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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.
研究方法
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(其中着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.
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着增加.
(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.
基于Recurdyn的虚拟样机研究
应用
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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着.RecurDyn中Track(HM)高机动性履带包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.卢进军基于滑转的履带车辆加速性能仿真研究2007中国科协年会论文集(一),2007年AnhTuanLe.Modellingand
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