履带底盘及驱动系统建模与仿真.docx

1、履带底盘及驱动系统建模与仿真湖 南 农 业 大 学车辆工程专业毕业设计履带底盘及驱动系统建模与仿真Modeling and Simulation of tracked chassis and drive system *学 号：*27年级专业及班级：2012级车辆工程（1）班指导老师及职称：李军政 教授学 院：工学院湖南长沙提交日期：2016年5月湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文

2、的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日履带底盘及驱动系统建模与仿真学 生： 刘延韬* *（湖南农业大学工学院，长沙 410128）摘 要:此设计以电脑仿真技术并结合履带底盘及驱动系统的三维模型构建履带行驶系统虚拟实验平台，对坦克车与水底行走车辆的履带行驶系统进行建模，并对其直线行驶性能，爬坡越障性能与转向性能进行软件仿真，对结果进行分析和总结。此过程中使用了计算机三维图形设计的理论知识、三维建模技术和仿真技术（主要使用软件：pro/E、recurdyn），实现了三维模型建立与仿真分析。关键词：

3、三维建模；多体运动仿真分析；履带行驶系统建模与仿真；前 言虚拟现实技术是基于近年来的物体几何建模技术、特征、菜单交互、并行处理、智能化多体系统仿真技术的产物。应用虚拟现实技术，可建立一个面向对象的、可提供三维组件库的设计环境。获得与三维环境交互体验的世界，它将计算机才能处理的数字化信息转变易于感受的具有多种表现形式的信息。通过视、听、触觉等多种感官对使用者产生并行作用并且对使用者的控制行为做出相应的交互和反应。虚拟现实技术又简称VR技术，包含了现代科技各项高科技领域，包含多种先进技术，如VR图形与图像生成，各资源实时配合与分布、立体环绕音效技术、人体姿态识别与定位装置，VR数据库等。VR依赖仿

4、真系统推动整个虚拟系统的稳定运行，处理各项可交互运算，对自然现象如重力、大气压、空气阻力等进行模拟等。所以在整个VR系统中仿真系统是其核心组成部分，没有其参与，VR系统将无法表现出现实世界的特性。所以，虚拟现实系统本质上算是一种仿真系统的进阶衍生形势。VR系统在使用者对一些假想物体进行交互式行为时，其需要及时，精准地仿真出假想物体间的运动状态。怎样对用户的交互式行为进行正常回应，影响了整个VR环境的真实性。目前主要的开发程序主要有三种：三维模型建立软件，三维实时仿真软件及其相关函数库。用户交互与并行处理能力。此次建模与仿真应用了pro/E三维模型建立软件与RecurDyn多体系统优化仿真软件及

5、其履带工具库对履带底盘及驱动系统进行。此次设计使用计算机建立底盘及驱动系统，通过使用VR技术使得使用者能够更加直观感受其运转，更加真实地体验并观察履带底盘及其驱动系统，对齐进行真实交互行为。首先使用pro/E对履带车身进行3D建模，再将其导出为IGS后导入recurdyn对模型进行设置，然后运用RecurDyn中的履带工具库添加履带及其驱动系统，进行有限元分析，运动学分级以及动力学分析，让大家对履带底盘及驱动系统的建模与仿真流程有直观的认识和了解。首先要明白Recurdyn对模型进行仿真运算的原理。RecueDyn通过使用对研究对象建立计算模型的方式来进行仿真优化分析的基础。其计算模型的建立是

6、基于多体动力学计算理论基础之上。物理模型：又称作力学模型，由物体、铰、力元，外力等元素组成并且具有一定拓补结构的系统。拓扑构型：指多体系统之中各物体间的联系方式，称之为系统的拓扑构型，又简称拓扑。根据拓扑中是否有回路存在，多体系统有能够分为树与非树系统。系统中任意两物体间通路唯一，不且不存在回路的系统称之为树系统，存在回路的系统称之为非树系统。物体：指代多体系统中构件。在多体系统动力学的计算过程中，物体被分为刚性与柔性。分别称之为刚体与柔体，当对机构零件的模型化时，刚体被定义为物体质点间的距离不发生改变的质点系，而柔体需要考虑质点间的距离变化。约束：系统的某构件运动时或构件间发生相对运动时对其

