开题报告吉林大学.docx
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开题报告吉林大学
开题报告
论文题目：
铰接式履带运输车行驶性能研究
院系：
机械科学与工程学院
专业：
机械设计与理论
姓名：
李阳
导师：
成凯（教授）
时间：
2009.10.10
开题报告
1论文题目、选题依据
1.1题目：
铰接式履带运输车行驶性能分析
1.2选题依据
本题以吉林大学与哈尔滨北方特种车辆公司的合作项目《铰接式履带运输车》为依托，进行铰接式履带车转向性能的分析，得出转向阻力的计算公式，从而为设计人员提供设计理论依据，缩短样机开发时间，减少设计成本。
铰接式履带运输车是一种适应地形广，在军事和民用上都能起到重要运输作用的工程车辆。
由于它通过能力极强，具有其他车辆无可比拟的良好性能。
铰接式履带车由两节车体组成，在通过起伏地形时，两节车体就可以随着地形的变化做出相应的调整，使有限的履带长度能尽可能地保持与地面的接触，进而获得较高的通过能力。
正是出于这种原因，能大幅度提高越障能力的铰接式方案很早就在军事以及边远地带的地面车辆上得到广泛应用。
车辆能通过沙漠、雪地、沼泽等恶劣路况，车辆分为前后两车厢，中间通过铰接机构连接，可实现两车厢相对转向、俯仰及水平扭转。
能够进行短里程的涉水浮行前进。
前后车厢都有驱动桥，共有四条履带，以获得足够大的牵引力。
铰接式履带运输车目前主要应用于军事物资输送和抢险救灾等。
2选题意义
2.1选题的理论意义
履带车辆的转向性能研究多年来一直以“经验+试验”为依据，这种方法是建立在大量的经验公式和试验的基础上的，需要大量的人力物力，研制周期长，特别是对影响履带车辆性能的诸多因素难以有定量的识别和刻画。
通过多体动力学软件建立履带车辆的虚拟样机，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。
定义车辆和地面的参数，对履带车辆进行仿真，得出车辆的行走性能。
可以在设计初期发现设计缺陷，进行设计改进，能够明确不同参数对车辆性能的影响，有利于对理论和公式进行修证，得出更加准确的车辆动力学模型。
为设计人员在设计过程中提供理论依据。
2.2现实意义
运用多体动力学软件建立履带车辆的虚拟样机，在各种路况下进行车辆转向性能的仿真，得出车辆转向性能与车辆及地面参数的关系，省去了大量实验过程，有利了成本节约，减短了开发周期，提高市场竞争力。
3课题国内外研究现状
3.1国外研究情况
对于履带车辆中履带与地面的作用力，国外以Bekker理论最为著名。
Bekker主要考虑履带和地面之间的作用力，包括牵引特性和滑移。
该理论基于土壤力学，当车辆行使时，履刺会剪切地面，使地面产生一定的纵向变形，若假设地面是弹性的，该变形就会给车体一个纵向的反作用力，如图1所示，这就是履带车辆前进的主动力，该力不同于地面的摩擦力。
摩擦力是由于垂直方向上的力（即重力）引起的。
图1在履带作用下，土壤剪切位移的形成
Bekker的理论被wong.J.Y（1986）进一步发展，Kitano基于Bekker的理论。
不仅分析了普通的履带车辆的运动特性，还分析了有关节的履带车辆的运动特性。
AnhTuanLe（l999）的研究中，建立了带滑转的履带与地面的力学模型，定性定量的描述了车辆、地面参数对车辆的作用力，建立了与地面参数有关的车辆动力学方程，这个方程能表示履带滑转、车辆倾角和地面参数，通过实验验证了模型的可行性,在利用土壤力学详细分析了履带和地面之间的作用力之后，建立了车体的平面运动模型。
在分析车辆的平面运动过程中，作者认为车辆转向时所受的侧向摩擦力应该为三角分布，而不是传统的矩形分布。
AnhTuanLe还重点讨论了牵引力，履带几何参数，土壤力学之间的关系。
马郑东［28］（2006）建立车轮、履带、地面的力学模型，分析了多体式履带和一体柔性履带对地面的压力的不同，如图2所示，
图2两种车轮、履带、地形模型相互作用力比较
铰接式履带车辆国外已有成熟产品，例如:
瑞典Bv206全地形运输车，瑞典Bv202履带式雪地车、BVS10全地形运输车（Bv206升级版）、芬兰西苏（SISU）NA-140全地形车、意大利普里诺茨全履带式雪地车。
还有就是俄罗斯的全系列铰接式履带运输车。
3.2国内研究情况
