履带式特种车辆精细化动力学建模与仿真

履带车辆动力学模型是车辆结构优化设计与控制算法开发、测试与标定的基础。基于商业软件所搭建模型的动力学方程及梯度信息对用户未知,极大地限制了结构参数与控制参数的优化效率。此外,现有商业软件求解效率低、实时性差,影响了控制算法开发进度。针对上述问题,基于多体动力学推导建立可同时满足纵横垂耦合运动仿真需求的履带车辆精细化动力学模型并进行仿真。建立考虑空间三维耦合运动的车体动力学模型以及精细到履带板的履带链动力学模型。通过计算履带板与各部件相互作用力,将车体模型、履带链模型以及地面相关联,最终构建190自由度的履带车辆动力学模型。在加速、刹车与转向等工况下与ATV(ADAMS Tracked Vehicle Toolkit)进行对比,结果表明自主开发的仿真模型纵横垂向运动仿真结果与商业软件高度一致,验证了新方法的准确性。

基于故障树和贝叶斯网络的履带车辆行星变速机构可靠性分析

行星变速机构作为履带车辆传动系统的核心部件,其可靠性直接影响履带车辆的正常运行。以履带车辆行星变速机构为研究对象,基于实测试验结果建立故障树,将故障树转化为贝叶斯网络(Bayesian Network,BN)模型,并考虑行星变速机构正常、普通故障、严重故障3种状态进行可靠性分析。研究结果表明,行星变速机构失效概率为89.34×10^(-8)h^(-1),其工作400 h的可靠度为0.99964,符合设计要求;利用贝叶斯网络双向计算的功能,可知当行星变速机构发生失效,由主轴断裂或摩擦片烧蚀、翘曲、断裂或齿轮疲劳断齿引起的可能性较大。为后续装备检修、改进设计提供理论依据。

电传动履带车辆电气系统稳定性分析及优化提升策略

为提高电传动履带车辆电气系统稳定性,利用基于阻抗模型的小信号分析法对电传动履带车辆电力电子源网荷储所构建的直流微电网系统进行建模并结合电传动履带车辆工况条件开展分析,获取系统不同工况及不同参数变化下的稳定性规律和机理。在稳定性的理论分析基础上,分别在发动机-发电机组和DC/DC控制回路中设计基于电压的反馈通道和虚拟电容控制环节,所设计的控制环节能够自适应电压波动情况对电气系统进行控制,进而提升电传动履带车辆电气系统稳定性。通过仿真对控制算法进行了验证,证明了控制算法的有效性。

越野环境下势场搜索树智能车辆路径规划方法

智能车辆路径规划是智能驾驶的一项关键技术,传统的车辆路径规划方法以最短通行距离或最小通行时间为优化目标,忽视了规划过程中的车辆运动风险。在快速随机搜索树算法的基础上,运用势场模型量化评估车辆运动风险。在快速获得车辆初始运动轨迹的基础上,以车辆运动轨迹的安全性以及通行距离和车辆转角作为运动轨迹评估依据,采用轨迹重构优化方法持续优化车辆运动轨迹。采用场景模拟仿真方法,验证规划轨迹的性能。仿真实验结果表明,在典型场景下,该方法具备平衡车辆运动效率与安全性能的特点,能在越野环境中规避障碍物和环境威胁,所规划的运动轨迹符合车辆运动学特性,运动轨迹的安全性好,通行效率较高。

基于微分平坦的分层轨迹规划算法

为充分考虑横纵向耦合和汽车运动学特性对轨迹规划的影响,提出一种分层优化的轨迹规划算法框架。利用贝塞尔曲线的凸包性设计安全走廊约束,以轨迹平滑性为目标函数得到一个基于贝塞尔曲线节点的下层规划器。在上层规划器中,基于下层规划器求解得到的横纵向贝塞尔曲线和车辆运动学模型的微分平坦输出进行三维耦合,构建满足车辆乘坐舒适性、高效性和安全性的目标函数,利用粒子群优化算法对贝塞尔轨迹初始参数进行二次优化得到综合性能最优的行驶轨迹。仿真结果表明:新算法在保证安全性的同时,具有良好的乘坐舒适性和可跟踪性;由于二次规划与粒子群优化算法的求解效率高,此框架实时性强,具有概率完备性。