7、施加的限制称之为约束，约束可分为运动学约束以及驱动约束。运动学的约束一般指系统中的运动副约束代数形式，驱动约束则是指单个构件上或构件之间被施加的驱动运动条件。铰：又被称作运动副，属于约束中的一种，即在多体运动系统中，物体间的运动学约束被定义为铰。铰约束是运动学约束中一种物理形式。力元：多体系统当中，物体间相互作用被定义为力元，又可称之为内力。力元输对系统中存在的弹簧，阻尼，制动器的抽象形式。理想力元可以被抽象为统一的移动弹簧，扭转弹簧，阻尼，致动器等。外力：多体系统外物体对系统中物体作用定义为外力。数学模型：指运动学，静力，动力学数学模型的统称，指相应条件下对系统物理模型的数学描述。机构：装配

8、在一起允许相对运动的若干刚体组合。运动学：研究组成机构相互连接构件系统的位置、速度、加速度。其余产生运动的力无关。运动学数学模型是线性与非线性代数方程。动力学：研究外力下机构动力学响应。包括其系统的速度，加速度，位置，运动过程中约束反力。动力学问题是一直系统构型，外力和初始条件球运动，又称动力学修正问题。动力学数学模型是微分方程或其与代数方程混合形式。静平衡：与时间无关的力作用下系统的平衡称为静平衡。其为一种特殊的动力学分析，常用于确定系统的静平衡位置。逆向动力学：是运动学以及动力学分析的混合，寻求在运动学上确定系统反力问题，与动力学正问题对应，是已知系统构型与运动求反力又称动力学逆问题。连体

9、坐标系：固定于刚体并随其运动的坐标系，以确定刚体运动。刚体上每个支点位置都由其连体坐标系中不变矢量确定。广义坐标：唯一确定机构所有构件位置与方位，即机构构成的任意一组变量。可以是独立或不独立。对于运动系统，广义坐标是时变量。自由度：确定一系统位置所需最少的广义坐标数目称为其自由度。约束方程：对系统某构件运动或构件间运动施加约束用广义坐标表示的代数方程式称为约束方程。其为约束代数等价形式，是约束的数学模型。 1多体动力学仿真技术可分为三个发展阶段：前期“多体动力学仿真”阶段是以多体动力学的计算力学做为研究参照，而其后则发展为综合分析对象结构、其控制以及运动仿真优化相结合的阶段，也就是所谓的“多体

10、系统仿真”。当前主要的的进展方向则是进入了综合机，电一体化控制，并结合物理场的直接接入产品的“多体产品仿真”这一阶段。RecurDyn是于“多体动力学仿真”阶段后期被开发出来的，伴随“多体系统仿真”阶段发展并且延伸并已经步入尚未成熟的“多体产品仿真”阶段。多体动力学仿真阶段是多体仿真的萌芽阶段。从业者大多为机构动力学方面的出色学者。20世纪70年代随电脑的逐步普及，美国多家大学应用力学学者开始以牛顿的力学定律对机械构造建立数字化的数学模型（Mathematical Models），这就是多体仿真的前身。当时间进入到70年代中至90年代，多体动力学方面的研究进展速度大幅加快，在这一时期诞生许多的

11、基于多体动力学理论而建立的数学模型以及与之相应的算法，多体运动学的有效数值式解法并且发现了许多多体动力学数学模型和与之相关的几何模型间的重要联系。此中有以密西根大学建立的以Euler Angles为旋转自由度的多体运动学的三维数模，伊利诺大学Dr. Shabana的模态柔体算法等。当时间到达90年代中期后此些多体动力学理论技术均已较为成熟，此时，RecurDyn的研发组继承了这些多体运动学方面的成果并引入了多体仿真分析常用的有限元方式算法用于建立可承受较大规模的变形与相应接触的柔性体多体动力学分析数模，并在年代末期于Microsoft的windows电脑系统公开了其开发的第一版本RecurDy