上世纪90年代，辽宁朝阳重型机械厂仿研Bv206，开发出CTW12铰接式履带运输车样机，但一直没有量产。
目前，国内对铰接式履带车辆的研究，主要是中南大学对海底采矿车的研究。
赵辉，通过研究得出铰接式转向与滑移转向相比，转向所需功率要小的多。
采用铰接转向时，车辆的合成前进推力不变，而采用滑移转向时最大合成前进推力将会减小。
因此铰接式转向可对车辆提供更好的机动性。
但是铰接转向式车辆由于受到转向结构的限制转向半径要比采用滑移转向的车辆大。
陈金涛建立铰接式履带车辆的虚拟样机，对铰接式履带车的铰接转向性能进行了仿真，分析了转向过程中转向角速度，转向轨迹及转向功率消耗情况。
得出铰接转向所耗功率是传统的差速转向的34.8％，接近传统差速转向所耗功率的1/3。
在铰接转向过程中，外侧履带伴随着滑转，内侧履带伴随着滑移，内侧履带驱动轮所耗功率要比外侧履带驱动轮所耗功率大一些。
王国强（1997）考虑软路面的地面参数及履带宽度，分析了结构参数对铰接式履带车辆稳态转向性能的影响。
作如下简化：
①前、后车质心与车辆几何中心Oi（i=1,2）重合；②履带接地比压均匀，在转向过程中履带各点的下陷量相同，且等于静止时的下陷量。
建立转向动力学方程，通过实验研究，得出铰接式履带车辆的宽度对转向性能没有影响，后车与前车履带接地长度比增大时，转向不准确度ε减少，而驱动力增加率λ变大，为使ε及λ均较小，前、后履带接地长度应相等。
马伟标等人对履带预张力对车辆软土通过性的影响规律进行了研究，建立了履带车辆与地面的相互作用模型。
仿真结果表明，适当增加略带预张力可有效降低车辆的平均最大压力，并提高其挂钩牵引性能。
3.3对比分析
综上所述，对于车辆转向性能预测的方法主要有：
①理论分析计算，主要是建立车辆的转向动力学方程，基于数值算法通过计算机进行求解。
理论分析可以促进本学科内及相关学科理论发展，但很难明确各个参数在车辆行驶中影响，需要通达大量实验数据来分析，时间周期长，消耗大量人力和物力。
②等比例缩小模型实验研究，制造出等比例缩小的样机，通过对该样机的实验来预测车辆性能。
小模型能够减小成本投入，但要模型缩小的同时可能会产生一些不可预知的因素。
③虚拟样机仿真，在虚拟样机软件中建立起三维样机模型，通过软件自动建立起动力学方程，利用软件内部算法进行求解，可以方便且直观的得到各种监测量的时间历程，能够不断的修改参数再次进行仿真，节约人力和物力成本。
本文采用理论分析加上虚拟样机仿真的方法来进行车辆行驶性能的预测，运用理论建立铰接式履带车辆转向动力学方程，计算转向阻力，通过虚拟样机的仿真分析，来得到相关的性能数据，反过来分析这些数据，来确定各参数在车性能中的影响。
4论文的基本内容、拟要解决的主要问题及研究方法
4.1论文的研究目标、基本内容
研究目标：
在多体动力学软件中建立铰接式履带车辆的虚拟样机及软、硬地面模型，分析铰接式履带车辆在软、硬地面上的转向性能，得出车辆各参数对车辆转向性能的影响，确定合理的车辆参数。
基本内容：
利用多体动力学软件建立三维虚拟样机模型，包括履带系统模型和扭杆悬架系统模型，液压铰接转向机构模型，以及软、硬地面模型。
液压铰接转向机构运动学分析，得出油缸运动与转向角速度关系，优化设计液压铰接转向机构。
在一定假设的前提下，建立铰接式履带车原地转向动力学模型，主要包括稳态转向和瞬态转向，解决转向过程中瞬心位置的确定，负重轮下的接地压力的简化，计算转向阻力和转向消耗功率。
在虚拟样机软件中进行样机转向性能仿真，分别进行在软地、硬地上的高、低速转向仿真，得出四种工况下前后车辆质心的运动轨迹，履带受到的阻力，评价转向动力性及车辆转向时的稳定性。
改变前后车辆质心、弹性中心等参数进行仿真，得出前后车辆参数对车辆转向性能的影响。
针对四条履带有差速和前后车无差速而左右两侧履带有差速两种情况，分析车辆转向半径，前后两车的质心轨迹，各条履带的转向阻力，消耗的转向功率，分析履带的滑转与滑移，以及车辆转向时的稳定性。
4.2拟要解决的主要问题
虚拟样机中履带模型的建立，该车辆的履带与传统的履带不同，采用的在橡胶输送带上固定履带骨架，通过主动轮的拨动轮来拨动履带骨架，从而使车辆向前行驶。
履带张紧力对车辆在软、硬路面上转向性能的影响，确定最优的履带张紧力。
车辆质心、弹性中心对车辆在软、硬路面上转向的影响，优化车辆质心、弹性中心位置。
4.3研究方法
4.3.1虚拟样机技术