基于拓扑路网的多挡无人履带平台路径重规划

针对越野环境中无人履带混合动力平台重规划鲁棒性差、场景适应性弱的问题,提出一种通过融入多目标函数模型进行规划路径重构,采用三次螺旋线对重构路径进行多阶段采样优化来生成重规划路径的方法。该方法主要研究无人履带平台运动过程中行驶路径出现局部动态无解、全局规划被动触发重规划功能、重新生成可达目标点的参考轨迹的策略,重点解决重规划时回退道路行驶的成本最优问题。平台搭载两挡行星自动机械变速器,无人平台在行进过程中可根据行驶速度切换到不同挡位,以应对不同路面条件下的速度需求,保证平台具有较强的可通过性。通过实车平台验证新方法针对不同越野场景,根据通行时间、能量消耗和换挡次数的三参数目标代价函数模型,得到最佳的重规划策略并生成一条最优可通行路径。研究结果表明:基于拓扑路网的多挡无人履带平台路径重规划方法降低了重规划过程的时间和能量成本,在兼备考虑时间、能量以及不同转弯半径和速度时选择适当的挡位,确保平台纵向运动动力性的同时,也充分考虑了时效性和经济性。

考虑能量消耗的电驱动履带车辆路径规划方法研究

提出了一种考虑滑移滑转特性及其能量消耗的电驱动履带车辆路径规划方法.基于瞬时转向中心理论建立了考虑滑移滑转特性的履带车辆运动学模型;基于指数摩擦理论建立了车辆动力学模型;考虑电机瞬时功率最终建立了车辆能量消耗模型.基于控制空间采样的路径规划方法,融合履带车辆模型设计了考虑能量消耗的多目标优化策略路径规划方法.仿真试验验证了文中提出的考虑能量消耗的电驱动无人履带车辆多目标优化路径规划方法的可行性、节能有效性与优越性.

综合传动系统时变工况动力学建模与求解方法研究

为满足特种车辆综合传动系统在实际复杂工况下负载特性实时监测与健康管理的需求,采用行星变速机构矩阵分析方法和数值求解方法,以实车传感器数据作为输入,建立了可实现时变工况下快速连续求解传动输出转速和扭矩的综合传动系统动力学模型,构建了行星变速机构运动学矩阵、运动微分方程与力矩平衡方程,提出了时变工况下动力学模型的快速连续求解方法以及在道路负载信息缺失的条件下进行道路负载求解的方法,并将计算所得的传动输出转速和扭矩在起步、换挡和加速三种典型工况下与台架试验结果进行了对比分析。结果表明,构建的动力学模型在道路负载信息缺失的条件下,可实现对综合传动输出特性的动态仿真计算,为特种车辆综合传动系统服役状态实时监测、动态控制和智能运维提供了支撑。

混合动力装甲车直流微电网大信号稳定性分析

混合动力装甲车直流微电网的电能质量与稳定性关系到车内所有用电设备是否能够安全可靠运行。针对混合动力装甲车辆车载微电网在大扰动下母线电压震荡乃至失稳的现象,建立计及恒功率负载与发电机组的车载微电网的大扰动模型;基于混合势函数理论得到车载微电网稳定性判据,解决了现有大扰动分析方法不适应混合动力装甲车辆车载微电网的问题,并分析了微电网重要参数与响应速度及稳定性之间的关系。通过硬件在环仿真及台架试验验证了稳定性判据及分析结果的可靠性。结果表明:在大扰动下,满足该判据的系统能够稳定运行。

功能梯度下肢保护装置设计与优化

针对车辆底部爆炸冲击环境下的乘员安全问题,该文结合试验研究与有限元仿真,研究了乘员下肢在爆炸冲击环境下的运动及受损情况;设计了一种蜂窝铝防雷脚垫作为乘员下肢保护装置,研究了脚垫在爆炸冲击环境下的防护性能;研究了不同梯度结构对车内乘员下肢响应的影响;对蜂窝铝防雷脚垫进行多目标优化设计,得到厚度梯度型蜂窝铝防雷脚垫。结果表明:该文设计的蜂窝铝防雷脚垫可以通过吸收能量、降低冲击强度有效降低乘员下胫骨力,减小乘员下肢损伤;梯度结构相比于均质结构有更好的吸能特性;不同梯度结构对乘员下肢的防护效果不同,厚度梯度对乘员下肢响应的影响最大;与优化之前相比,优化后的乘员下肢保护装置能够使乘员左下胫骨力降低26.35%,右下胫骨力降低24.69%,脚垫总质量降低56.59%。