12、n多体动力学仿真分析软件。 21坦克履带车身三维模型制作此次履带底盘及驱动系统建模与仿真需要制作一个履带车车身以结合RecurDyn的履带工具库进行仿真。对于三维建模我选择建模好用又直观的Pro/E来实现。此软件基于PC平台，是第一个提出参数化设计概念的软件，现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，采用模块方式，在国内产品设计领域占据重要位置。其拥有强大的三维建模功能，并有多种导出方式与装配，仿真的能力，但无法对带、链 、履带等组件进行多体系统仿真。1.1使用Pro/E建立坦克履带车车身此次坦克履带车模型将参考德国豹二坦克的三视图外形进行制作，首先将在pro/E中制作坦克车身，为便于较为准确

13、，美观地建立模型，建模过程将会依照豹二坦克的外形三视图。制造坦克炮塔用Pro/E造型功能中的跟踪草绘导入豹二三视图后，用扫描建立坦克炮塔模型。制造履带车身方式与制作炮塔大同小异，注意尺寸的配合。 装配炮塔与车身使用Pro/E的装配功能安装坦克炮塔与车身，履带车身的建模工作完成。将模型导入RecurDyn 将模型文件保存为STEP格式以导入RecurDyn，将其组合为一个整体，并将材质设为钢质。2使用recurdyn对履带部分建模RecurDyn作为一款由FunctionBay（韩国）开发的新一代多体动力学的仿真软件。特点在于使用相对坐标系的运动方程理论且引入了完全递归算法，使得其十分适合求解大

14、规模的，较为复杂的多体系统动力学类问题。RecurDyn软件能够支持STEP、IGES、ADAMS等多格式模型文件，亦可提供2D/3D几何造型的功能，同时其支持参数化的建模方式。RecurDyn在软件中提供了20多种约束类型以及10多类力施加形式，而在接触建模的方面，RecurDyn通过21项接触定义方便用户进行具体操作并能够实现极为高效率的求解。大型的，涉及到多体运动方面较为复杂的系统，其能够通过分成多个子系统实现整个系统的层层考核。Recurdyn有专门的履带工具包，这也使得履带模型的建立与装配变得更为简单。现在将以坦克履带车辆模型的建模为例进行履带模型的创建说明。履带结构同样参考豹二坦克

15、图纸。2.1.1创建履带板与驱动轮 首先定义履带板的形状。进入Recurdyn的履带工具包，因为没有豹二坦克准确的履带行驶系统的尺寸与数据可以参考，只能通过估算的方式确定履带驱动轮的参数。根据三视图我们可以知道豹二坦克的履带驱动轮齿数为10，直径约为600mm，采用梯形齿，双销式连接方式。因此我们可以用如下公式算出履带的节距。 知道节距约为185mm。建立相应的履带板模型。履带类型选取坦克履带常见的HM-I型履带，并选取履带滚子直径d=10mm。宽度依照模型履带槽宽确定。依照性能要求对履带齿形进行调整。其他参数依照要求进行修改。依照得出驱动轮的齿顶圆与齿根圆，并依据履带板宽度得出驱动轮宽度，将

16、这些数据依此输入RecurDyn履带驱动轮模组的驱动轮设定参数中，可以自由设定齿的大致外形，我依照坦克履带车驱动轮的特点将其设置为梯形齿。2.1.2创建履带行走机构 随后依照三视图建立履带的承重轮，拖链轮与惰轮。承重轮，拖链轮与惰轮的大小与宽度均依照三视图确定。将其按照三视图的布局进行排列。履带车辆包含有两条履带子系统，每个系统如下图所示含有1个驱动轮，一个惰轮，7个承重轮与21个拖链轮。接着创建各轮的连接体。依照网上的图片与文字资料能够知道豹二坦克采用了极为特殊的扭杆式悬挂。这里我虽然按照坦克的三视图设计了扭杆，但缓冲方面决定暂时先采取竖直方向的螺旋弹簧作为悬挂的弹性元件以确保承重能力。在对

