机械设计与制造外文翻译文献综述.docx

多体动力软件RecurDyn分析轮式拖拉机soil-tire模型的仿真摘要：用多体动力学软件Recurdyn建立轮式拖拉机的仿真分析，建立了包含4 个车轮、前轴、后轴以及车架的简化模型，并给前轴和后轴施加合理的质量。利用RecurDyn 的soil-tire模块建立了轮胎与地面的相互作用模型，分别对轮式拖拉机在上20坡、上44极限坡、下20坡和下34极限坡等情况下的轮胎位移和受力进行了仿真分析，同时比较了拖拉机在两种不同车速情况下的轮胎受力。结果表明，在不同的坡度下行驶时，轮式拖拉机前轮受到的冲击力差别明显，上44坡时受到的最大冲击力比上20坡时增加了67.73%，下34坡时受到的最大冲击力比下20坡时减少了8%；在相同的路面条件下，当拖拉机以0.678 m/s 过圆柱形障碍物时，前轮受到的最大作用力比在车速1.356 m/s 时减小了16.13%。关键词：拖拉机，模型，轮胎，仿真，RecurDyn1 引言 现代化的轮式拖拉机有很多优点，如整机结构的先进性、使用的可靠性、转弯的灵活性及作业的适用范围等方面均优于履带式拖拉机。尤其是轮胎对路面破坏作用小这一点，使得轮式拖拉机成为在农业生产中普遍使用的动力机械1。由于轮式拖拉机自身以及使用环境的复杂性，传统的研究方法导致研制费用高、周期长。随着地面力学以及多体动力学的发展和完善，为研究轮式拖拉机工作平稳性仿真分析提供了理论与技术支持。当轮式拖拉机的力学模型和振动方程建立之后，就可以研究轮式拖拉机在粗糙的路面上行驶的振动了。不同粗糙度的路面的附着能力对振动的空间频率的影响可以通过一个非线性和随时间变化的模型来模拟和分析。结果表明，当道路的粗糙度增加时，轮胎的附着能力和制动距离增加了。从而可以开发和计算软土路面有效普的形成模型。因此可以研究一个简单的、封闭的驱动刚性车轮的力学系统。在最近几年中，轮式拖拉机的发展趋势是设计一个紧凑的结构，重量轻，操作方便，适用于不同的农具拖拉机。因此研究轮式拖拉机在破路上运行的稳定性及越过障碍的能力显得尤为重要。在这篇文章中，多体动力学软件ReeurDyn的轮胎soil-tire模块研究轮胎模型与软土路面的相互作用。轮式拖拉机在破路的通行能力和越过障碍的能力得以研究。2 材料和方法2.1车辆与路面的力学关系为了测量在不同载荷下的土壤的变形，穿透力测试必要的。在这些测试中，轮胎和土壤之间的相互作用是模拟使用渗透到土壤中的薄板，并且压力一下沉关系可以是计算出来的。对于均质土壤，压力一下沉关系方程为： （1）注释：b=薄板宽度，单位mp=平均接触压强，kPa=土壤下沉刚度系数，kPalKc=土壤下沉刚度系数,kPalZ=下沉深度，mn=土壤特性相关的常数,没有单位方程（1）适用于连续加载过程，对于无载和周期载荷，计算方程式如下： （2）注释：Pu=开始加载前垂直平均接触压力，kPaZu=开始加载前的下沉深度，mk0和Au=土壤的特征参数图1. 压力一下沉曲线在土壤上加载的压力一下沉曲线，卸载和重新加载循环过程中所示图1.线段AB显示的连续加载的过程。当达到最大下沉深度Zu时，卸载过程开始。线段BC显示了卸载过程。当土壤的压力达到零，残余下沉深度达到Za时，土壤的弹性变形仍然存在。线段BC也表示重新加载过程。