1、1湖 南 农 业 大 学车 辆 工 程 专 业 毕 业 设 计履带底盘及驱动系统建模与仿真Modeling and Simulation of tracked chassis and drive system学生姓名：刘延韬学 号：201240670127年级专业及班级：201 2级车辆工程（1）班指导老师及职称：李军政 教授学 院：工学院湖南长沙提交日期：2016 年 5 月湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文2诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已
2、经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业论文作者签名：年 月 日3履带底盘及驱动系统建模与仿真学 生： 刘延韬指导老师： 李军政（湖南农业大学工学院，长沙 410128）摘 要 :此设计以电脑仿真技术并结合履带底盘及驱动系统的三维模型构建履带行驶系统虚拟实验平台，对坦克车与水底行走车辆的履带行驶系统进行建模，并对其直线行驶性能，爬坡越障性能与转向性能进行软件仿真，对结果进行分析和总结。此过程中使用了计算机三维图形设计的理论知识、三维建模技术和仿真技术（主要使用软件：pro/E 、recurd
3、yn） ，实现了三维模型建立与仿真分析。关键词：三维建模；多体运动仿真分析；履带行驶系统建模与仿真；4目录履带底盘及驱动系统建模与仿真 .1前 言 .31 坦克履带车身三维模型制作 .61.1 使用 Pro/E 建立坦克履带车车身 .6装配炮塔与车身 .71.2 使用 recurdyn 对履带部分建模 .81.2.1 创建履带板与驱动轮 .81.2.2 创建履带行走机构 .101.3 履带子系统仿真 .121.4 地面参数的设定 .132 水底行走履带车建模 .153 坦克履带车辆仿真分析 .183.1 坦克履带车软质与硬质地面过坡承重轮受力分析 .183.2 坦克履带车辆单边转向分析 .19
4、3.3 坦克履带车辆原地转向仿真分析 .203.4 坦克履带车辆扭矩悬挂仿真 .214 水底行走履带车仿真分析 .244.1 直线行走仿真分析 .244.2 转向行走仿真分析 .254.3 水底行走履带车爬坡，越沟行走仿真分析 .264.4 水底行走履带车履带增设悬挂系统 .285 总结 .316 书目 .325前 言虚拟现实技术是基于近年来的物体几何建模技术、特征、菜单交互、并行处理、智能化多体系统仿真技术的产物。应用虚拟现实技术，可建立一个面向对象的、可提供三维组件库的设计环境。获得与三维环境交互体验的世界，它将计算机才能处理的数字化信息转变易于感受的具有多种表现形式的信息。通过视、听、触
5、觉等多种感官对使用者产生并行作用并且对使用者的控制行为做出相应的交互和反应。虚拟现实技术又简称 VR 技术，包含了现代科技各项高科技领域，包含多种先进技术，如 VR 图形与图像生成，各资源实时配合与分布、立体环绕音效技术、人体姿态识别与定位装置，VR 数据库等。VR 依赖仿真系统推动整个虚拟系统的稳定运行，处理各项可交互运算，对自然现象如重力、大气压、空气阻力等进行模拟等。所以在整个 VR 系统中仿真系统是其核心组成部分，没有其参与， VR 系统将无法表现出现实世界的特性。所以，虚拟现实系统本质上算是一种仿真系统的进阶衍生形势。VR系统在使用者对一些假想物体进行交互式行为时，其需要及时，精准地
6、仿真出假想物体间的运动状态。怎样对用户的交互式行为进行正常回应，影响了整个 VR 环境的真实性。目前主要的开发程序主要有三种：三维模型建立软件，三维实时仿真软件及其相关函数库。用户交互与并行处理能力。此次建模与仿真应用了 pro/E 三维模型建立软件与 RecurDyn 多体系统优化仿真软件及其履带工具库对履带底盘及驱动系统进行。此次设计使用计算机建立底盘及驱动系统，通过使用 VR 技术使得使用者能够更加直观感受其运转，更加真实地体验并观察履带底盘及其驱动系统，对齐进行真实交互行为。首先使用 pro/E 对履带车身进行 3D 建模，再将其导出为 IGS 后导入recurdyn 对模型进行设置，
