[发明专利]一种装备新型柔性负重轮的履带车辆平顺性预测方法

权利要求书

1.一种装备新型柔性负重轮的履带车辆平顺性预测方法，具体步骤如下，其特征在于：

S1、建立具有不同结构和材料的柔性负重轮三维非线性有限元模型；

其中几何模型建立，具体如下：

将柔性负重轮的结构的几何模型在三维建模软件CATIA中建立的，然后导入ABAQUS中修复或者修改，最后进行装配和分析，仿真前对柔性负重轮模型简化；

S2、仿真分析不同有限元模型的静载工况；

柔性负重轮的有限元参数化分析包括了网格划分与材料属性设置、约束与接触定义和边界与载荷条件设置；

其中网格划分与材料属性设置，具体如下：

采用二次缩减积分实体单元对铰链组、组合卡及轮毂等部件进行网格划分，采用线性杂交单元对橡胶胎体进行网格划分，并通过较细的网格克服沙漏现象，对于规则的几何模型采用六面体网格和扫掠技术；对于不规则的模型采用四面体网格和自由划分技术，利用梁单元B31对嵌入在橡胶层中的弹性环进行建模，柔性负重轮有限元建模所需的金属材料、橡胶材料的超弹性和粘弹性本构模型参数则通过试验获得；

其中约束与接触定义，具体如下：

铰链与轮毂以及铰链之间的铰接作用通过Hinge Connector连接器来实现，连接两个与孔内表面耦合的节点的位置，并在它们的旋转自由度之间提供旋转约束，弹性环组合体与橡胶层的相互作用关系是通过Embedded Element计算来模拟的，即将弹性环元素嵌入到“宿主”橡胶层中，由于嵌入弹性环的节点位于主体橡胶内，则该节点处的平移自由度被消除，嵌入的弹性环允许有旋转自由度，但这些旋转不受嵌入的约束；

柔性负重轮与履带板之间的相互接触的相互作用被分为垂向接触和切向接触两个部分，在Interaction模块中利用Surface-to-Surface Contact来定义胎面与履带板的接触关系，其中接触面的法向接触属性设置为硬接触，同时接触面之间不允许穿透，即当接触界面的压力为零或负值时，表明两个接触表面即将或者以及分离开来，同时对应节点约束失效，利用罚函数法来确定法向力，如公式(1)所示：

式中：C—接触节点与对应平面的间隙；K₁—法向接触刚度；

采用Surface to Surface的小滑移算法，在接触表面之间滑动很微小的情况下能够提高应力计算的精度，采用库伦摩擦模型描述接触表面间切向力，如公式(2)所述。

式中：K₂—切向刚度；η—接触节点的弹性变形；μ—滑动摩擦因数；

其中边界与载荷条件设置，具体如下：

在轮毂中心设置与轮毂内表面耦合的参考点RP1，在参考点上限制x，y轴向的平移自由度，以及x，y，z方向的旋转自由度，只释放沿z轴的自由度，同时将集中力F通过斜坡加载的方式施加在参考点上，即由零线性增长到给定值，这样柔性负重轮就只能在垂向载荷的作用下发生沿z轴的变形，在履带板上设置参考点RP2，限制参考点在x，y，z轴方向的平移和旋转自由度，这样履带板就被完全固定了；

S3、拟合得到有限元模型的刚度曲线，建立对应的数学模型；

通过柔性负重轮静力学仿真试验，得到了柔性负重轮的下沉量与径向荷载之间的关系，然后，分别对仿真得到的负荷/下沉量试验数据进行多项式拟合，基于下沉量与负荷之间的数学关系，建立相应的数学模型；

柔性负重轮非线性模型的弹性力和阻尼力由公式(3)和(4)精确地给出：

F_w＝K₁x+K₂x² (3)

F_c＝Cx (4)

式中：F_w—负重轮弹性力；K₁—线性刚度系数；K₂—非线性刚度系数；C—阻尼系数；

S4、建立履带车辆半车动力学模型和随机路面模型；

履带车辆动力学模型是车辆系统设计及性能分析的基础，其本身是一个多自由度的耦合非线性系统，由于履带车辆车体侧倾运动对评价指标的影响较小，因此在分析时将车体简化为半车模型以实现减少自由度和简化分析过程的目的，在相应合理假设的基础上，提出了履带车辆的半车系统动力学模型；

基于上述假设，在Matlab/Simulink中建立了履带车辆的半车动力学模型，其中车身质量的一半由五个柔性负重轮支撑，模型是不对称的，垂直轴穿过车身的质心，有七个自由度，两个自由度即垂直弹跳和俯仰，与车身质量相关；五个自由度即垂直弹跳，与五个柔性负重轮相关，采用线性阻尼和弹簧刚度的并联组合来表示悬架系统，将柔性负重轮模型化为非线性或者线性弹簧刚度和线性阻尼，基于拉格朗日方程，得到履带车辆半自由度七自由度模型的动力学方程，其中车身的动力学方程为：

非线性负重轮动力学方程为：

相关参数定义如下：

m_b含义为半车身质量kg，I含义为车身转动惯量kg/m²，m_wi含义为负重轮质量kg，k_t含义为负重轮等效刚度系数N/m，k₁含义为负重轮刚度系数一N/m，k₂含义为负重轮刚度系数二N/m，c_wi含义为负重轮阻尼系数Ns/m，c_si含义为悬架阻尼系数Ns/m，k_si含义为悬架刚度系数N/m，z_b含义为车身位移，z_wi含义为负重轮位移，z_ti含义为道路位移，θ含义为俯仰角，l₁含义为1st负重轮距离质心m，l₂含义为2nd负重轮距离质心m，l₃含义为3rd负重轮距离质心m，l₄含义为4th负重轮距离质心m，l₅含义为5th负重轮距离质心m；

随机路面模型为路面激励模型，采用时域模型建立道路激励模型；

通常采用路面不平度的功率谱密度来描述随机路面输入，参考相关的相关标准文件，路面粗糙度的谱密度由以下表达式拟合：

式中：n₀—参考空间频率；G_q(n₀)—路面的不平激励系数；w—相关空间频率的指数；

采用滤波白噪声方法生成路面时域模型，其对应于方程(8)的路面激励的时域描述表示为：

式中：f₀—较低的截止频率；G₀—道路不平整度；ω(t)—平均值为零时的白色高斯噪声；

假设履带车辆在随机不平路面上以恒定速度行驶，因为履带车辆有五个负重轮，每个负重轮受到相同的路面激励，但相邻负重轮之间具有恒定的时间延迟；

S5、联合柔性负重轮数学模型、履带车辆半车动力学模型和随机路面模型，预测装备柔性负重轮的履带车辆在随机路面的行使平顺性，若满足平顺性要求输出结果，若不满足则返回S1；

具体步骤如下，联合柔性负重轮数学模型、履带车辆半车动力学模型和随机路面模型，预测装备柔性负重轮的履带车辆在随机路面的行使平顺性，若满足平顺性要求输出结果，若不满足则返回S1，重新修改结构或材料参数直至满足要求。