摘要
考虑炮管柔性，建立了某轮式特种车辆的刚柔耦合整车动力学模型，并与刚性车辆模型进行对比，分析了刚柔耦合建模对炮管响应的影响；然后计算了该车通过垂直凸台障碍路面的极限高度，分析了刚柔耦合特种车辆通过凸台障碍路面时的动力学特性.以车辆质心垂向加速度为优化目标，悬架刚度和阻尼为优化参数，对悬架进行优化.结果表明，炮管的弹性变形对炮口垂向和水平方向线位移、线速度和角速度的影响显著，建模中有必要考虑炮管柔性，以更准确地计算车辆响应；低速行驶、小的凸台高度，对减小车辆振动有利，在各种工况参数下炮管的垂向振动都比车体振动剧烈；单侧轮通过障碍可以减小路面对整车的冲击，双侧轮通过障碍可以提高车辆稳定性并减小炮管振动；悬架优化后整车和炮管的垂向加速度都明显降低，车辆平顺性得到有效改善.
基于ADAMS等软件的虚拟样机技术发展，通过整车建模及动力学仿真可以使设计人员在设计之初就对车辆性能全面分析和优化，使之能缩短开发周期、降低成
目前，对于车辆行驶平顺性的研究，正在从随机路面、匀速直线行驶工况扩展到凸台、凹坑、变速等越野极限工况；研究对象也从汽车本身扩展到特种车辆.董明
本文利用ADAMS软件建立了具有双横臂独立悬架、柔性炮管的刚柔耦合特种车辆模型，并与带有刚性炮管的整车进行对比分析.考虑通过障碍的能力不同，计算了该整车模型通过凸台障碍路面的极限高度，并建立了不同参数的凸台障碍路面，研究了特种车辆的越障行驶动力学性能.最后通过悬架参数的优化，提高了整车在障碍路面下的平顺性.研究结果可为特种车辆研发提供理论依据.
利用ADAMS/Car软件建立特种车辆整车模型，考虑到建模过程的便捷性，充分利用样板模型进行修改.为提高整车模型的准确性，对弹性变形大的炮管进行柔性化处理.
悬架是车身与轮胎之间力传递的桥梁，可以缓冲不平路面传给车架和车身的冲击力，减小由此引起的振动，保证车辆平顺行
图1 双横臂独立悬架
Fig. 1 Double wishbone independent suspension
在ADAMS/Flex中用有限元法处理柔性多体动力学，将柔性体用离散化的若干个单元的有限个节点自由度来表示物体的无限多个自由度.这些单元的弹性变形可近似用少量模态线性组合表
对于实际工程有意义的模态多为低频部分，因此选取炮管前20阶低频模态计算响应，并根据各阶模态质量、惯矩在总模态所占份额，将1-6阶刚性模态失效.最终用于计算分析的模态、频率如
利用模板依次建立各个子系统，即可组装刚柔耦合整车模型，如
图2 组装后的刚柔耦合整车模型
Fig.2 Rigid-flexible coupled vehicle after assembling
考虑到特种车辆恶劣行驶环境，利用轮廓生成器（Road-Profile Generation）来生成了B级随机路面，如
图3 B级随机路面的生成
Fig. 3 Generation of Class B Random Pavement
为了进行对比，另外建立了带刚性炮管的整车模型.使刚性车和刚柔耦合整车分别以30km/h速度匀速通过前面生成的B级随机路面，得到两种炮管的炮口垂向和水平方向位移、速度、角速度，如
（a） 炮口的垂向、水平方向位移
(a) Vertical and horizontal displacement of gun muzzle
（b） 炮口的垂向、水平方向速度
(b) Vertical and horizontal velocity of gun muzzle
（c） 炮口的高低、方向角速度
(c) Gun muzzle height and angular velocity
图4 刚、柔炮管响应曲线对比
Fig. 4 Comparison of Response Curves of Rigid and Flexible Gun Barrels
（1）在整个行驶过程中，炮口垂向位移、速度的幅值要小于炮口水平方向上位移、速度幅值.这是由于在随机路面工况下，左右轮受力不均匀，导致车身不稳定，进而传递给炮管.