17、履带行驶系统完成一系列路面仿真，确保履带板与驱动轮啮合能力，爬坡能力后将更换为扭转弹簧进行更接近真实情况的仿真分析。创建完扭杆与履带子系统的框架后创建约束使履带结构成为一个整体。这里需要注意的是履带驱动轮的连接约束为单向滑动约束，使其有一个水平方向的运动自由度，以便于履带的张紧调整。此外不要忘记创建履带子系统与母体间的约束。不然母体，也就是车身将无法更随履带行驶系统一起运动。在装配履带板前的最后一步就是设置螺旋弹簧以实现悬挂具有的缓冲避震的功能。以大幅增强车辆的通过性。对履带行驶系统进行履带板的装配是整个履带建模过程中最为关键也是最为重要的一步。需要设置正确的链节数，使得履带与驱动轮直接能够正

18、确咬合。必要时将驱动轮以其自身中点Z轴进行小角度旋转使得履带板与驱动轮之间没有相互干涉的情况出现。此外不要忘记设定履带的张紧力。过松将造成履带板下垂，在行驶过程中可能会出现拖链。而过紧，容易出现断链的情况使用RecurDyn而不是Pro/E进行履带建模的原因有以下几点：1.RecurDyn有专门的履带组件库，通过直接选择库中的元件进行装配能大幅缩短建模所耗费的时间，降低模型之间无法装配的缺点。2.RecurDyn能够直接通过修改参数的方式对履带板、驱动轮的结构进行动态调整，随时修正。而从Pro/E导入的模型没有此功能，一旦出现问题只能通过重新建模的方式解决。3.RecurDyn建模完成后可直接

19、进行装配，建模与装配界面合一，并可直接添加约束与作用力进行子系统仿真，避免了繁琐的操作。2.2履带子系统仿真在此对履带行走机构进行子系统静态仿真运转。在驱动轮的轴约束中添加运动函数。这里需要用到STEP函数。此为一个3次多项式逼近阶跃函数，能够较为真实地反应驱动轮逐渐加速的过程。函数STEP(X，X0，H0，X1，H1)当XX0时，STEP=H0当X0=XX1时，STEP=H1并将其用于驱动轮轴约束的速度变量这里将X取世界TIME，X0取0，H0取0，X1取1，H1取90D。意味着驱动轮将在1S世界内加速到每秒90D的速度进行仿真运算，这里进行5S，共150步的仿真。驱动轮速度与加速度随世界变

20、化曲线如下图所式由上面的曲线图可知当用STEP函数来仿真驱动轮启动并加速到一定转速时。驱动轮加速度会先增加后降低，速度图线将呈现一个圆滑的S型曲线增加至规定速度。此次仿真主要避免因为履带参数设置不正确而造成的履带拖链、断链，履带张紧力过紧，过松的问题。2.3地面参数的设定在进行路面仿真运算时，RecurDyn 采用的路面的仿真构成单元为许多尺寸非常小的矩形方块，每一块单独的RecurDyn的小矩形单元块能够参与计算并能记忆住行驶仿真过程中自身的的最大沉陷量、剪应变，压力及其剪应力， 从而能够算出地面与履带间的水平摩擦力与履带给与地面的正压力。因为地面类型的差距，地面与履带板之间发生的作用力相关

21、计算会有所差异。在硬质地面，地面与履带板间压力通过接触力定义，因为履带车辆与地面的作用而产生的接触力。RecurDyn 中内置用于仿真的接触力公式为：此公式中： fn指代地面与履带间的接触力， k 表示为履带与地面的接触刚度系数， 表示穿透深度， m1 表示接触刚度指数； c 表示地面阻尼系数，上加一点表示接触点的相对速度，m2 表示接触阻尼指数； m3 表示凹痕指数。 以上参数取决于履带所用材料类型、履带的尺寸等，在这之中，地面阻尼系数 c 和接触刚度系数 k 对仿真结果有较大影响，地面与履带间的摩擦力由库仑摩擦定律计算得出。仿真用的硬地面参数如图所示。 软质的地面默认土壤能够拥有“记忆”的

22、能力，即能够读取并且加载计算的历史。任何一块单独的履带板跟软质地面之间会存在有单个广义力，通常使用一个独立的用户向子程序来进行计算，得到该单个广义力的大小。各类不同的履带式行走车辆对于地面正压力的可用的仿真计算方式正是由美国的学者 MG贝克曾提出过的压力-沉陷关系式发展而来。式中的P用于表示履带的接地正压力，Kpi表示内摩擦的仿真土壤块变形模量，b则表示履带板的宽度，Kc表示土壤内聚变形模量， Z表示地面变形的深度，n表示变形指数。此公式用于持续加载的仿真，对于卸载应用此公式：Au,Ko为土壤特征参数。地面与履带间的水平作用力也是基于MG贝克理论进行相关计算。履带在与其接触的地面上会产生剪切作