虚拟技术是二十世纪末发展起来的涉及众多学科的高新实用技术，是集计算机技术、传感技术、仿真技术、人工智能、微电子技术及相关的专业技术为一体的综合集成技术。
以虚拟样机模拟为代表的计算机辅助工程（CAE）即为这一技术革命在工程分析、设计中的具体表现。
虚拟样机的引入使得实物模型试验的次数和规模大大降低。
许多由CAE完全取代实物模型试验的例子已取得成功（其中著名的例子是国防军工方面新式核武器的研制）。
虚拟样机（virtualprototype，简称VP）是当前设计制造领域的一个新技术。
它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。
虚拟样机技术在设计的初级阶段-概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。
使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。
因此，虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比具有以下优点：
在设计早期确定关键的设计参数、更新产品开发过程、缩短开发周期、降低成本、提高产品质量。
虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目前日益显示出强大的生命力，其应用范围已经超越了国家、地区和行业的界限，在航空、航天、车辆等机械领域己经有了广泛的应用，并且随着仿真技术的发展，虚拟样机技术越来越起着比实物试验更重要的作用，如美军研制F22第四代战斗机的虚拟样机与风洞试验所花费的经费比是6：
4，充分说明了虚拟样机技术的重要性。
另外，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器探路号在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。
在探测器发射之前，JPL的工程师运用虚拟样机技术预测到探测器可能在着陆时滚翻。
因此，工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星，保证了火星登陆计划的顺利完成。
4.3.2多刚体系统动力学
机械系统虚拟样机技术是建立在多刚体系统动力学理论的基础上的。
多刚体系统动力学是近30年来在经典力学基础上发展起来的专门解决复杂机械系统的运动学和动力学问题的新的学科分支，其主要应用领域是航天运载工具动力学、地面运载工具动力学、生物力学、机构学和机器人学等。
多刚体系统动力学的分析方法常见的主要有以下几种:
Newton-Euler方程、以Lagrange方程为代表的分析力学方法、Roberson-Wittenburg方法、Kane方法、变分方法等。
（l）Newton-Euler方程，它是将系统中刚体作为隔离体分别列写Newton-Euler方程。
该方法使用最为广泛，也最容易被理解，但随着组成系统的刚体数目的增多，刚体之间的联系状况和约束方式就会变得极其复杂，而铰约束力的出现会使未知变量的数目显著增加。
（2）以Lagrange方程为代表的分析力学方法，采用该方法可以避免出现约束反力，使未知变量的数目减少到最低程度，但随着刚体数和自由度的增多，动能和势能函数的项数会急剧扩张，求导计算工作量庞大，推导过程繁琐枯燥且容易出错，尤其是若采用传统的独立的拉格朗广义坐标，在建立系统的动力学方程时会变得非常困难。
（3）Roberson-Wittenburg方法，其特点是利用图论中的一些概念描述多刚体系统的结构特征，借助图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型来描述。
在该方法中，用有向图的弧来表示刚体与刚体之间的铰，用顶点表示刚体，联结顶点的有向弧与所联系顶点的关系称为关联，如图3所示。
并引进了关联矩阵和通路矩阵，导出了多刚体系统运动微分方程的一般形式。
图3Roberson-Wittenburg方法法中的多刚体系统的结构
该方法以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，对于非树系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。
