周君濤，何永，蔣瀟蓉，郁家耀，薛濱

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在戰(zhàn)場上，士兵的主要目標(biāo)是生存和作戰(zhàn)，而負(fù)重能力的大小是決定士兵能否順利實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要因素之一。士兵通常需要在負(fù)重的前提下，完成各種高難度的動作。

在進(jìn)行一個時間較長、強(qiáng)度較高的行走時，士兵往往需要承載較大載荷。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，士兵在負(fù)重20kg的前提下，行軍20min后，吸氧量增加了33%，此時士兵的體能開始逐漸下降。當(dāng)負(fù)重比較大時，執(zhí)行某些高難度的軍事任務(wù)會對士兵的身體造成傷害，降低軍隊作戰(zhàn)能力。KNAPIK J J等[1]發(fā)現(xiàn)士兵在負(fù)重作業(yè)時，小腿及腳踝處易受傷，因此會降低移動能力和操作武器能力，削弱部隊的作戰(zhàn)能力，增加戰(zhàn)斗傷亡的風(fēng)險[2]。JENNINGS B M等[3]在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)作戰(zhàn)情況下，有80%的士兵由于負(fù)重過大，從而導(dǎo)致骨骼肌損傷，甚至無法正常行走。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一款多功能攜行裝置，主要通過輪轂電機(jī)驅(qū)動，使用減震彈簧來實現(xiàn)攜行具的穩(wěn)定行駛，達(dá)到減輕人體負(fù)重的效果，并針對單兵攜行裝置運載炮彈行駛過程中的動力響應(yīng)問題進(jìn)行了建模分析研究。

1 攜行裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

單兵攜行裝置主要有兩種設(shè)計方案：第一種是通過人機(jī)工程學(xué)方法對攜行方式進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，使得負(fù)載在人體上的受力分布更加合理，王義斌等[4]設(shè)計了用于實現(xiàn)負(fù)荷行走功能的下肢助力機(jī)械外骨骼；第二種是通過開發(fā)附加攜帶裝置，用于攜帶重型的負(fù)載。附加攜帶裝置具有獨立行進(jìn)結(jié)構(gòu)，可以為士兵承擔(dān)負(fù)荷。本文基于第二種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

如圖1所示，攜行具與人體之間有個牽引機(jī)構(gòu)，用腰帶6連接。當(dāng)士兵勻速向前行進(jìn)時，輪轂電機(jī)2帶動車輪1向前運動，在電機(jī)的作用下，減少了牽引力。在平坦路面行駛時，士兵只需提供牽引方向；在翻越障礙時，需要提供翻轉(zhuǎn)力矩。極大程度上節(jié)省了士兵的體能。同時在腰部與攜行具之間設(shè)計一個阻尼-減震裝置7，以減少碰撞時產(chǎn)生的接觸力，起到保護(hù)人體的作用。承力板4與車輪之間安裝了兩個彈簧3，起到減震作用?？刂破?用來控制電動機(jī)的啟動、調(diào)速以及暫停。

1—車輪；2—輪轂電機(jī)；3—彈簧裝置；4—承力板；5—控制器；6—腰帶；7—阻尼減震裝置。

2 攜行裝置的建模

2.1 基本假設(shè)

攜行裝置的運動是負(fù)載、架體、車輪、腰帶之間相互耦>合作用的過程，當(dāng)輪轂電機(jī)驅(qū)動行進(jìn)時，腰帶與人體腰部之間產(chǎn)生碰撞力，對腰帶產(chǎn)生力矩。在分析攜行裝置系統(tǒng)受力以及運動的基礎(chǔ)上，考慮到負(fù)載、架體以及車輪的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，基于以下假設(shè)建立攜行裝置耦合物理模型：

1) 整個攜行具裝置系統(tǒng)近似為一個多剛體系統(tǒng)；

2) 當(dāng)攜行裝置行進(jìn)時，將腰帶彈性變形部分簡化成剛性介質(zhì)，并沿水平方向運動；

3) 將地面與障礙物設(shè)置為砂土狀態(tài)，當(dāng)橡膠輪胎與其進(jìn)行接觸時，裝置軸線方向上受平衡力，裝置沒有磨損、行進(jìn)過程中沒有發(fā)生形變。

在此基本假設(shè)下，進(jìn)行三維實體建模，通過在炮彈、車體以及腰帶各部件之間添加各種約束、運動副以及接觸關(guān)系，從而創(chuàng)建攜行裝置數(shù)字樣機(jī)。

2.2 攜行裝置實體建模

多剛體動力學(xué)的核心在于建模與求解問題。ADAMS中使用的是歐拉-拉格朗日方法，其采用的是第一類Lagrange方程建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程，在ADAMS/View中對機(jī)械系統(tǒng)的分析一般包含3個步驟[5]：1)建立機(jī)械系統(tǒng)的實體模型；2)定義系統(tǒng)內(nèi)部的約束及拓?fù)潢P(guān)系；3)動力學(xué)模型求解及結(jié)果后處理。本文先使用三維建模軟件SolidWorks建立攜行裝置以及炮彈的模型，將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，在ADAMS中對其施加各部件之間的約束以及接觸關(guān)系。