当到达下沉深度Zu时，新的下沉深度将会沿着线段AB变化。2.2轮胎力学模型拖拉机在行驶过程中，所有地面作用力都是通过轮胎作用在拖拉机上的，拖拉机轮胎的机械特性对拖拉机操纵稳定性有着非常重要的影响812。常用于动力学仿真计算的轮胎模型有多种13一14。soil-tire 模型能使车辆运动在平地上与不均匀的松软土地面上相似。在松软的地面比坚硬的地面是更复杂的，所以接触面积的定义对仿真分析的影响是非常重要的。接触面积是从力平衡的角度，考虑到轮胎变形和下沉得到的，同时考虑土体变形的阻力和轮胎负荷。因此，在这个研究中可以采用soil-tire模型。用soil-tire模型分析车轮动力学得到的对车轮的复合是可以采用的。轮胎变形的压力是在低速，静态时测量的，它是BEKKER理论的基础。然而，当空载行驶时，土壤压力不是静态而是动态的。为了考虑这些动力因素在计算中的影响，动力参数必须以土壤对车辆的力为特征，这些参数必须用一下方程确定。动压力的关系方程式为：（3）轮式拖拉机基于RecurDyn软土的模拟分析注释：Kstst为压力下沉参数。Kdyn为压力下沉参数。在BEKKER理论下刚性车轮方程中(4)注释：b为轮胎宽度，m。Fz为车轮载荷，N、D为轮胎直径，m、为车轮与地面的接触角。可以用动力学方程标示，所以轮胎负荷Fz和下沉深度Z0之间的关系可以表示如下：（5）其中：2 .3拖拉机仿真模型的建立仿真过程中的拖拉机前后四个轮子在相同的土壤条件下行驶，轮胎具有相同的地面激励，因此本文假设拖拉机左右轮辙路面谱是相同的。应用RecurDyn 多体动力学软件建立轮式拖拉机动力学模型，首先进行下面简化：在建立拖拉机模型时，只建立拖拉机的4 个轮胎、前轴、后轴和车架模型，并在前轴和后轴上施加合理的车体质量，保证车体质量和转动惯量与实际一致。4 个轮胎在RecurDyn 的轮胎模块里建立。轮式拖拉机模型的特征参数见表1。车架是建立拖拉机仿真模型的基本实体，并通过固定约束与前后轴连接。轮胎通过旋转副与前后轴连接在一起，通过定义轮胎的旋转速度来实现拖拉机的运动。运动过程的建立使用step 函数，即本文在轮胎转动中心的旋转副处施加函数：，即轮胎转速在0.1 s 内从0 平稳逼近到5 rad/s。地面的碰撞参数在轮胎模块中定义，每个轮胎可以有其自己的路面和路面参数，设置的参数见图2。2.4轮式拖拉机的运动学和动力学仿真轮式拖拉机是一个复杂的非线性多体系统，轮胎与地面的挤压过程属于典型的接触过程15-16 ， 应用RecurDyn 软件能求解此类大规模及复杂接触的多体动力学问题。下面对轮式拖拉机在3 种典型路况下分别进行仿真分析。在RecurDyn 软件中建立坡度为20和44两种上坡路面，和坡度为20和34两种下坡路面，轮式拖拉机越过障碍的能力在两种不同速度下测定。仿真分析的道路条件和其他文章中叙述的一样17。3 结果和讨论3.1轮式拖拉机上坡仿真分析拖拉机在进行上坡工作时，车体发生倾翻时前轮先离地，所以在上坡仿真的位移分析中以前轮作为研究对象。在RecurDyn 软件中建立坡度为20和44两种上坡路面，并各进行一次采样步数为500 次，时间为4 s的仿真，如图。图3.轮式拖拉机上坡的仿真分析 由图4可以看出，当角度增加时会出现向后翻转的危险，尤其是当拖拉机在牵引一个拖车或者重负荷时。