23、用力，其与履带位移的关系可用如下公式表示：式中T表示地面与履带的剪切应力，单位为Pa, Tmax表示最大剪切力，单位同样为Pa 。Sj表示剪切方向发生的位移，单位是m，k表示水平方向的剪切变形模数。式中To表示地面压力等于0时最大剪切力，单位为Pa, 表示土壤内摩擦角，用度表示。这两个式子能够结合起来得到如下公式：本次仿真软地面选用黏土地面，参数如图所示。3水底行走履带车建模此次仿真还将涉及一辆依照参数进行建模的水底行走车。此水底行走履带车参照深海履带式集矿机多体动力学建模与行走性能仿真分析论文设计。车身与水底行走履带车的履带的子系统如下图方式进行建模：首先用pro/E软件进行水底行走式履带车

24、的车体结构布局建模当水底行走车行走时后部的特殊结构将水底淤泥卷起，通过吸管与传送带将矿质运送至储存仓中。水底环境应为水流的长期冲刷不会有过于复杂的地形，但仍需要具备一定的越障能力。同时通过液压升举机构可调节矿物输送机构的高度。两个真空管提供强大的吸力能清除水中，最后使用传送带将矿质输送入储存仓。履带行驶系统的履带板不同于坦克车辆履带使用硬软质地面均有一定适应能力的HM型履带，而是采用专为软质地面设计的LM型履带。履带板使用采用高履刺设计，履刺高度达到了130mm。同时大幅增加了履带板的宽度，单条履带板宽度可达1700mm，此举有效增加了履刺在行驶过程中与地面软质的接触面积，在松软地形行驶时能有

25、效增加履带板与地面的剪切应力，保障履带车辆稳定向前行驶的能力。接着创建单条履带的模型。其驱动系统结构存在类似于坦克履带车辆的地方，如驱动轮在后，张紧轮在前。但又有着与坦克履带车辆差别较大的地方。水底行走履带车的承重轮尺寸要大幅小于坦克式履带车履带行走系统中的承重轮，而且水底行走履带车的履带接地形状不是像坦克履带车的接地一样呈两边高中间低的梯形接地外形，而是接地面大致持一条水平直线。有着其单条履带行驶子驱动系统由一个驱动轮，十四个承重轮，一个张紧轮与三个托链轮组成。可以看出该论文初始的履带行驶系统未加入悬挂。考虑到该履带车重量足以改变水底松软地质，且行驶地形大都为平地松软路面，悬挂并非必要组件。

26、且因加入悬挂后造成结构的复杂化，会增大在水中发生锈蚀、故障的概率。随后设置地面类型。在RecurDyn中将车身建模与履带行驶系统装配，可以得到水底行走履带车辆的大致结构。下面给出其建模过程的参考数据。参数/单位符号数值履带集矿车水下总重力/W1.05105履带接地长度/()N*l6单条履带宽度/()b1.7履带板节距/()l0.2履刺厚度/()d0.0454坦克履带车辆仿真分析履带车辆的履带行驶系统在进行仿真时属于一个非线性类的多体复杂系统。履带车辆的履带板与地面的挤压，剪切等行为均是较为典型的多体系统接触过程，而对于此类设计复杂接触的过程 RecurDyn 软件能够对此以多体动力学的方式进行

27、仿真与分析。首先对履带车辆在硬，软两种地面的行走状况进行仿真分析。首先建立坐标系， X 指代沿车体向前的方向， Y 指代方向为竖直向上的方向， Z 方向指代垂直车体指向外的方向。4.1坦克履带车软质与硬质地面过坡承重轮受力分析坦克需要适应多种地形，其中就包括硬质地面（如公路，桥梁等）与软质地面。在履带车辆行驶过程中，支重轮是总重量经履带板传递到地面这一过程的主要承重组件，对车辆动力性能影响巨大。这次选用两型履带车辆分通过黏土与刚性起伏路面，仿真情况为从约20cm处跌落地面进行跌落仿真，然后原地启动，执行上坡与下坡的行驶仿真。现对左侧履带行走机构最前方的一对承重轮悬挂的螺旋弹簧进行受力分析。分析

