基于虚拟环境下低速履带车辆行驶载荷的研究.pdf

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第5l卷第4期 V01.5l No.4 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING 2013年4月 April 2013 doi:10.3969/j.issn.1673—3142.2013.04.016 基于虚拟环境下低速履带车辆行驶载荷的研究 韩立军.姚春柱 (100072北京市装甲兵工程学院机械工程系) [摘要]低速履带车辆的作业工况通常为田野地,路面不平度等激励引起的行驶栽荷能够影响各个部件的可靠 性和疲劳寿命。本文通过ADAMS/ATV履带车辆工具箱建立低速履带车辆拖拉机模型和虚拟测试路面模型,通 过虚拟测试获得低速履带车辆行驶载荷垂向栽荷,并通过核函数密度估计法将裁荷进行适当的外推,即运用适 当的外推方法将获得的样本量外推到一定的实际里程上来。 [关键词。】低速;路面不平度;行驶载荷;虚拟试验;栽荷外推 [中图分类号]U469,694;$219.2 [文献标志码]A [文章编号】1673—3142(2013)04-0062-03 stnay on Driving Lo蝴of the Low-speed Tracked Vehicles Based on the Virtual Test ,Han Ijjan,Yao Chunzhu . (Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China) [Abstract】The low-speed tracked vehicles usually work on the field,and then most components’reliability and fatigue life are influenced for the road SUl|jface roughness:‘In this paper,the low-speed crawler model and the virtual test road model are established based on the software ADAMS/ATV,and the driving load spectrum of the low-speed tracked vehicles is available via tlle virtual tests.Then the load spectrum for the real mileage extrapolated Call be achieved from the sample mileage using the risht method such as the kernel density estimation method. [Key words]low-speed;road surface roughness;driving load;virtual test;load extrapolation. O 引言 低速履带车辆由于其作业工况的特殊性和特 定性.一些零部件通常在经过一定的作业时间后 会发生断裂等现象,而通常这些失效现象是由行 驶载荷引起的,特别是垂向载荷[11,因此,对于低 速履带车辆行驶载荷的研究尤为重要。本文通过 建立低速履带车辆模型,并建立与实际相匹配的 田野地路面模型,通过虚拟测试的方法,测得特定 工况下低速履带车辆轮轴垂向载荷,并通过雨流 计数的方法对其进行处理,运用合理的外推方法 将虚拟测试所测得的垂向载荷进行适当的外推, 从而得到一种可以由短距离虚拟测试外推至实际 行驶里程的方法。 1 虚拟测试模型的建立 运用ADAMS/ATV履带车辆工具箱建立低速 履带车辆模型,即拖拉机模型,如图1所示。 低速履带车辆通常行驶的工况为田野路,其 路面不平度近似于D级公路。根据路面不平度空 间功率谱密度表达式,利用路面不平度软件生成 收稿日期:2013—01-06 收稿日期:2013—02—02 随机路面,其D级路面外轮廓线如图2所示。 圈1拖拉机模型 Fig.1 Crawler model 图2 D级路面外轮廓线 Fig.2 Outline for the road of level D 将路面不平度软件生成的路面模型输人到 ADAMS/ATV中,获得了D级路面虚拟测试模型 如图3所示。并在履带工具箱中,将虚拟测试路面 模型分别赋予硬路面和软土路面两种性质。 0 5 0 5 O 5 O 5 0 ∞“巧£! 屹巧“卯 万方数据 第51卷第4期 韩立军等:基于虚拟环境下低速履带车辆行驶载荷的研究 63 图3 D级虚拟测试路面模型 Fig.3 The virtual test road model of level D 2 轮荷的虚拟测试 由于履带车辆行驶载荷的实际测量有很大困 难.