履带车辆动力学建模及模型试验验证

为研究履带车辆的动力学性能,须建立准确的车辆模型。对履带车辆进行了拓扑结构分析,基于RecurDyn环境建立了履带车辆多体动力学模型,采用谐波叠加法对随机路面进行数字化模拟,并通过三维等效容积法建立了三维仿真路面模型。为验证多体动力学模型的可信性,进行了典型障碍和随机道路实车试验,比较了测点处加速度时间历程变化和功率谱估计曲线。结果表明:建立的动力学模型能够较好地反映实车的高频和低频振动特性,为履带车辆的动力学研究提供了模型基础。     

固定线路下高速列车的最大运行速度分析

本文以给定的动车数据为参考依据,利用多体动力学软件Simpack进行车辆整体建模,对车辆以不同速度驶过同一条线路得到的横向和垂向加速度和其频响曲线,运用Sperling指标评定出该车在162 km/h以下行驶时运行品质较好,舒适度还有待提高。     

考虑非线性摩擦的绳驱动连续体机器人动力学研究

针对连续体机器人因自身的柔顺性及自由度的冗余性所带来的运动建模复杂和控制精度较低等问题,提出了一种考虑非线性摩擦的绳驱动连续体机器人动力学建模方法。基于凯恩方法构建了包含惯性力、弹性力、重力及驱动力作用的动力学模型,并根据改进的Capstan方程对绳-轮传动系统的力传递特性进行分析,提出了一种基于非线性摩擦补偿的前馈控制策略,最后通过对单节连续体机器人进行仿真和运动实验来验证所建模型的正确性。结果表明,所建立的运动模型和控制策略能够较为准确地描述连续体机器人的变形特性。     

车下设备布局对车辆随机振动的影响

利用虚拟激励法和模态叠加法相结合开发的车辆随机振动分析系统,建立了某高速车整车精细动力学模型,动力学方程约为75万个。采用德国轨道谱作为载荷模型,分析了不同设备布置形式对车顶随机振动的影响。因为合理的设备布局可以减少对车体随机振动的影响,逐渐成为车体设计中一项重要的内容。通过仿真得到在不同设备布置情况下车顶关键部位的加速度功率谱密度曲线,提出了比较合理的设备布置方式,为工程实际提出了参考价值。     

基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模

针对4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构的刚体动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构动力学模型。首先,推导出4-UPS-RPU冗余驱动并联机构系统的动能表达式、势能表达式和作用于并联机构非保守力的等效广义力;然后,应用拉格朗日法建立4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的动力学模型,为并联机构驱动力的求解以及整个机构的动力学分析奠定基础;最后结合算例,采用Matlab编程对动力学模型进行数值计算并绘制了机构驱动杆驱动力变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性。研究不仅为4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构动力学优化设计和控制等后续研究提供了理论依据,也为其他冗余驱动并联机构的动力学建模提供了可行的方法。     

履带式果园作业车平地直行和转向仿真研究及试验

采用多体动力学仿真软件Recur Dyn的履带车辆子系统Track(LM)建立履带式果园作业车多体动力学模型,并进行仿真分析,着重对履带式果园作业车在平地直行和平地转向两种工况进行动态性能仿真,并判断整机稳定性能。通过对履带车的接地压力、沉陷深度、行走阻力、转向角速度和转向角加速度的仿真分析及作业车辆平地直行和180°进行转向试验,结果表明:整机模型有效,验证了仿真模型的正确性,为履带式果园作业车进一步的改进设计提供了理论参考依据。     

某型履带车辆悬挂系统非线性振动特性研究

利用多体动力学软件建立履带车辆非线性动力学仿真模型,通过仿真值与设计值和仿真数据与试验数据做对比,来对模型的精度和有效性进行检验和评价,证明了建立的动力学模型是有效的。对车辆在四种典型路面上以不同速度行驶时车体的振动特性进行了仿真分析,结果表明,采用多体动力学模型分析车辆振动特性可以达到较高的精度,该模型和建模采用的方法为履带车辆的行动系统设计和动力学分析提供了有效途径。     

丘陵山地无人车振动特性试验研究

为探索丘陵山地无人车振动特性,以丘陵山地无人车为研究对象,进行了振动特性试验。在无人车车体选择11个测试点,设计6组试验方案,综合分析测点位置、发动机油门大小和路面不平度对无人车振动特性的影响。试验结果表明,测点3（车架左前部）是无人车整车最合适安装传感器位置,在无人车正常行走、油门1/2位置、挂1档工况下,加速度最大值为47.4 m/s2,加速度最小值为-50.36 m/s2,加速度平均幅值为5.092 m/s2,加速度有效值仅为6.864 m/s2,说明该测点振动表现稳定;其他合适的测点为测点4和测点9。发动机油门大小对于加速度最大值、加速度最小值、加速度平均幅值、加速度方根幅值、加速度有效值均有显著影响,同一测点下,油门1/2和油门3/4相比较初始油门,加速度平均幅值增大297.1%和322.8%。路面不平度对于无人车振动有显著影响：在水泥路面上,无人车底盘加速度值最小,而在沙壤土、黏土和干沙土三种路况下,底盘加速度值分别增加81.23%,77.91%和1.31%。同时提出降低发动机高频振动、增加阻尼、传感器工作时降低行驶速度等减振措施。     

