張 蕊

(貴州大學(xué)工程實訓(xùn)中心，貴州貴陽550003)

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基于AMESim和RecurDyn的履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

張 蕊

(貴州大學(xué)工程實訓(xùn)中心，貴州貴陽550003)

根據(jù)鉸接式履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，在RecurDyn軟件和AMESim軟件中分別建立履帶車的虛擬樣機和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)；通過兩種軟件的對接，實現(xiàn)履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械-液壓聯(lián)合仿真。運用聯(lián)合仿真方法，分析了履帶車原地轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向液壓缸的液壓特性變化情況。通過試驗驗證，試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果非常接近；表明聯(lián)合仿真模型的可靠性，為后期系列產(chǎn)品的設(shè)計制造提供可靠數(shù)據(jù)。

AMESim軟件 RecurDyn軟件 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 聯(lián)合仿真

0 引言

鉸接式履帶車通過鉸接機構(gòu)連接前后兩個車體，鉸接機構(gòu)中的兩個水平對稱的液壓缸驅(qū)動車體實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對車輛的機動性能和通過性能具有重要影響，而單一的分析其機械性能或者液壓性能已經(jīng)不能很好地模擬實際工作狀態(tài)，但是要構(gòu)建一種高精度的非線性動態(tài)理論模型仿真實際工作系統(tǒng)是非常困難的。因此，運用計算機仿真技術(shù)把機械轉(zhuǎn)向模型和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析研究其特性成為優(yōu)化設(shè)計、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的重要手段。

1 履帶車鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖 圖2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

履帶車鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)主要有轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向器總成和供、回油系統(tǒng)三大部分組成(圖2)。在該系統(tǒng)中，由壓力流量補償變量泵提供動力，轉(zhuǎn)向器總成控制液壓油流量大小。當(dāng)運作轉(zhuǎn)向器的時候，轉(zhuǎn)向器的出油口會跟油缸負(fù)腔相通，反饋到變量泵上面，使得提供給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵的排量隨著負(fù)載的不同而變化。通過壓力控制，轉(zhuǎn)向器的壓差發(fā)生變化，液壓油按照需要進(jìn)入轉(zhuǎn)向器，進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)向液壓缸中流量，從而實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。

2 履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型建立[1-2]

2.1 AMESim和RecurDyn聯(lián)合仿真的原理及軟件環(huán)境設(shè)置[3]

RecurDyn的Hydraulic工具包和AMESim的Interface block工具包中提供了機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真的接口，通過接口數(shù)據(jù)模塊，可以實現(xiàn)液壓軟件AMESim和RecurDyn機械模型的耦合仿真，適用于液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)交互的系統(tǒng)設(shè)計。

對AMESim接口設(shè)置時，必須保證系統(tǒng)中裝有C++，然后將RecurDyn安裝路徑下CoSim_AMESim下的整個文件夾復(fù)制到AMESim安裝目錄的LIB文件夾中。在進(jìn)行聯(lián)合仿真時，要把RecurDyn中建立的機械模型和AMESim中建立的液壓系統(tǒng)模型都存放在一個英文文件夾里面，這樣才是設(shè)置了正確的聯(lián)合仿真環(huán)境。

兩個軟件運用各自獨立的求解器計算，仿真完成后，停止AMESim軟件仿真。在AMESim軟件里面查看液壓特性的變化，在RecurDyn環(huán)境里面，單擊Plot Result按鈕，在后處理界面的右側(cè)數(shù)據(jù)庫中可以機械模型的運動學(xué)和動力學(xué)仿真參數(shù)。

2.2 AMESim和RecurDyn聯(lián)合仿真模型的建立

2.2.1 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)模型的建立

圖3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AMESim仿真建模及接口設(shè)置

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，通過AMESim軟件中的元件子模型和接口工具包，建立圖3所示的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型及其聯(lián)合仿真環(huán)境接口[4]。從圖中可以看出，液壓系統(tǒng)向機械模型輸入活塞桿的速度，機械模型中的活塞桿根據(jù)輸入的速度信號進(jìn)行運作，運作受到的阻力又作為機械模型的輸出，傳給液壓系統(tǒng)，作為它的輸入，活塞桿受外力產(chǎn)生運動，運動帶來速度。往復(fù)傳輸，形成了閉環(huán)系統(tǒng)[5]，以此來實現(xiàn)履帶車的轉(zhuǎn)向。

圖4 履帶車虛擬樣機

2.2.2 鉸接式履帶車的整車虛擬樣機的建立

在RecurDyn軟件中建立的履帶車整車虛擬樣機如圖4所示，包括鉸接轉(zhuǎn)向機構(gòu)[6]、行走底盤[7]和前后車體，并在RecurDyn/Hydraulic環(huán)境下設(shè)置聯(lián)合仿真的接口。

模型建立完成后，在RecurDyn和AMESim軟件中設(shè)置各項參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置過程中，需要注意下面三點：

1)RecurDyn輸入和輸出的單位一定要和AMESim中輸入輸出的單位統(tǒng)一。

2)在定義液壓缸輸出位移的時候，要根據(jù)液壓缸的實際安裝情況，確保RecurDyn和AMESim中液壓缸的初始位移位置相同，否則就會出現(xiàn)錯誤的動作。

3)采集信號的步調(diào)要設(shè)置一致，確保AMESim運行模式下的信號間隔、RecurDyn中CoSim模式下的交互時間間隔以及RecurDyn中Dynamic/Kinematic Analysis模式下的時間間隔統(tǒng)一起來。