坦克行驶扬尘浓度场时空分布特性研究

为研究典型战场环境中坦克行驶扬尘浓度场时空分布特性,通过数值模拟方法,建立几何模型,采用离散相模型利用计算流体力学软件Fluent对坦克行驶过程中典型颗粒粒径、地面粗糙度和加速度行驶时的扬尘浓度分布进行数值仿真计算。研究结果表明:不同地面颗粒粒径对扬尘浓度分布具有一定影响,颗粒粒径越大,产生扬尘浓度越大,对扬尘分布范围影响较小;地面的粗糙度越大,搅动地面表层物质的能力增强,行驶带动的颗粒越多,坦克行驶产生的扬尘浓度也会相应增加;坦克行驶加速度越大,扬尘分布范围增加,扬尘浓度也会随之增加。仿真研究及结果对坦克行驶扬尘的浓度分布特性研究具有一定的参考价值。

装甲车辆红外特征探测性分析

为研究发射率对装甲车辆红外探测的影响,在充分考虑目标辐射、背景辐射以及目标对背景的反射辐射基础上,建立了表观温差数值计算模型,采用试验验证了模型的准确性。采用MATLAB编制了数值仿真界面,分析了在主要红外探测波段上目标发射率对表观温差的影响。采用理论和试验结合的办法研究了相同探测距离下探测概率和相同探测概率下探测距离这二者与温差的关系。结果表明:在远红外探测波段,装甲车辆发射率对表观温差的影响更为明显,在目标发射率较低的情况下,甚至会导致出现表观温度为负值,进而造成较远的探测距离;相较于单纯地降低目标与环境的温差,采用低发射率的隐身涂料等技术措施,能够显著地降低探测概率,提高隐身效果。该研究能够为装甲车辆的隐身设计提供理论参考。

履带车辆转向分析

分析了履带接地段滑动时履带车辆的转向规律。推导了履带接地压力为均匀分布与集中载荷2种典型条件下转向所需牵引力、制动力、转向阻力矩、转向半径及转向角速度的表达式。采用迭代法求解转向平面运动方程,并与实车试验作了比较。试验结果表明:建立的考虑履带接地段滑动时的转向模型是合理的;接地压力均匀分布条件下考虑履带接地段滑动时,转向半径较传统转向理论计算值增大,转向角速度低于传统转向理论计算值;集中载荷条件下车辆转向更为困难。

履带车辆动力学仿真技术的发展与展望

履带车辆在军事领域中发挥重要作用。由于履带车辆自身及使用环境的复杂性 ,传统的研究模式导致研制费用高、周期长。运用建模仿真技术研究履带车辆已成为趋势 ,对其发展起了巨大的推动作用。本文对仿真技术在履带车辆动力学仿真研究中的阶段性成果 ,按照平稳性模型、压力分布与通过性模型、转向性模型进行了回顾和总结 ,对履带车辆动力学仿真中常用的大型软件做了介绍 。

帕累托最优在车辆底部防护结构设计中的应用研究

为了提升爆炸冲击环境下车辆的防护性能,针对其底部防护结构设计中大规模计算、强非线性和多优化目标的特点,利用多物质单元与流-固耦合算法仿真车辆的动态响应。通过灵敏度分析,筛选底部结构中钣金件的厚度、几何形状等设计参数,并利用实验设计建立该问题的数学优化模型,结合帕累托最优的多目标遗传算法,得到该优化问题的帕累托解集空间曲面和一个最优设计方案,该方案在不增加结构质量的情况下,能显著提高车辆底部防护性能。