（2）在整个行驶过程中，柔性炮管炮口垂向及方向上的位移、速度、角速度等参量较刚性炮管炮口的响应较明显，且波动相对于刚性炮管较剧烈.原因是柔性化炮管振动不仅受路面影响，而且柔性化炮管的离散单元在整个仿真过程中受自身弹性变形影响，而刚性炮管更多的是作为车身的部件，仅由路面状况决定.
（3）同工况下行驶时，柔性炮管的振动频率较大，且与刚性炮管振动频率成倍数关系.说明在分析炮管动态性能时，柔性化的模型对测试结果影响明显，炮管弹性变形不可忽视.
综上分析得出，炮管的弹性变形对炮口垂直方向参量（线位移、线速度、角速度）、炮口的水平方向参量（线位移、线速度、角速度）影响显著.因此带有柔性炮管的刚柔耦合整车在行驶中炮口的动态性能更符合实车动态性能，其建模精度更高.
车辆行驶时，对路面不平度的隔振特性，称为车辆的行驶平顺性.行驶在恶劣路面环境时，路面的不平会激起整车的振
车辆超越垂直凸台障碍的能力主要取决其所能克服的垂直障碍的极限高度h.整车模型在前轮刚接触凸台障碍时的状态图和受力图，如
图5 前轮驶入时状态图
Fig. 5 State diagram when the front wheel drives in
图6 前轮驶入时受力图
Fig. 6 Force diagram when the front wheel drives in
整车垂直方向、水平方向的力平衡方程式以及前轴的力矩平衡方程式：
| （1） |
其中，N1、N2分别为地面对前、后车轮的反作用力，uN1、uN2分别为前、后车轮与地面接触点处的推力，u取0.8，m为整车重量，α为前轮上的反作用力与水平面的夹角，h为垂直台阶的高度，h0为车重心到车轴平面的垂直距离，a为前轴至车重心的水平距离，r为车轮半径，l为前后车轴距.具体参数如
由
通过凸台障碍路面时，如果车速过高，容易造成整车跳动和偏移，引起较大的测量误差，因此速度不宜过高.车辆以20km/h速度，双侧六轮通过高100mm垂直凸台时，整车和炮管的垂向加速度、侧向加速度、横摆角速度，如
图7 垂向加速度
Fig 7 Vertical acceleration
图8 侧向加速度
Fig 8 Lateral acceleration
图9 横摆角速度
Fig 9 Yaw rate
由
设置路面的凸台障碍高度为200mm，车辆分别以20km/h、30km/h、40km/h速度匀速通过凸台障碍，计算得到整车和炮管的垂向、侧向加速度，如
（b） 整车质心侧向加速度
(b) Lateral acceleration of vehicle centroid
（c） 炮管垂向加速度
(c) Vertical acceleration of gun barrel
（d） 炮管侧向加速度
(d) Lateral acceleration of barrel
图10 不同速度下整车和炮管动力学响应
Fig 10 Dynamic response of vehicle and barrel at different speeds
（a）整车质心垂向加速度
(a)Vertical acceleration of vehicle centroid
可见，随着速度的增大，整车通过凸台障碍路面时，受到的冲击性会变大，炮管的垂向振动会加剧.但车速低于一定速度通过凸台路面时，车辆的稳定性较好.因此，当通过凸台路面时，应适当降低车速，以减少路面对车辆的冲击，减小炮管的振动，提高车辆的行驶平顺性和安全性.
车辆以30km/h速度，分别通过100mm、200mm、300mm高度的凸台障碍路面，计算得到的整车和炮管垂向、侧向加速度，如
（a） 整车质心垂向加速度
(a) Vertical acceleration of vehicle centroid
（b） 整车质心侧向加速度
(b) Lateral acceleration of vehicle centroid
（c） 炮管垂向加速度
(c) Vertical acceleration of gun barrel
（d） 炮管侧向加速度
(d) Lateral acceleration of barrel
图11 不同凸台高度下整车和炮管动力学响应
Fig.11 Dynamic response of vehicle and barrel at different obstacle heights
综合分析可知，随着凸台障碍高度的增大，整车通过凸台路面时，受到的冲击会变大，炮管的垂向振动会加剧.当凸台高度为300mm，接近极限高度时，车辆的稳定性开始变差.因此，在通过较高凸台障碍时，应低速谨慎驾驶，以防止较大的冲击对整车的安全性、稳定性造成影响.