3 履帶車轉(zhuǎn)向過程的聯(lián)合仿真

車輛轉(zhuǎn)向時不僅受到路面參數(shù)的影響，還會受到轉(zhuǎn)向方式的影響。由于車輛在原地轉(zhuǎn)向時受到的轉(zhuǎn)向阻力大于車輛行駛中轉(zhuǎn)向阻力，故分析研究了履帶車在原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向特性。在RecurDyn中設(shè)置履帶車為空載狀態(tài)，轉(zhuǎn)向液壓缸處于自由狀態(tài)；在AMESim中設(shè)置方向盤轉(zhuǎn)速為50 rad/s，設(shè)定活塞缸的位移范圍，使得車輛向左轉(zhuǎn)向。為了增加對比性，設(shè)定履帶車在第1 s時開始轉(zhuǎn)向，5 s內(nèi)完成轉(zhuǎn)向。

原地轉(zhuǎn)向時在虛擬樣機中設(shè)置行走系統(tǒng)中的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為零，路面設(shè)置為水泥地面；履帶車原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向特性仿真曲線如圖5所示。

圖5中(a)、(b)為AMESim軟件后處理中導(dǎo)出的曲線圖，分別表示了原地左轉(zhuǎn)時左側(cè)液壓缸兩腔內(nèi)的壓力、流量變化情況。從兩腔壓力對比看出，左側(cè)液壓缸有桿腔與無桿腔之間的壓差克服了車輛轉(zhuǎn)向時受到的阻力，且每腔的流量變化隨著壓力的變化而產(chǎn)生變化浮動。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向中系統(tǒng)的最大壓力接近140 Bar，最大流量接近16 L/min。在AMESim軟件的后處理中，很明顯的表示了液壓油的流進(jìn)和流出，流進(jìn)為正值，流出為負(fù)值。

(a)左側(cè)液壓缸兩腔壓力 (b)左側(cè)液壓缸兩腔流量圖5 聯(lián)合仿真液壓特性圖

4 試驗驗證與分析

對實際車輛進(jìn)行試驗，試驗路面為廠區(qū)內(nèi)較為平坦的水泥地面，車輛為空載狀態(tài)。通過司機控制履帶車方向盤，實現(xiàn)車輛的原地向左轉(zhuǎn)向，利用雷諾公司開發(fā)的CHPM手持式液壓測試儀采集轉(zhuǎn)向液壓缸的壓力、流量數(shù)據(jù)，其試驗曲線如圖6所示。

試驗曲線與聯(lián)合仿真曲線對比還可以發(fā)現(xiàn)，試驗曲線的波動范圍要大些。這主要是因為廠區(qū)的水泥地面存在不平整的情況，路面不平時會造成整車的波動，但在聯(lián)合仿真過程中，則理想化設(shè)置了路面，所以特性曲線呈現(xiàn)的比較平緩。

圖6 試驗液壓特性圖

由于計算機仿真軟件的某些局限，后處理中不能同時導(dǎo)出同一側(cè)液壓缸中的壓力、流量曲線，所以在圖5中分別導(dǎo)出的左側(cè)液壓缸兩腔的壓力、流量曲線；但試驗中，為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對液壓缸的有桿腔或者無桿腔同時測其壓力、流量，這樣就沒有實現(xiàn)仿真曲線圖和實驗曲線圖的一一對照。

圖6中(a)、(b)液壓特性曲線與圖5中(a)、(b)相比，試驗開始時液壓缸里面存在壓力差，且比聯(lián)合仿真中的壓差稍微大些；且在轉(zhuǎn)向開始后，試驗曲線與聯(lián)合仿真曲線沒有呈現(xiàn)出一一對應(yīng)的關(guān)系，但是左側(cè)液壓缸有桿腔和無桿腔的壓力、流量曲線的走勢形態(tài)與聯(lián)合仿真得到的曲線則近乎保持一致。這是因為在仿真軟件中，液壓系統(tǒng)的建模稍微簡單化和理想化，虛擬樣機與實際車輛之間也存在某些簡化的差異，試驗測試中也會存在某些誤差，但是不影響對履帶車轉(zhuǎn)向特性的分析。

5 結(jié)論

根據(jù)履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理，建立履帶車的動力學(xué)模型和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)。通過軟件之間的接口，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械模型和液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。通過聯(lián)合仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了聯(lián)合仿真得到的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)特性參數(shù)變化的確切性， 為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鉸接機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠依據(jù)。

[1] 陸倩倩.流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析及實驗[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

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[4] 郭勇，彭勇，過新華，等.運用ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的LUDV液壓系統(tǒng)動態(tài)特性分析[J].現(xiàn)代制造工程，2010(7)：30-34.

[5] 王小中，卜繼玲，劉運兵.ADAMS/Rail與AMESim聯(lián)合仿真技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]. 機床與液壓，2011，39(11)：98-101.

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[7] 周少虎．橡膠履帶車輛振動特性研究[D]．洛陽：河南科技大學(xué)，2010.

Co-simulation analysis of the steering system of tracked vehicle based on AMESim and RecurDyn

ZHANG Rui

The virtual prototype and the hydraulic steering system were established on the platform of RecurDyn software and AMESim software, according to the working principle of steering system of articulated tracked vehicle. It can realize combined mechanical-hydraulic simulation of the steering system on this platform. Hydraulic characteristics change of steering hydraulic cylinder was analyzed as the tracked vehicle pivot steering by the co-simulation technology. Experiment showed that the simulation results were consistent with the experimental results, and the model provided a reliable basis for later design and manufacture of series of products.

AMESim software, RecurDyn software, steering system, co-simulation

TP391.9

A

1002-6886(2016)06-0022-04

張蕊(1985-)，女，河南人，碩士研究生，實驗師，主要從事工程訓(xùn)練教學(xué)、現(xiàn)代制造技術(shù)研究工作。

2016-06-26