行驶地面力学模型-车辆发动机载荷谱及其应用

行驶地面是车辆的重要运行环境，是装甲车辆动力学仿真的主要输入条件。车辆行驶的路面除了公路路面等硬质地面外，还包括松软地面（土壤、沙漠、雪地、沼泽等）和各种障碍（陡坡、侧坡、壕沟等）。这里主要讨论装甲车辆在硬质路面和软质路面上行驶的状况。

1.硬质地面模型

对于硬质地面模型，有两种假设情况。一种情况是将地面看作完全刚性的，假设地面具有刚度和阻尼，适合平铺路面，如柏油路、水泥路或砂石路等。履带板与地面之间的垂向作用力定义为接触力。在多体动力学中，接触力是当两个构件相互接触发生变形时产生的，其大小与变形的大小和变形的速度有关，公式为

式中，F——履带板对地面的压力；

k——刚度系数；

q－q0——变形深度；

n——变形指数；

c——阻尼系数。

履带板与地面之间的水平方向作用力定义为摩擦力，表示为

式中，μ——摩擦系数。

另一种情况是将地面看作弹塑性地面，认为地面在垂直方向受到压力之后发生变形，卸载之后变形能够恢复，并引入塑性系数来表征在垂直载荷作用下的地面弹塑性行为，适用于弹塑性质比较明显的路面，如土路、泥泞土路和草地等路面。其力学模型如下：

（1）加载时（即z＞zmax）：

（2）卸载时（即z≤zmax）：

式中，p——地面压力，Pa；

z——变形深度，m；

kp——塑性系数。

履带板与地面之间的水平方向作用力被认为是摩擦力。(www.xing528.com)

2.软地面模型

对于软地面，认为车辆在行驶时存在一个反复加载的过程，土壤对压力具有记忆功能，即考虑加载历史。把路面划分为矩形单元，每块单元可以记住最大变形、最大压力、剪应变、剪应力等，以计算正压力或水平剪切力。

在此路面模型中，车辆与地面之间的正压力p计算基于美国学者Bekker提出的压力沉陷关系式。

（1）持续加载过程：

式中，b——履带板的宽度，m；

kc——内聚的土壤变形模量，kN/m n＋1；

kφ——内摩擦的土壤变形模量，kN/m n＋2。

（2）卸载过程：

式中，k0，Au——土壤的特征参数。

基于贝克理论，土壤的水平方向作用力为剪应力。根据履带板的形状，剪应力由两部分组成：一部分在履带板与土壤的接触面上；另一部分在履刺与土壤的接触面上。两部分剪应力均可用下式描述：

式中，c——土壤内聚模数，kPa；

φ——摩擦角，rad；

j——剪切变形量，cm；

k——水平剪切变形模数，cm。

软地面模型适用于雪地、沙地、水稻田等，对各项参数的选择比较严格。不同类型软地面的土壤参数见表5－2。

表5－2　不同类型软地面的土壤参数