28、结果如下：软质路面：硬质路面： 由图可知履带车辆下落时硬质地面会给承重轮造成更大的压力，在起步平地阶段，承重轮在硬地与软地受力区别并不大，在5s左右履带车开始爬坡，两种地面承重轮的受力均出现一个峰值， 相对于软质地面，硬质地面会使承重轮受力迅速上升，而软质地面上升速度明显较为平缓。随后上到坡顶后转为下坡，承重轮受力均出现一个峰值，而硬质地面受力峰值明显高于软质地面。值得一提的是承重轮受力并非总是越小越好，当其受力过小时容易产生履带脱落的情况，因此在软质地面行驶时需要增大履带的张紧力。4.2坦克履带车辆单边转向分析 为战场上灵活性考虑，需要尽可能减小转向半径。 此处采用单边履带行走机构锁死，单边

29、低速运行的方式进行转向仿真。 地面采用软质黏土路面 下图为仿真运行图下图为坦克履带车辆在软质土地上转向行走的仿真运动轨迹曲线图两坐标系分别对应X轴与Z轴（水平平面位移路径）由此曲线图可知在进行单向履带驱动的转向行走仿真时，坦克履带车辆的转向半径为2m左右。此转向半径能够满足坦克驾驶时所需的机动性。4.3坦克履带车辆原地转向仿真分析 猜想当两侧履带以等速反向低速运转时理论上能实现原地转向，现在将借助RecurDyn对原地转向进行仿真。下图为坦克履带车辆在软质土地上原地转向的仿真运动轨迹曲线图由此曲线图可知在进行原地的转向行走仿真时，坦克履带车辆的转向半径仍有1m左右。具分析是因为履带驱动轮正向旋

30、转与反向旋转其受到的阻力不同，履带板与地面摩擦因为方向与前后剪切角的差距也会使得左右两侧履带子系统产生的作用力发生差别。同样两履带的中心距与接地面积对此也会对其产生影响。为了实现完美的原地转向需要考虑多方面的因素，并矫正两驱动轮的旋转速度，真正的原地转向并非仅仅将两侧履带驱动轮等速反向驱动就能够完成。4.4坦克履带车辆扭矩悬挂仿真 真实的豹二坦克采用的是扭矩悬挂，用一根一定扭矩的杆通过连接臂连接至承重轮,而不是通过螺旋弹簧。这样的好处在于使得车辆履带形式系统结构更为简单、紧凑与牢固，易于维修与更换。现在将通过悬挂重新建模与仿真来进行两种悬挂的性能对比。首先进行与上面相同的软质路面过坡仿真。这里

31、曲线图由第一对承重轮螺旋弹簧受力图改为第一对承重轮连接摆臂与车体间连接轴约束的竖直方向受力情况。两者分析结果如下： 采用扭矩弹簧悬挂在过坡时竖直方向承重轮轴受力曲线及车身竖直位移曲线：采用螺旋弹簧悬挂过坡时竖直方向轴受力曲线及车身竖直位移曲线：通过对比可以看出当使用安装螺旋弹簧悬挂时承重轮连接轴所受的径向压力波动程度明显要大于扭矩弹簧，并且造成了更大的压力峰值。由此可知在坦克等重型越障履带车上应用扭矩悬挂要优于使用螺旋弹簧悬挂。5水底行走履带车仿真分析5.1直线行走仿真分析 水底行走履带车的速度范围规定为0.5-1.0m/s。在对其进行仿真时采用0.6m/s的速度，使用STEP函数进行模拟。如图为仿真截图以及仿真曲线。 纵向直线速度与时间曲线车体沉陷量曲线图重心Y轴坐标（竖直方向）与X轴坐标（纵向）关系图分析图形能够得知，水底行走履带车能够保证其速度稳定性。水底行走履带车直线行走时车体在仿真地质的下沉距离约为100mm，履带齿能与底质产生剪切作用的厚度约为100mm。5.2转向行走仿真分析在进行转