7、然后运用 RecurDyn 中的履带工具库添加履带及其驱动系统，进行有限元分析，运动学分级以及动力学分析，让大家对履带底盘及驱动系统的建模与仿真流程有直观的认识和了解。首先要明白 Recurdyn 对模型进行仿真运算的原理。RecueDyn 通过使用对研究对象建立计算模型的方式来进行仿真优化分析的基础。其计算模型的建立是基于多体动力学计算理论基础之上。 物理模型：又称作力学模型，由物体、铰、力元，外力等元素组成并且具有一定拓补结构的系统。 拓扑构型：指多体系统之中各物体间的联系方式，称之为系统的拓扑构型，6又简称拓扑。根据拓扑中是否有回路存在，多体系统有能够分为树与非树系统。系统中任意两物体间
8、通路唯一，不且不存在回路的系统称之为树系统，存在回路的系统称之为非树系统。 物体：指代多体系统中构件。在多体系统动力学的计算过程中，物体被分为刚性与柔性。分别称之为刚体与柔体，当对机构零件的模型化时，刚体被定义为物体质点间的距离不发生改变的质点系，而柔体需要考虑质点间的距离变化。 约束：系统的某构件运动时或构件间发生相对运动时对其施加的限制称之为约束，约束可分为运动学约束以及驱动约束。运动学的约束一般指系统中的运动副约束代数形式，驱动约束则是指单个构件上或构件之间被施加的驱动运动条件。 铰：又被称作运动副，属于约束中的一种，即在多体运动系统中，物体间的运动学约束被定义为铰。铰约束是运动学约束中
9、一种物理形式。 力元：多体系统当中，物体间相互作用被定义为力元，又可称之为内力。力元输对系统中存在的弹簧，阻尼，制动器的抽象形式。理想力元可以被抽象为统一的移动弹簧，扭转弹簧，阻尼，致动器等。 外力：多体系统外物体对系统中物体作用定义为外力。 数学模型：指运动学，静力，动力学数学模型的统称，指相应条件下对系统物理模型的数学描述。 机构：装配在一起允许相对运动的若干刚体组合。 运动学：研究组成机构相互连接构件系统的位置、速度、加速度。其余产生运动的力无关。运动学数学模型是线性与非线性代数方程。 动力学：研究外力下机构动力学响应。包括其系统的速度，加速度，位置，运动过程中约束反力。动力学问题是一直
10、系统构型，外力和初始条件球运动，又称动力学修正问题。动力学数学模型是微分方程或其与代数方程混合形式。 静平衡：与时间无关的力作用下系统的平衡称为静平衡。其为一种特殊的动力学分析，常用于确定系统的静平衡位置。 逆向动力学：是运动学以及动力学分析的混合，寻求在运动学上确定系统反力问题，与动力学正问题对应，是已知系统构型与运动求反力又称动力学逆问题。7 连体坐标系：固定于刚体并随其运动的坐标系，以确定刚体运动。刚体上每个支点位置都由其连体坐标系中不变矢量确定。 广义坐标：唯一确定机构所有构件位置与方位，即机构构成的任意一组变量。可以是独立或不独立。对于运动系统，广义坐标是时变量。 自由度：确定一系统
11、位置所需最少的广义坐标数目称为其自由度。 约束方程：对系统某构件运动或构件间运动施加约束用广义坐标表示的代数方程式称为约束方程。其为约束代数等价形式，是约束的数学模型。 1多体动力学仿真技术可分为三个发展阶段：前期“多体动力学仿真”阶段是以多体动力学的计算力学做为研究参照，而其后则发展为综合分析对象结构、其控制以及运动仿真优化相结合的阶段，也就是所谓的“多体系统仿真” 。当前主要的的进展方向则是进入了综合机，电一体化控制，并结合物理场的直接接入产品的“多体产品仿真”这一阶段。RecurDyn 是于“多体动力学仿真”阶段后期被开发出来的，伴随“多体系统仿真”阶段发展并且延伸并已经步入尚未成熟的“
