基于RecurDyn的履带车辆动力学仿真_骆清国

2 仿真与分析
运动仿真过程分为 3 个阶段． 2. 1 静平衡阶段
静平衡阶段表示仿真开始后履带车辆在重力作 用下，缓慢进入静平衡状态的过程． 静平衡位置分 析可用于验证模型的有效性，检验模型的约束条 件、初始条件等．
静平衡阶段将整个虚拟样机模型的运动约束设 置为零，让整车模型在自身重力作用下自然落到水 平地面上． 图 2 为整车车体质心垂向静止位置变化 曲线，可见车体质心垂向静止位置在前期发生上下 振动，约在 3 s 后不再变化．
T平均 = T = 0. 012 516 s ， r = R － H /3 = 0. 307 － 0. 009 7 = 0. 2973 m
根据公式（ 8） 得
V = πr = 3. 14 × 0. 2973 = 268. 5 km / h
T
0. 012516
4结论
轮胎高速旋转过程中，当轮胎变形恢复时间与 轮胎旋转一周的时间相同时，轮胎出现驻波，此时 的车速即为轮胎的临界速度． 根据此判定方法，利
图 2 车体质心垂向位置
2. 2 加速阶段 车辆由静平衡状态开始加速，并加速到目标速
度，仿真实验目标速度 V0 设定为 3. 424 km / h． 采 用 STEP 函数定义运动约束，由于此运动约束需施 加在主动轮旋转副上，所以，需要将目标车速换算 成主动轮的角速度，大小为 3. 6621） ．
图 1 履带车辆车体及行动部分实体模型
1. 2 施加约束 设置车辆各零部件之间的约束： 结构约束（ 接
触约束） 、力约束、运动约束及刚体碰撞约束等． 使行动部分各零部件与车体连接可靠、正确．
施加的主要约束包括： ①主动轮、诱导轮、托 带轮、平衡肘同车体之间以及负重轮与平衡肘之间 的旋转约束； ②平衡轴和车体之间施加力约束，施 加力约束时定义初始力或转矩； ③在车体和主动轮 的结构约束上定义一个运动约束，以驱动车辆行 驶； ④车辆与地面之间的碰撞约束，该约束由软件 自动完成，只需定义履带与路面之间的接触参数． 1. 3 道路模型
表 1 速度工况
工况 车速 / （ km·h － 1 ） 主动轮转速 / （ rad·s － 1 ）
1 3. 424 3. 621
2 6. 848 7. 242
3 8. 560 9. 053
图 7 中横坐标给出了施加在主动轮旋转副上的 3 种不同速度约束，纵坐标给出了实车试验与虚拟 测试分别得到的平均转矩大小． 由图 7 可以看出， 虚拟测试结果与实车道路试验所测得的转矩结果比 较接近，而且，不同速度工况下转矩变化不大，与 实际情况相符． 这主要是因为匀速阶段转矩的大小 由车辆与地面之间的摩擦力决定，而车辆所受摩擦 力主要由车体重量及履带与地面之间接触的摩擦阻 力系数决定，故转矩基本保持不变．
2） 将履带车辆仿真模型的计算结果，与同工 况下行驶实验的测试结果结合起来，验证了仿真模 型的正确性，也说明应用多体动力学仿真分析软件 RecurDyn 可以对履带车辆动力学性能作高效、精 确的仿真分析．
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车辆与动力技术
2011 年
4） 驻波临界速度计算
由图可知，车速分别为 150 km / h、160 km / h、
图 5 转矩时域波形图
可见，仿真结果比较理想，两侧转矩响应曲线 几乎是吻合的． 图中转矩的波动主要由履带和主动 轮轮齿的啮合造成，且由于仿真模型中，主动轮与 履带销之间是刚性连接，导致仿真输出的转矩幅值 比实测结果要大很多，在平均转矩较小时，会出现 转矩为负的情况． 计算得到左右两侧的平均转矩分 别为 318. 070 N·m、318. 894 N·m．
虚拟测试采用的是二维平坦型道路，设定接触 路面 为 非 沉 陷 刚 性 路 面， 直 接 在 RecurDyn 的 Ground 模块下建立，用来近似模拟履带车辆实车 道路实验的水泥混凝土道路，地面参数在履带系统 中定义，每条履带系统可单独定义路面和履带路面 间的接触参数［5］． 根据需要也可设为软路面，若 为软 路 面 则 需 要 根 据 M. G. Bekker 的 地 面 力 学 理 论［6］设定沉陷参数．
T平均
= T1 + t1 + T2 + t2 + T3 + + t3 + T4 + t4 4
=
0. 012449 + 0. 013215 + 0. 012739 + 0. 011661 4
=
0. 012516 s，
式中： t 为标点 1 以前的恢复时间； tz 为总时间； α1 为标点 1 的角度值； αz 为最后一点角度值； T 为拟 合的标点 1 到最终恢复的时间．
履带行驶系统组件，可以方便快速地实现对车辆行 动部分的精确建模． 同时，利用其提供的 Ground 模块可建立各种道路模型［1-3］． 1. 1 行动部分零部件几何建模及组装
履带车辆行动部分虚拟样机模型由车体、主动 轮、诱导轮、 负 重 轮、 托 带 轮、 履 带 等 零 部 件 组 成． 基于 RecurDyn 提供的 CAD 实体建模界面，可 方便地建立车体几何模型； 履带车辆含有两条履带 子系统，每条履带系统包括 1 个主动轮、1 个诱导 轮、6 个负重轮、3 个拖带轮和 89 块履带板，履带 板采用双销式链接； 车辆主动轮采用前置方式，主 动轮齿数为 11． 通过调用 Track-HM 模块，根据车 辆的实际情况选择各个子模型的具体结构，确定行 动部分各零部件的几何参数、性能参数、安装位置 以及连结方式等，完成车辆行动部分零部件实体模 型的组装，见图 1［4］．
1 履带车辆行动部分虚拟样机建模
虚拟样机分析软件 RecurDyn，以多体系统动 力学理论为基础，采用相对坐标系运动方程理论与 完全递归算法，减少了绝对坐标体系中约束方程的 数量，适于求解大规模复杂的多体系统动力学问 题． 其高速履带系统工具包 Track / HM，包括了主 动轮、诱导轮、负重轮、托带轮、高速履带等各种
收稿日期： 2011 － 04 － 06 基金项目： 柴油机高增压技术国家重点实验室基金项目 （ 9140C3306090903） 作者简介： 骆清国（ 1965 － ） ，男，教授； 司东亚（ 1987 － ） ，男，硕士研究生．