无论是仪器还是测量点的选择都不可能准确 直接地选择,因此本文通过运用虚拟测试的方法, 对低速履带式越野车辆模型分别在D级水泥路面 和软土路面上进行测试,得到第一个轮垂向的轮 荷随时间变化的曲线。 根据低速履带车在田野路面上行驶速度的统 计规律分析,选择具有代表性的行驶速度3.5m/s, 通过ADAMS/ATV工具箱。进行虚拟测试,分别得 到硬路面和软土路面第一个轮的垂向载荷一时间 历程。如图4和图5所示。 专 R 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 时间/s 图4软土路面上第一个轮的垂向载荷一时间历程 Fig.4 Load-time series for the first road wheel in the vertical direction on the soft soil Z : \ :R L -27.420 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 时间/s 图5硬路面上第一个轮的垂向载荷一时间历程 F畸.5 Load-time series for the first road wheel in the vertical direction on the hard road 将分别在硬路面上与软土路面上进行虚拟测 试获得的垂向轮荷进行对比,可知,履带车辆在软 土路面上行驶时.垂向轮荷比在相同条件下硬路 面上获得的垂向轮荷要小,软土路面上获得的载 荷更加符合实际行驶工况。 3 外推方法的研究 实际的载荷一时间历程通常是随机的,在进行 疲劳分析和机构优化时,必须对不规则变化的载 荷—时间历程进行处理和分析。将实测的随机载 荷一时间历程简化为一系列的全循环或半循环的 过程叫做“计数法”。已有的计数法有很多,雨流计 数法是目前国内外应用最为广泛的方法。经过雨流 计数后.每个迟滞回环有3种特性:最大值、最小值 和载荷加载方向。雨流计数的结果有很多种表示方 法,如幅值一均值、最大值—最小值、From—to等。因 为From-to类型的雨流矩阵不仅记录了最大值和 最小值,而且还考虑到了载荷加载的顺序,本文选 择From-to类型的雨流矩阵作为雨流计数的统计 结果。在From-to类型的雨流矩阵中,From代表了 循环载荷的起始值,to代表循环载荷的转折点值。 由于通过虚拟试验得到的载荷谱是在有限的 道路里程条件下获得的.如果考虑试验里程与实 际使用里程的差异,必须采用按里程外推的方法, 获得车辆在全寿命里程下的载荷谱。 通常我们运用的外推方法是线性外推.即简 单地将原始数据乘以外推系数的线性外推。这种 外推方法是不合理的。它认为随着行驶里程的增 加,各级载荷频次按比例增加,没有考虑到随着行 驶里程的增加,出现较大载荷的可能性。 针对线性外推方法的不足。本文采用分参数 估计法进行外推.它是按各载荷事件出现的概率 分布外推的,不是简单的系数相乘。 非参数估计法中主要运用的是核密度函数估 计法,这种方法的关键在于核函数的确定和窗宽 的确定。几种比较常用的核函数。 标准正态核函数: K(x)-—兰==Expi-}|; (1) 、/21T o二1 Epanechnikov核函数: K(戈):{}【1。争J I戈1、/3; (2) 【0 其它 ‘+ Biweight核函数: K(戈):{百13(1-x2)2 I戈I1。 (3) 【0 其它 窗宽参数主要影响估计曲线的光滑性.当窗宽 较小时,核密度函数估计曲线波动非常剧烈.使估 计的结果失去价值,而当窗宽过大时,估计图像过 万方数据 农业装备与车辆工程 2013年 于光滑,从而掩盖了样本数据的真实波动,没有意 义。文献[2-3]给出了最优窗宽值的计算表达式: 一} k=o-A(K)n。。 (4) 其中,俨——样本数据均方差。对于正态核函数。A (K)=1.0;对于Epanechnikov核函数,A(K)=2.40。 运用数据处理软件.对上述垂向载荷进行雨 流计数,并且按着里程进行外推,以10倍里程外 推为例.得到雨流计数及累积频次的外推结果[·] 如图6和图7所示。 越藿 图6软土路面垂 Fig.6 Duration extrapolation of 照匡 图7硬路面垂向载荷按里程外推 F蛔.7 Duration extllipoltltioR of the vertical load oN the hard road 4 结论 1)本文建立了低速履带车辆多刚体模型,通 过虚拟测试的方法,得到其在田野地按某一速度 行驶时的轮荷.并进行了雨流计数和按里程方法 外推的研究。 2)通过低速履带车辆在硬路面和软土路面上 行驶过程中轮荷的对比,可以发现,软土路面上的 行驶载荷要比硬路面上的行驶载荷小。 3)运用雨流计数和按里程外推的方法,外推 后载荷雨流矩阵的幅值和累积频次都有所增加. 符合随着行驶里程的增加。出现较大载荷的概率 越大这一特点。 参考文献 [1] 杨涛.基于虚拟道路试验的履带车辆承戴件加速寿命试验 技术研究[D].北京:装甲兵工程学院,2011. 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