12、多体产品仿真”阶段。多体动力学仿真阶段是多体仿真的萌芽阶段。从业者大多为机构动力学方面的出色学者。20 世纪 70 年代随电脑的逐步普及，美国多家大学应用力学学者开始以牛顿的力学定律对机械构造建立数字化的数学模型（Mathematical Models） ，这就是多体仿真的前身。当时间进入到 70 年代中至 90 年代，多体动力学方面的研究进展速度大幅加快，在这一时期诞生许多的基于多体动力学理论而建立的数学模型以及与之相应的算法，多体运动学的有效数值式解法并且发现了许多多体动力学数学模型和与之相关的几何模型间的重要联系。此中有以密西根大学建立的以 Euler Angles 为旋转自由度的多体运
13、动学的三维数模，伊利诺大学 Dr. Shabana 的模态柔体算法等。当时间到达 90 年代中期后此些多体动力学理论技术均已较为成熟，此时，RecurDyn 的研发组继承了这些多体运动学方面的成果并引入了多体仿真分析常用的有限元方式算法用于建立可承受较大规模的变形与相应接触的柔性体多体动力学分析数模，并在年代末期于 Microsoft 的 windows 电脑系统公开了其开发的第一版本 RecurDyn 多体动力学仿真分析软件。 281 坦克履带车身三维模型制作此次履带底盘及驱动系统建模与仿真需要制作一个履带车车身以结合 RecurDyn的履带工具库进行仿真。对于三维建模我选择建模好用又直观的
14、 Pro/E 来实现。此软件基于 PC 平台，是第一个提出参数化设计概念的软件，现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，采用模块方式，在国内产品设计领域占据重要位置。其拥有强大的三维建模功能，并有多种导出方式与装配，仿真的能力，但无法对带、链 、履带等组件进行多体系统仿真。1.1 使用 Pro/E 建立坦克履带车车身此次坦克履带车模型将参考德国豹二坦克的三视图外形进行制作，首先将在pro/E 中制作坦克车身，为便于较为准确，美观地建立模型，建模过程将会依照豹二坦克的外形三视图。制造坦克炮塔用 Pro/E 造型功能中的跟踪草绘导入豹二三视图后，用扫描建立坦克炮塔模型。9制造履带车身方式与制
15、作炮塔大同小异，注意尺寸的配合。装配炮塔与车身使用 Pro/E 的装配功能安装坦克炮塔与车身，履带车身的建模工作完成。将模型导入 RecurDyn 将模型文件保存为 STEP 格式以导入 RecurDyn，将其组合为一个整体，并将材质设为钢质。102 使用 recurdyn 对履带部分建模RecurDyn 作为一款由 FunctionBay（韩国）开发的新一代多体动力学的仿真软件。特点在于使用相对坐标系的运动方程理论且引入了完全递归算法，使得其十分适合求解大规模的，较为复杂的多体系统动力学类问题。RecurDyn 软件能够支持STEP、IGES、ADAMS 等多格式模型文件，亦可提供 2D/3
16、D 几何造型的功能，同时其支持参数化的建模方式。RecurDyn 在软件中提供了 20 多种约束类型以及 10 多类力施加形式，而在接触建模的方面，RecurDyn 通过 21 项接触定义方便用户进行具体操作并能够实现极为高效率的求解。大型的，涉及到多体运动方面较为复杂的系统，其能够通过分成多个子系统实现整个系统的层层考核。Recurdyn 有专门的履带工具包，这也使得履带模型的建立与装配变得更为简单。现在将以坦克履带车辆模型的建模为例进行履带模型的创建说明。履带结构同样参考豹二坦克图纸。2.1.1 创建履带板与驱动轮 首先定义履带板的形状。进入 Recurdyn 的履带工具包，因为没有豹二坦克准确的履带行驶系统的尺寸与数据可以参考，只能通过估算的方式确定履带驱动轮的参数。根据三视图我们可以知道豹二坦克的履带驱动轮齿数为 10，直径约为 600mm，采用梯形齿，双销式连接方式。因此我们可以用如下公式算出履带的节距。 zpd180sin0知道节距约为 185mm。建立相应的履带板模型。履带类型选取坦克履带常见的HM-I 型履带，并选取履带滚子直径 d=10mm。宽度依照模型履带槽宽确定。依照性能要求对履带齿形进行调整。其他参数依照要求进行修改。