坡度为44的仿真为极限情况，运动过程中发生了倾翻现象。轮式拖拉机的相当负荷可以提供其最优的重量，同时可以提高在破路上的操作稳定性以避免向后翻转的危险。图4. 上坡坡度为20和44时拖拉机前轮位移曲线从图5a中可知：在时间t=0.48s和t=1.4 s 时，轮胎受到地面的法向作用力出现了两个峰值，分别为前后轮胎与陡坡接触碰撞时产生的瞬时冲击力，在拖拉机整个上坡过程中，轮胎受到的作用力变化是很复杂的，造成这一问题的主要原因是轮胎是一个复杂的非线性系统，在行驶过程中与地面之间存在大量的碰撞接触。从图5b 的仿真结果来看，在1.7 s 左右前轮受力为0，说明此时拖拉机开始发生倾翻。从图5a 和图5b 中所示的前轮受力情况可以看出：拖拉机在极限坡度44上运动时，前轮受到的最大作用力比上20坡度时受到的最大作用力增加了68%。图5. 上坡坡度为20和44时前后轮胎受力曲线3.2轮式拖拉机上坡仿真分析拖拉机在进行下坡工作时，车体发生倾翻时后轮先离地，所以在下坡仿真的位移分析中以后轮作为研究对象。在RecurDyn 软件中建立坡度为20和342 种下坡路面，并各进行一次采样步数为500 次，时间为4 s 的仿真，仿真过程如图6 所示。图6 拖拉机下坡仿真分析过程由图7可见，当拖拉机在下坡行驶时仍然有向后翻转的危险。34坡度是极限坡度。由于高速和较大的惯性，倾翻的危险和遇到障碍时紧急刹车是一样的。图7 下坡坡度为20和34时拖拉机后轮位移曲线从图a 的仿真结果可知：在t=0.46s时，前轮受到了较大的瞬间冲击力；在t=1.22 s 时，后轮也受到了碰撞冲击力，但受到的作用力比前轮受到的力小很多。从图8a 与图8b 中所示的前轮受力情况可以看出：前轮在34坡时受到的最大冲击力比在20时减少了8%，说明拖拉机行驶在陡坡下时对地面的附着能力减小了；当拖拉机在极限坡度34上行驶到1.22 s 的时候，后轮胎受到的作用力变为0，说明此时车体脱离坡面发生了倾翻。图8 下坡坡度为20和34时前后轮胎受力曲线3.3 过障碍物仿真分析如图9所示，在RecurDyn 软件中建立一个直径200 mm 的圆柱形障碍物， 并有一半嵌在土壤中。设置车速分别为 1.356 m/ s和 0.678 m/ s，让拖拉机以低档低速通过障碍物，各进行一次采样步数为500 次、时间为4 s的仿真。图9 拖拉机过障碍物仿真分析过程从图10 中前轮受力曲线可知，当拖拉机在爬越圆柱形障碍物时，前轮受到了两次冲击力。第一次为前轮胎刚接触障碍物时受到的；第二次为前轮胎离开障碍物而与地面碰撞受到的。从图10 的仿真结果中可以看出，当拖拉机以初始速度0.678 m/s 过障碍物时，前轮受到的最大作用力比初始速度1.356 m/s 时减小了16.13%。可见拖拉机行驶速度越大，遇障时轮胎受到的冲击力就越大。当拖拉机在高低起伏不平的路面作业时，应注意挂低档慢速行驶以提高稳定性，以免遇到障碍突然颠动失去平衡而翻车。图10 拖拉机过障碍物时轮胎受力4 结论本文利用多体动力学分析软件RecurDyn 的Soil-tire轮胎模块构建了轮式拖拉机的动力学模型，建立了上坡、下坡和过障3 种不同类型的路面环境，并在此基础上研究了拖拉机的动力学性能，对前后轮的受力进行量化分析。通过仿真分析得出：在相同的行驶速度条件下，不同的坡度倾角