设置车速20km/h，凸台高度200mm，使车辆分别以左侧单侧车轮和左右双侧车轮通过凸台障碍路面，两种情况下的整车和炮管响应，如
（a） 整车质心垂向加速度
(a) Vertical acceleration of vehicle centroid
（b） 整车质心侧向加速度
(b) Lateral acceleration of vehicle centroid
（c） 炮管垂向加速度
（c） Vertical acceleration of gun barrel
（d） 炮管侧向加速度
(d) Lateral acceleration of barrel
图12 单侧轮、双侧轮通过凸台障碍路面时动力学响应
Fig.12 Dynamic response of single wheel and double wheel passing through convex obstacle Road
因此，在车速和凸台高度相同的情况下，单侧轮通过凸台时整车受到的冲击性远大于双侧轮，但对于炮管的垂向振动影响不大，且单侧轮通过时车辆的稳定性会变差.所以，在通过障碍路面时，以单侧轮驶入可以减小路面对整车冲击，以双侧轮驶入可以提高行驶稳定性，减小炮管的水平方向振动.
在优化过程中使用的是ADAMS Insight模块，该模块可以进行分组实验设计，通过筛选试验将最灵敏的参数选出，从而得到优化结果.
研究障碍路面下整车平顺性的主要目的是使整车在各种工况下的垂向振动处在合理范围.选取整车在20km/h速度通过高度100mm的垂直凸台障碍路面时的垂向加速度为目标函数，并使之最小.选取前中后悬架弹簧的刚度、减振器阻尼这六个悬架物理特性参数作为待优化参数.设定各优化参数在整车允许条件下的变化范围如下；
ADAMS Insight模块可以进行分组实验设计，通过筛选试验将最灵敏的参数选出，从而得到优化结果.本节在Insight软件中生成64种试验组合，运行后返回ADAMS/Car主页面依次仿真.通过优化过程，可显示出各优化参数对目标的影响情况，如
图13 各变量对目标的影响大小
Fig13 Impact of each variable on the target
根据影响目标值的大小对原悬架刚度和阻尼进行优化，优化前后参数如
（a） 优化前整车质心垂向加速度
(a) Vertical acceleration of vehicle mass center before optimization.
（b） 优化后整车质心垂向加速度
(b) Vertical acceleration of vehicle mass center after optimization.
(c) 优化前炮管垂向加速度
(c) Vertical acceleration of front barrel before optimization.
（d） 优化后炮管垂向加速度
(d) Vertical acceleration of gun barrel after optimization
图14 优化前后整车和炮管垂向加速度对比
Fig.14 Comparison of vertical acceleration of vehicle and barrel before and after optimization
由
建立了带有柔性炮管的刚柔耦合特种车辆动力学模型，仿真了整车和炮管在含凸台障碍路面下的动态响应，分析了工况参数对整车和炮管动态性能的影响，并通过ADAMS/Insight和ADAMS/Car的联合仿真，以平顺性为目标对悬架参数进行了优化.研究结果表明：
（1）炮管弹性变形对车辆和炮管响应的影响不容忽视，有必要考虑炮管柔性建立刚柔耦合车辆模型，以提高仿真计算的准确性.
（2）该特种车辆驶过含凸台障碍路面时会受到较大的冲击，但具有较好的稳定性，且在各种工况下炮管的垂向振动都比车体振动更加剧烈.
（3）适当降低车速可以减少障碍对车辆的冲击、从而减小炮管的振动，有利于提高车辆平顺性；凸台高度越大，对车辆的冲击越大，会影响整车的安全性和稳定性；单侧轮通过障碍可以减小路面对整车冲击，双侧轮通过障碍可以提高车辆稳定性，同时减小炮管的振动.
（4）悬架参数优化后，整车垂向加速度峰值减小20%，炮管垂向加速度峰值减小12.5%，可有效改善车辆通过障碍路面时的平顺性.
参 考 文 献
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