拖拉机驾驶室振动仿真与优化

以某四柱驾驶室为研究对象，首先建立了该驾驶室白车身有限元模型，对其进行了模态分析，并和试验结果进行对比，验证了白车身模型精度。在白车身基础上建立驾驶室带内饰仿真模型，通过基于模态的强迫响应分析，得到拖拉机左脚地板和座椅支架两个点的振动加速度响应，和试验结果进了对比分析。最后对驾驶室地板进行了优化，座椅支架垂向振动加速度最大峰值下降了47.4%,垂向振动总值降幅为12.3%。     

树型刚柔机械多体系统递推动力学与广义―α求解算法

研究树型柔性航天器动力学高效率建模和高精度广义―α的数值求解算法。利用拓扑结构和连接矩阵的方法描述树型机械多体系统,采用图论的方法将树型系统分解为多条链式系统;对系统中铰的驱动情况分别定义为主动铰和被动铰,通过铰链的类型以及判断是刚性体或者柔性体,基于空间算子代数理论建立树型系统的动力学模型;采用广义―α算法求解加速度约束的动力学微分—代数方程组。最后通过软件编制仿真验证本研究内容的正确性和高效性。     

六轮铰接车转向动力学仿真研究

为了分析一种具有摆臂结构的新型六轮铰接车转向动力学性能,基于动力学仿真软件RecurDyn,在分别建立了铰接车差速器模型、轮胎模型以及路面模型的基础上,建立了六轮铰接车多体动力学仿真模型,对其在硬地路面上的转向过程进行了仿真分析。分析结果表明,在转向初始过程,整车横摆角速度波动幅度较大,易发生失稳,同时前后车体稳态转向半径和转向速度也有所不同。仿真结果为铰接车转向性能的研究以及结构的改进提供了参考指导。同时展现了RecurDyn作为多体动力学仿真软件全面高效的仿真分析能力,可成为车辆研发阶段性能预测的有力工具。     

双向自增力式制动器虚拟试验模型的研究

利用虚拟样机技术(ADAMS)对双向自增力式制动器建立虚拟样机模型。模型的建立和计算主要是基于刚体的运动学和动力学的接触分析,针对建模过程中关键构件(制动蹄)的建模进行阐述,通过制动器试验台的对比试验验证了所建模型的正确性。结果表明,模型在低速下有较好的实用性。     

农用运输车平顺性分析与优化

开展了农用运输车的平顺性分析与优化研究。首先,在依据拉格朗日方程建立整车垂直方向四自由度振动模型的基础上,根据ISO 2631-1:1997(E)进行了其平顺性的分析评价;然后,基于实车道路试验对理论结果进行了验证;最后,以驾驶室悬置刚度和阻尼、座椅刚度和阻尼为设计变量,以座椅垂向加权加速度均方根值为目标函数,采用蚁群算法进行了平顺性的优化设计。结果表明,原车在车速为10 km/h时乘坐有些不舒服,车速为20 km/h时乘坐比较不舒服,车速30 km/h时乘坐不舒服;优化后座椅垂向加速度功率谱密度峰值大幅降低,整车平顺性得到了显著提高。     

半主动悬架山地拖拉机姿态控制系统设计与仿真

为提高山地拖拉机在复杂农田环境中的作业平稳性,基于Matlab/Simulink仿真平台,搭建了半主动悬架拖拉机七自由度时域仿真模型,包括四轮路面激励模型、半主动悬架振动模型、半主动悬架拖拉机车体受力分析模型、车身姿态分析模型以及半主动悬架拖拉机时域仿真模型,以车身垂向位移、车身倾斜角和车身俯仰角作为拖拉机的姿态变化参数进行仿真试验。通过构建增量式比例积分微分（Proportion integration differentiation, PID）控制器和反向传播（Back propagation, BP）神经网络PID控制器仿真模型实现对半主动悬架拖拉机车身姿态的自动控制,并分别对两种控制器的控制性能进行测试与评价。利用车身垂直向加速度和车轮相对动载作为半主动悬架系统性能的评价指标,对两种控制方式下的半主动悬架性能进行了评价。仿真结果表明：基于传统增量式PID控制算法的半主动悬架拖拉机,其车身垂直位移均方根减少42.17%、侧倾角均方根减少36.76%、俯仰角均方根减少57.85%,其车身垂向加速度为0.0177m/s2,4个车轮的动载荷均方根分别为0.0284、0.0346、0.0239、0.0304N。基于BP神经网络PID控制算法的半主动悬架拖拉机,其车身垂直位移均方根减少74.54%、侧倾角均方根减少74.66%、俯仰角均方根减少75.03%,其车身垂向加速度为7.5758×10-5m/s2,4个车轮的动载荷均方根值分别为0.0197、0.0235、0.0166、0.0198N。相比增量式PID控制的半主动悬架拖拉机,基于BP神经网络PID控制的半主动悬架拖拉机,其车体平稳性得到了较好的提高。     