第4 期
骆清国等： 基于 RecurDyn 的履带车辆动力学仿真
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Key words： tracked vehicles； RecurDyn； multi-body dynamics； dynamic torque
履带车辆在现代战争中发挥着举足轻重的作 用，但因其机械系统复杂，使用环境多变，如果基 于传统的经验结合实验的方法对其性能进行研究， 通常周期比较长，耗费大． 随着虚拟样机技术的发 展及多体动力学分析软件的出现，对履带车辆动力 学性能的研究，可以通过建立准确的虚拟样机模 型，进行多种工况下的虚拟测试来实现，对降低试 验成本，缩短研制周期具有重要意义．
其意义为： 在前 3 s 内，主动轮转速为 0，车 辆在重力作用下落到水平路面上并达到静平衡； 在 3 － 8 s 内，车辆开始加速，主动轮转速由 0 加速至 3. 621 rad / s，然后开始匀速行驶． 图 3 为在两侧主 动轮旋转副上实际施加的运动约束，由于施加的运 动约束相同，两条曲线完全重合． 图 4 为仿真得到 的车体速度曲线．
比对，验证了模型的准确性，为下一步实现车辆动力-传动-行动装置联合仿真提供基础．
关键词： 履带车辆； RecurDyn； 多体动力学； 动态转矩
中图分类号： TP391. 9
文献标识码： A
Dynamic Simulation of a Tracked Vehicle Based on RecurDyn
图 6 为实车道路实验获得的匀速行驶阶段右侧 侧减速器被动轴上测点转矩时域波形，统计分析得 到其平均转矩大小约为 317. 169 N·m，与仿真结 果十分接近，可以认为仿真结果是准确的．
图 6 实测的转矩时域波形图
图 7 不同速度工况下转矩变化
3结论
1） 将虚拟样机技术运用于高速履带车辆动力 学特性的研究，通过建立履带车辆行动部分多体动 力学虚拟样机模型，进行虚拟仿真实验，可以极大 地节约时间和成本．
170 km / h、180 km / h 时，拟合函数恢复时间结果
分别为 T1 = 0. 0104s、T2 = 0. 0111s、T3 = 0. 0108s、
T4 = 0. 0098 s．
再根据 t =
αz
tz －
α1
×
α1
得
t1 = 0. 002049，t2 = 0. 002115，t3 = 0. 001939， t4 = 0. 001 861． 则
摘 要： 基于多体动力学仿真软件 RecurDyn，建立了某型履带车辆行动部分虚拟样机模型． 对履带车辆在硬质
水泥路面上，由静止加速到目标车速并匀速行驶的过程进行了仿真分析． 提取车辆匀速行驶阶段侧减速器被动
轴上测点的转矩响应时间历程，并与相同路面、速度工况下的车辆实车试验相应测点的动态转矩测试数据进行
车辆完成加速阶段，达到目标行驶速度后以稳 定车速匀速行驶． 匀速行驶阶段，左右两侧侧减速 器被动轴上测点转矩时域波形如图 5 所示．
为了进一步验证仿真模型的正确性，利用该模 型进行不同速度工况下的虚拟测试，得到相应的转 矩变化情况，并与相同工况下的实车道路试验结果 进行对比分析． 表 1 中给出了实车道路试验采用的 车速大小，在进行仿真时需将该速度转化为施加在 主动轮旋转副上的角速度．
图 3 两侧主动轮旋转副上施加的运动约束
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车辆与动力技术
2011 年
图 4 车体速度响应
可见，车 辆 匀 速 行 驶 时 的 速 度 为 0. 954 m / s （ 约 3. 433 km / h） ，与目标速度 V0 很接近，说明经 过换算 施 加 在 主 动 轮 旋 转 副 上 的 运 动 约 束 是 准 确的． 2. 3 匀速行驶阶段
2011 年第 4 期
车辆与动力技术 Vehicle ＆ Power Technology
文章编号： 1009 － 4687（2011）04 － 0026 － 03
总第 124 期
基于 RecurDyn 的履带车辆动力学仿真
骆清国1， 司东亚1， 龚正波1， 赵新军2
（ 1． 装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072； 2． 北方发动机研究所，大同 037036）
2． China North Engine Research Institute，Datong 037036，China）
Abstract： By using RecurDyn，Multi-body dynamics analysis software，a model is established for the running system of a tracked vehicle prototype． The processes of the vehicle motion are simulated both accelerating from its stationary state to a target velocity and keeping a uniform speed on a hard road，and the torque-time history was obtained from the virtual measuring points at the driven shaft of side-reducer． By comparing with the road-test results under the same conditions，the accuracy of the model was verified．
LUO Qing-guo1 ，SI Dong-ya1 ，GONG Zheng-bo1 ，ZHAO Xin-jun2 （ 1． Department of Mechanical engineering of the Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；