轉(zhuǎn)向是通過一側轉(zhuǎn)向離合器的分離來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，屬于原地轉(zhuǎn)向運動[63,64]。底盤的轉(zhuǎn)向性能仿真如圖3-19所示。圖3-19底盤的轉(zhuǎn)向性能仿真圖以6km/h作為行駛速度，外側驅(qū)動輪0～1s內(nèi)加速至1.426rps，1s后外側驅(qū)動輪勻速行駛，驅(qū)動函數(shù)為STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)；內(nèi)側驅(qū)動輪0～1s內(nèi)加速至1.426rps，1～2s內(nèi)勻速行駛，4s后速度為0，驅(qū)動函數(shù)為STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)+STEP(TIME,2,0,4,-1.426*PI)。仿真時間25s，步數(shù)1000步。由圖3-20可以看出，底盤兩側驅(qū)動輪初速度為0，1s以后驅(qū)動輪的角速度升高到4.47rad/s（1.426rps），內(nèi)側驅(qū)動輪從4s開始角速度為0，底盤開始轉(zhuǎn)向。圖3-20驅(qū)動輪角速度變化圖圖3-21為底盤在Z方向的質(zhì)心位移變化圖，由圖可知履帶拖拉機在Z方向的最大位移值為2216mm，最小位移位置為145mm，可得到最小轉(zhuǎn)向半徑為1180mm。已知淺山丘陵種植最小間距為6m，符合作業(yè)環(huán)境的轉(zhuǎn)向要求。圖3-21底盤在Z方向的質(zhì)心位移變化圖1.1.4底盤穩(wěn)定性能分析履帶式底盤的穩(wěn)定性能是行駛安全和作業(yè)安全的保障，指的是底盤在平地和坡地行駛過程中，不發(fā)生滑移或傾翻的能力。履帶式底盤的穩(wěn)定性能通常用縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性來衡量?？v向穩(wěn)定性是指車輛沿著坡道行駛時，底盤不會繞著其后軸或其前軸發(fā)生傾翻的能力。本文1.1.2中已對爬坡工況下穩(wěn)定性能進行了分析，橫向穩(wěn)定性是指車輛在左右高度不同的橫向坡度的道路上行駛時抵抗發(fā)生側向翻車、側向滑移的能力[65]。此處僅對橫向穩(wěn)定性進行仿真分析。以4km/h作為行駛速度，驅(qū)動函數(shù)為STEP(TIME,0,0,1,-1.426*PI)，建立長2598mm，高1500mm的30°斜坡，底盤整機模型在所建立的斜坡上橫向行駛，如圖3-22。仿真時間10s，步數(shù)1000步。圖3-22斜坡橫向行駛仿真圖仿真結果如圖3-23，底盤在坡道橫向行駛過程中未發(fā)生傾翻，0～1s內(nèi)底盤加速至4km/h，1s后穩(wěn)定行駛，在行駛過程中，質(zhì)心的位