拖拉机定速巡航系统的纵向加速度跟踪控制

拖拉机定速巡航系统通过对拖拉机加速度的精确控制实现系统功能,由于纵向动力学系统的非线性、道路坡度、拖拉机悬挂农机具导致的整车质量变动及风阻等外部干扰因素存在,使得控制系统鲁棒性成为控制器设计时的重点。本文基于模块化机理建模及实验数据的方法,建立了拖拉机的纵向动力学模型,并在Simulink上建立了该模型,与实车平台进行对比,验证了该模型符合需求。针对拖拉机纵向动力传动系统非线性特点,采用逆模型方法线性化拖拉机纵向动力学模型,基于线性化模型,获取下层控制对象各工作点及各工况下频率响应特性数据,通过频率响应实验和最小二乘法辨识下层对象系统的传递函数。根据传递函数和纵向加速度响应的非线性特性,设计了滑模变结构控制器,与传统的PID控制相比,通过仿真,结果表明该控制器有效改善了系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能。     

拖拉机定速巡航系统纵向加速度跟踪控制

拖拉机定速巡航系统通过对拖拉机加速度的精确控制实现定速巡航功能,由于纵向动力学系统的非线性、道路坡度、拖拉机悬挂农机具导致的整车质量变动及风阻等外部干扰因素的存在,使得控制系统鲁棒性成为控制器设计的重点。本文基于模块化机理建模及实验数据的方法,建立了拖拉机纵向动力学模型,并在Simulink上建立了该模型,与实车平台进行对比,验证了该模型符合需求。针对拖拉机纵向动力传动系统非线性特点,采用逆模型方法线性化拖拉机纵向动力学模型,基于线性化模型,获取下层控制对象各工作点及各工况下频率响应特性数据,通过频率响应实验和最小二乘法辨识下层对象系统的传递函数。根据传递函数和纵向加速度响应的非线性特性,设计了滑模变结构控制器,仿真结果表明,与传统的PID控制相比,该控制器有效改善了系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能。     

路面模型和脉冲对汽车平顺性影响分析

以某整车为研究对象,根据多体动力学理论、整车各系统的硬点数据和各项性能参数,在分析软件ADAMS中建立完整子系统,基于虚拟四柱试验台,对汽车各子系统进行装配。在建立的整车多体动力学模型中,根据GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》规定,建立随机路面和凸块脉冲模型,依据汽车底盘传递到人体的纵向、横向、垂向的加速度数值,来评价汽车的平顺性。参照国家标准,对仿真结果进行了研究分析,试验车辆符合平顺性相关标准。     

基于权矩阵自修正的履带车辆主动悬挂LQG控制研究

针对履带车辆悬挂系统振动控制需求,建立了加速度激励下的主动悬挂力学模型,分析了该主动悬挂系统的响应特性,得出了悬挂系统设计原则。基于LQG最优控制算法理论,以权系数对车体振动加速度和悬挂动行程影响为依据,分析设计了权矩阵自修正LQG算法,并通过仿真分析验证了该算法的有效性。结果表明,权矩阵自修正LQG算法更能适应路况和车辆状态的变化,改善履带车辆的乘坐舒适性。     

基于虚拟激励法车辆平稳性分析

轨道交通的迅速发展对轨道车辆的平稳性提出了更高的要求。根据研究问题的需要,本文建立了6自由度轨道车辆垂向模型,将不同国家功率谱作为激励输入,考虑虚拟激励法,求解车体的位移以及加速度振动响应。     

六轴机车在弹性结构轨道上耦合动力学模型

针对六轴机车的动力学性能，建立了较为详细的机车在弹性结构轨道上运行时的空间耦合动力学模型。对于机车子模型，假设车体、转向架和轮对均为刚体，各部分通过两系悬挂连接起来，形成一个多自由度质量-弹簧-阻尼系统，每个刚体均具有5个自由度，整个机车模型共有45个自由度。对于轨道模型，左右两股钢轨均视为连续弹性离散点支承基础上的无限长Euler梁，并考虑钢轨的垂向、横向及扭转振动；轨枕视为刚性体，并考虑轨枕的垂向、横向反转动；道床离散为刚性质量块，只考虑道床垂向振动。而对于轮轨关系模型，采用了先进的空间耦合关系模型。最后结合工程实际，给出了SS7E电力机车在弹性结构轨道上的运动稳定性仿真应用实例。