（4）Kane方法，该方法最先用于分析复杂航天器，以后发展成为使用范围更广泛的普遍方法。
该方法的特点是以速度作为独立变量来描述系统的运动，既适用于完整约束，又适用于非完整约束，此外，在用该方法建立系统的动力学方程时既不会出现理想约束反力，也不必计算动能等动力学函数及其导数，而且推导计算十分规格化，所得结果是一阶微分方程组，因而兼有矢量力学和分析力学的特点。
但它只是一种普遍的方法，必须对每个具体的多刚体系统作具体处理。
（5）变分方法，变分的力学原理并不是直接描述机械系统运动的客观规律，而是把真实发生的运动和可能发生的运动加以比较，在相同条件下，从所发生的很大的可能运动中指出真实运动所应满足的条件，因此，该方法无需建立机械系统的动力学方程，而是以加速度作为变量，根据被称为拘束的泛函的极值条件，直接利用系统在每个时刻的坐标和速度值解出真实加速度，从而确定系统的运动规律。
这些方法的共同点是建立一种通用性的动力学方程，只要用最少量的准备工
作就能将动力学方程自动编排出来。
因此，多刚体系统动力学的主要研究内容一般只局限于动力学方程的建立，而方程的处理则由计算机去完成。
4.3.3基于Recurdyn的虚拟样机研究
应用虚拟现实方法具有高效处理复杂多刚体动力学模型的优势。
现有的履带车辆行走机构数学模型都不能准确对实际系统进行描述，而只能是对行走机构大致运动规律和工作过程做出初步分析，分析所得结论也非常有限，很难为实际作业行走车的研制和试验提供足够参考。
所以，为了能综合考虑到多种复杂因素对整个系统的影响，准确地对实际行走机构进行描述以及深入研究该系统工作过程，本文采用虚拟现实方法，建立铰接式履带车辆行走机构的虚拟样机，根据相关资料建立地面模型，重点分析研究铰接式履带车辆行走机构的转向性能。
RecurDyn（RecursiveDynamic）是由韩国FunctionBay公司基于其划时代算法——递归算法开发出的新一代多体系统动力学仿真软件。
它采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法，非常适合于求解大规模及复杂接触的多体系统动力学问题。
传统的动力学分析软件对于机构中普遍存在的接触碰撞问题解决得远远不够完善，这其中包括过多的简化、求解效率低下、求解稳定性差等问题，难以满足工程应用的需要。
基于此，韩国FunctionBay公司充分利用最新的多体动力学理论，基于相对坐标系建模和递归求解，开发出RecurDyn软件。
该软件具有令人震撼的求解速度与稳定性，成功地解决了机构接触碰撞中上述问题，极大地拓展了多体动力学软件的应用范围。
RecurDyn不但可以解决传统的运动学与动力学问题，同时是解决工程中机构接触碰撞问题的专家。
RecurDyn其特有的MFBD多柔体动力学分析技术，可以更加真实地分析出机构运动中部件的变形、应力、应变，MFBD技术在用于分析柔性体的大变形非线性问题、以及柔性体之间的接触、柔性体和刚性体相互之间的接触等问题时的功用特别显著。
RecurDyn中Track（HM）高机动性履带包，是专为坦克装甲等车辆设计的专业化高机动履带系统工具包，丰富的履带系统组件，可参数化地调节各部件的几何形状。
工具箱由链齿轮，路面车轮，履带链接，橡胶衬套和地面剖面库等组成。
利用这些部件，可以迅速建立履带车辆，分析诸如履带和地面之间的接触特性。
同时亦可由稳健的积分器求解驾驶中的强烈摆动问题。
5预期的研究成果
建立铰接式履带车辆转向动力学模型，得出车辆与地面参数对车辆转向性能的影响。
设计并制造铰接式履带运输车液压铰接转向机构。
6论文工作进度计划
2009年1月－2009年6月：
收集铰接式履带车辆相关文献资料；
2009年7月－2009年9月：
阅读相关文献，编写文献阅读综述和开题报告；
2009年10月－2010年2月：
建立铰接式履带车转向动力学模型，计算转向阻力；
2010年3月－2010年4月：
基于多体动力学软件建立铰接式履带车的虚拟样机模型；
2010年5月－2010年7月：
进行铰接式履带车辆转向过程仿真，得出结果并分析，完善车辆转向动力学模型；
2010年8月－2011年3月：
总结并书写论文；
2011年4月－2011年5月：
论文的修改和完善；
2011年6月：
论文答辩。
7参考文献
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