坦克装甲车辆动力学建模与仿真的目的可分为:转向性分析、平稳性分析、地面压力分布和牵引特性的预估。针对不同履带车辆的不同动力学特性,人们建立了不同的车辆模型。
1.平稳性模型
履带对负重轮的围包作用使坦克装甲车辆的平稳性更为复杂。Murphy N.R.和Ahlvin R.B.(1976)提出的NR-MM 模型是较早的坦克装甲车辆模型。该模型假设车体为刚体,可以做垂直运动、俯仰运动和平动。负重轮被模化为由周向均布的径向弹簧构成,只能做垂直运动。悬挂系统被简化为平动弹簧阻尼元件。这个模型也体现了履带效应,在相邻负重轮轮心上连接有弹簧。当一个负重轮相对于车体有位移时,弹簧会牵动相邻的负重轮运动,以体现履带对负重轮的托带作用。同样在负重轮与主动轮、诱导轮之间也加装了弹簧。
Mccllough M.K.在他的模型中,把悬挂系统作为一个子系统,用矢量变分的方法详细刻画了车体、平衡肘、负重轮、主动轮、履带之间的作用力关系。这个模型对负重轮-履带-地面的接触力的刻画也非常详细,它把三者之间的相互关系分为三种情况:负重轮与履带、地面均不接触;负重轮与履带接触,但履带不与地面接触;负重轮、履带、地面均接触。根据这三种情况,对三者之间的接触力关系进行了分析。这个模型还考虑了履带桥的效应。由于该模型对履带车辆各个部件之间、车辆与地面之间的相互作用力关系的分析非常细致,因此对平稳性的预估是比较准确的。
1994年Dhir A.,Sanker S.建立了一个二维的坦克装甲车辆模型。车体垂直位移和俯仰角以及负重轮的垂直位移为广义坐标。悬挂系统被模化为独立的悬挂结构,弹簧、阻尼为线性或非线性,假定履带为无质量连续的带子,假定地面不变形。负重轮与履带板的接触模化为连续径向弹簧阻尼结构。这个模型还考虑了履带动张力的影响。
2.地面压力分布及通过性模型(www.daowen.com)
由于对车辆- 路谱响应及路面特性缺乏认识,对坦克装甲车辆通过性的估计往往都是用“经验加试验”的办法,如用初样车在具有代表性的物理性质不同的路面上进行实车试验,通过仪器测量(如圆锥穿入仪)来确定车辆对地面的压力分布,预测车辆的通过性能。这种方法对于估计相似车辆在相似行驶条件下的通过性能是有效的,但对不同车辆或不同行驶状况就无能为力了。
用建模仿真的方法预测坦克装甲车辆的通过性能与试验方法有本质不同。它建立在对车辆-路面相互作用力和作用原理有深刻了解的基础之上。它要考虑坦克装甲车辆的主要结构特征(如牵引装置、悬挂系统、履带性能等),地面的基本特征以及履带对地面的压应力、剪切应力等。Wong J Y 在这方面所建立的坦克装甲车辆模型具有代表性。模型考虑了坦克装甲车辆的主要设计参数:悬挂质量、非悬挂质量、车辆质心、负重轮数量、负重轮尺寸及布置情况、主动轮和诱导轮尺寸和布置、履带结构和性能、履带行驶系统的接近角和离去角等。
3.转向性模型
转向性模型都假设车辆是在水平刚性路面上转向,每个负重轮承受相同地面压力,履带-地面间的剪切应力假设为库仑摩擦。常见的转向模型有Hock模型、IABG 模型以及Kitano 模型。Hock 模型认为转向摩擦力是由履带侧滑引起的。而IABG 模型还考虑了转向时由离心力引起的载荷转移、外侧履带摩擦力大于内侧等因素对转向力矩的影响。Kitano 模型不仅考虑了以上因素,还对转向时履带张力变化以及履带周向滑动的影响加以考虑。
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