2.3 各部件約束以及接觸關(guān)系施加

在攜行裝置各個部位定義以下的約束。

轉(zhuǎn)動副：車輪與車軸之間使用軸承連接，輪轂電機(jī)帶動車輪繞車軸勻速向前運動，在此處定義一個轉(zhuǎn)動副，并通過轉(zhuǎn)動副對車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行定義；連接桿的上端與腰帶的右端定義一個轉(zhuǎn)動副，使其能夠上下轉(zhuǎn)動，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)動副

移動副：當(dāng)士兵向前拉著裝置行進(jìn)時，對人體與地面定義一個移動副。如圖3所示。

圖3 移動副

固定副：繪制的砂土以及障礙模塊分別固定在地面上；承力框、鉸支座、連接桿與控制器等各零件之間采用焊接使其固定。

彈簧副：如圖4(a)中所示，在承力框下方左右兩端放置彈簧副來代替三維軟件中攜行裝置的彈簧；如圖4(b)中所示，在腰帶與連接處放置一個彈簧副，以此減小裝置運行中產(chǎn)生的碰撞力，從而起到保護(hù)人體的作用。

圖4 彈簧副

接觸：輪轂電機(jī)帶動車輪向前行駛時，與地面之間存在摩擦力；運動過程中，承載物與承力板之間存在摩擦力。

定義全局坐標(biāo)系的方向，其中水平方向與攜行具的行進(jìn)方向相反，垂直方向與重力方向相反。繪制地面與障礙部分，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，設(shè)車體前進(jìn)方向為前。在對各部件定義約束和接觸的基礎(chǔ)上，對整個模型施加重力，并結(jié)合動態(tài)計算，完成對攜行裝置多剛體動力學(xué)模型的建立，如圖5所示。

圖5 單兵攜行裝置多剛體動力學(xué)模型

2.4 碰撞力模型

攜行裝置仿真模型由多個部件構(gòu)成，在ADAMS中進(jìn)行動力學(xué)仿真時，除了添加必要的運動副，還需要定義各個部件之間的接觸約束，從而模擬炮彈與攜行裝置之間的動態(tài)響應(yīng)。接觸碰撞模型將碰撞過程歸結(jié)為“自由運動-接觸變形”，它通過計入碰撞體接觸表面的彈性和阻尼，建立了描述碰撞過程中力和接觸變形之間的本構(gòu)關(guān)系[6]。在ADAMS中采用非線性等效彈簧-阻尼法來模擬接觸過程，該模型在數(shù)學(xué)上便于處理[7]。法向接觸力F可表示為

(1)

式中:k為Hertz接觸剛度；e為≥1的指數(shù)；g為接觸點法向穿透距離；c為阻尼因子。

切向接觸力Ft采用庫侖摩擦定律，可表示為

Ft=μ(|Vt|)sign(Vt)F

(2)

式中:Vt為切向速度；μ為摩擦系數(shù)。

3 攜行具動態(tài)性能仿真結(jié)果與分析

本文根據(jù)行進(jìn)過程中翻越障礙的高度不同，對腰部受力和承載物的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真計算，分析攜行具以及承載物的通過性，受力曲線如圖6-圖7所示。

圖6 翻越20mm障礙時腰部受力曲線圖

圖7 翻越30mm障礙時腰部受力曲線圖

3.1 臺階高度對腰部受力分析

由上述受力曲線圖6-圖7可知，當(dāng)裝置翻越20mm障礙時，腰帶部位受力最大為293.9N，受力時間為2.37s；當(dāng)裝置翻越30mm障礙時腰帶部位受力最大為421.2N，受力時間為2.76s。由此可以得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，攜行具翻越的障礙高度對人體影響不大。我國汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)法規(guī)GB 20071-2006規(guī)定，腹部受力峰值應(yīng)該≤2.5kN，所以本文仿真結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 攜行裝置的承載物速度與加速度分析

由受力曲線圖8-圖9可知，當(dāng)裝置翻越20mm障礙時，承載物質(zhì)心垂向最大速度為1351.67mm/s，垂向最大加速度為7.6×105mm/s2，承載物質(zhì)心水平最大速度為1477.87mm/s，水平最大加速度為1.26×105mm/s2；由圖10-圖11可知，當(dāng)裝置翻越30mm障礙時，承載物質(zhì)心垂向最大速度為1201.46mm/s，垂向最大加速度為2.2×106mm/s2，承載物質(zhì)心水平最大速度為1653.44mm/s，水平最大加速度為1.76×106mm/s2。由此可以得出結(jié)論：障礙物的高度對承載物的質(zhì)心垂向速度影響較小。

圖8 翻越20mm障礙時承載物 質(zhì)心點水平、垂向速度

圖9 翻越20mm障礙時承載物 質(zhì)心點水平、垂向加速度

圖10 翻越30mm障礙時承載物 質(zhì)心點水平、垂向速度

圖11 翻越30mm障礙時承載物 質(zhì)心點水平、垂向加速度

4 結(jié)語

本文運用ADAMS動力學(xué)仿真平臺對某行具進(jìn)行仿真分析得出以下結(jié)論，在無需人力強(qiáng)硬拉扯裝置，以一個恒定的速度步行并翻越障礙物時：

1)本文設(shè)計的單兵攜行裝置，通過性良好；

2)在士兵牽引攜行裝置翻越障礙時，其高度對人體作用影響較??；

3)在翻越障礙時，障礙的高度對其承載物的動態(tài)響應(yīng)影響較?。辉趯嶋H過程中，當(dāng)翻越障礙時，應(yīng)該減緩速度，平穩(wěn)越障，以避免承載物掉落。