基于滑动参数实时估计的履带车辆运行轨迹预测方法研究

要实现履带车辆的无人驾驶,在轨迹规划阶段需要准确预测其未来一段时间内的运动轨迹,然而履带与地面之间的滑动使车辆运动轨迹的准确预测变得非常困难。通过研究转向过程中履带接地段的运动,建立基于瞬时转向中心的履带车辆运动学模型。针对车辆的相对位姿是滑动参数的泛函,雅可比矩阵难以求解的问题,通过对泛函微分方程线性化,推导了雅可比矩阵的解析解。根据车辆相对位置计算值和测量值的差值,运用Levenberg-Marquardt算法迭代求解滑动参数,并结合给定控制序列预测未来一段时间内车辆的运动轨迹。该方法不需要提前知道土壤参数,并且能够实时估计滑动参数,以适应路面变化。实车试验结果表明,与传统轨迹预测方法相比,利用该方法预测车辆轨迹时,车辆位置偏差减少30%以上。

履带车辆纵向与垂向耦合动力学模型及功率特性

越野工况履带车辆动力学是车辆越野行驶能力预测的理论基础。考虑高机动履带车辆越野行驶纵向运动和垂向运动耦合效应,提出履带车辆纵向与垂向耦合动力学建模方法。建立车辆耦合动力学模型,对车辆在典型路面上的行驶性能进行仿真,并进行实车测试验证,进而量化分析履带车辆系统的功率特性。仿真结果表明:该模型可以表征车辆在不同类型路面上行驶的动力学响应特性;在越野工况下,车体垂向、俯仰等运动将消耗部分功率,对车辆行驶速度提升有一定影响;在越野路面上行驶的履带车辆瞬时非纵向运动功率数值波动范围大,随着路面条件变差以及速度提高,非纵向运动功率占总输入功率比例增加,对总功率的需求也越大,限制了驱动功率的有效利用。研究结果可用于高机动履带车辆动力学模型构建以及车辆功率流分析。

爆炸冲击下车辆底部结构与座椅系统多参数优化研究

为了减少爆炸冲击环境下某防护型车辆内的乘员损伤,对车辆底部结构与座椅系统进行多参数优化。优化过程中,利用多物质单元与流-固耦合算法仿真乘员损伤,并通过试验标定。以乘员小腿受力、颈部力矩为目标函数,以车辆底部结构的厚度、材料、座椅安装位置为设计参数,建立了底部结构及座椅系统的优化数学模型。引入多元统计学的降维技术,形成了基于因子分析的多参数优化方法,在满足精度的条件下,合理缩减参数样本空间,节省了计算成本。通过该算法得到了优化模型的帕累托解集,最终获得了减小乘员损伤的底部结构与座椅系统设计方案。

基于模型预测控制的轮毂电机驱动车辆防侧翻控制

针对8×8轮毂电机驱动车辆侧翻稳定性问题,提出基于模型预测控制的主动防侧翻控制策略。采用分层控制结构设计车轮转角和电机转矩的分配控制策略,以充分发挥研究对象各轮转矩、转角独立可控的特点开展稳定性控制;基于模型预测控制方法设计主动防侧翻控制策略,并简化滚动优化算法,使运算量降低以保证实时性;通过重型车辆模拟分析软件Trucksim与数学仿真软件MATLAB/Simulink联合仿真实验以及比例模型车辆试验进行验证。结果表明,通过所提分层控制策略与基于模型预测控制的主动防侧翻控制策略,车辆可以避免侧翻失稳,能够准确跟踪驾驶员期望的行驶轨迹。

基于LBE方法的驾驶室防护仿真

利用LS-DYNA动力有限元软件,分别用ALE(arbitary Lagrangian Eulerian)方法和LBE(load blast enhanced)方法模拟5种不同装药量下四边约束靶板的动态响应,并与试验进行对比验证LBE方法的正确性及优越性.基于LBE方法对某型车辆驾驶室在3种不同装药量产生的爆炸冲击波作用下的动态响应进行仿真模拟,得到驾驶室应力和节点位移云图,并与试验结果进行对比.结果表明采用LBE方法对驾驶室进行仿真所得结果与试验结果吻合较好,可应用于爆炸冲击波对车辆驾驶室的损伤仿真研究.