段譽(yù) 謝歡

摘 要：為了對(duì)履帶車輛在起伏路面行駛時(shí)的最大車速進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出了一種結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)建模理論、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和近似模型的計(jì)算方法，結(jié)果表明：隨著路面不平度系數(shù)和車速的提升，車輛受到的振動(dòng)響應(yīng)相應(yīng)增加；本文提出的方法可以直接高效地計(jì)算車輛通過已知不平度系數(shù)的起伏路面時(shí)的最大行駛速度。

關(guān)鍵詞：履帶車輛；仿真；近似模型；速度預(yù)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.175

不同路面種類對(duì)履帶車輛的越野行駛造成的影響各不相同，其中起伏路面最為常見[1]。預(yù)測(cè)車輛受路面不平度限制的最大行駛速度，是開展機(jī)動(dòng)性評(píng)估的一種重要方法。

本文依托履帶車輛多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，確定限制起伏路面車速的振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立近似模型對(duì)車輛在不同等級(jí)路面的最大行駛速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型全面考慮了各等級(jí)路面的影響和不同振動(dòng)響應(yīng)指標(biāo)對(duì)車速的限制，較好地平衡了計(jì)算精度和耗費(fèi)的資源。

1 履帶車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

為了準(zhǔn)確反映履帶車輛的通過各等級(jí)起伏路面的振動(dòng)特性，建立底盤系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型和隨機(jī)路面數(shù)學(xué)模型，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行大量仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為三種振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1 履帶車輛底盤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

以某型高速履帶車輛為例，建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，將所有部件假設(shè)為剛體。其中，上裝、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與車體合并為一個(gè)剛體；行動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為主動(dòng)輪、負(fù)重輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪、履帶張緊機(jī)構(gòu)、履帶以及彈性阻尼元件等。各部件之間通過旋轉(zhuǎn)副、球副等運(yùn)動(dòng)副和接觸力、彈簧阻尼力等進(jìn)行約束，得到完整約束系統(tǒng)，建立如圖1所示的履帶車輛底盤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[2]。

1.2 履帶車輛起伏路面振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

履帶車輛在崎嶇道路行駛時(shí)，隨著車速的升高，車輛通常會(huì)發(fā)生劇烈的振動(dòng)[3]。因此，履帶車輛在起伏路面的最大行駛速度可以通過車輛或者乘員承受振動(dòng)的極限來(lái)確定。

車輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)可以從乘員舒適性、吸收功率標(biāo)準(zhǔn)和懸掛動(dòng)行程等三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中乘坐舒適性的要求乘員座椅處振動(dòng)加速度加權(quán)總均方根值；吸收功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的極限垂向加權(quán)加速度均方根值為0.69；

避免“懸掛擊穿”需滿足第一負(fù)重輪動(dòng)行程的均方根值的門限值為0.12。

1.3 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算

以路面不平度與車速為設(shè)計(jì)變量，采用近似模型替代原有復(fù)雜模型可以大量減少仿真次數(shù)，并直觀地描述路面不平度與車速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)在路面不平度系數(shù)和車速ν的取值范圍內(nèi)選取20組樣本點(diǎn)，圖2為選取的樣本點(diǎn)分布示意圖。

2 起伏路面最大行駛速度預(yù)測(cè)

2.1 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型

采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型該模型替代復(fù)雜車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型描述路面不平度與車速間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

以三種振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)、路面不平度和車速為設(shè)計(jì)變量，將20組仿真結(jié)果代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型完成訓(xùn)練，得到設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)間的近似模型如圖3所示。

2.2 履帶車輛最大行駛速度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)近似模型求解最大行駛速度的過程可以簡(jiǎn)化為隱式約束優(yōu)化問題：以路面不平度系數(shù)G為變量，以振動(dòng)響應(yīng)量為約束，求解目標(biāo)函數(shù)車速v的全局最優(yōu)解。因此，履帶車輛在起伏路面下的最大行駛速度計(jì)算模型可以表示為：

以路面不平度均值處為例，代入近似模型中得到車速與三種振動(dòng)響應(yīng)量之間的關(guān)系曲線如圖4所示，由式（5）計(jì)算得到最大行駛速度為v=6.23m/s。

3 結(jié)論

利用履帶車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近似模型，提出了履帶車輛在起伏路面下最大車速的預(yù)測(cè)方法，得到了路面不平度系數(shù)與車速間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以直接高效地計(jì)算已知路面譜路面的最大車速。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁法乾.履帶式裝甲車輛懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：67-77.

[2]孟磊，李曉雷，邱實(shí)等.履帶對(duì)履帶車輛車體振動(dòng)影響的分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2015（04）：1-5.

[3]王欽龍，王紅巖，芮強(qiáng).基于多目標(biāo)遺傳算法的高速履帶車輛動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)修正研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，37（06）：969-978.

作者簡(jiǎn)介：段譽(yù)（1994-），男，湖北黃岡人，碩士研究生在讀，主要研究方向：裝甲車輛仿真。