建立整车推进系统多刚体动力学模型

1.建立整车推进系统多刚体动力学模型

在建立车辆的多体动力学模型之前，需要分析车辆的结构组成，确定各构件之间的拓扑结构及相互运动关系。在建立车辆行动部分多体动力学模型时，假设模型是以行动系统为主，其他系统以简单模型计入。通过给主动轮施加一个主动力矩或者运动函数，作为车辆行驶的动力输入，以替代从发动机传来的动力输入。

履带车辆的行动系统主要由推进装置和悬挂装置两部分组成，为其在复杂多变的地面上高速行驶提供基本条件。履带车辆行动系统结构拓扑图如图9.1.1所示。

图9.1.1　车辆行动系统结构拓扑图

2.建立车体有限元模型

根据车辆车体实体模型，建立原理样车车体有限元模型。基于ANSYS和Pro／E分析软件系统地进行装甲车辆车体结构刚强度有限元分析，其计算精度及计算成本直接受有限元模型、载荷及约束条件的处理等前后处理过程的影响。

合理的网格精度关系到有限元模型计算的精度，采用四节点四面体单元进行网格划分，网格最大边长取0.2m，车体实体模型及原理样车车体有限元模型分别如图9.1.2、图9.1.3所示，两个模型均各有14 300个节点和43 852个单元。车体材料属性如表9.1.1所示。

图9.1.2　车体实体模型

图9.1.3　原理样车车体有限元模型（侧甲板厚45 mm）

表9.1.1　车体材料属性

在多体动力学软件中是采用模态柔性来表示物体弹性的，其基本思想是赋予柔性体一个模态集，采用模态展开法，用模态向量和模态坐标的线性组合来表示弹性位移，通过计算每一时刻物体的弹性位移来描述其变形运动。

而柔性体在多体动力学软件中采用模态中性文件（MNF）来描述，该文件是一个独立于操作平台的二进制文件。模态中性文件中包含了柔性体的几何信息（节点位置及其连接）、节点质量和惯量、频率、振型以及对载荷的参与因子等信息。

在有限元网格模型的基础上，应用有限元分析软件建立柔性体模态中性文件的步骤如图9.1.4所示。(www.xing528.com)

图9.1.4　柔性体MNF文件生成步骤

（1）定义外部节点。在柔性体与相邻刚体的连接点处定义节点，这些节点将作为超单元的边界节点，用于传递柔性体与刚体之间的相互作用力。

（2）定义多点约束单元。所谓多点约束是将某节点的依赖自由度定义为其他若干节点独立自由度的函数。多点约束可以用于不相容单元间的载荷传递，表征一些特定的物理现象，如刚性连接、铰接、滑动等。刚性单元（MPC）主要用于处理外部节点与其周围节点的连接关系。

（3）建立超单元。在有限元分析软件中建立超单元，将多体动力学模型中柔性体与刚性体的连接点定义为超单元的外部节点，其他节点作为超单元的内部节点。

（4）选择求解器。目前有SOL103（正则模态分析）、SOL111（频率响应分析）、SOL112（瞬态响应分析）3个求解器支持MNF文件的生成，可以根据不同需要进行选择。

（5）定义单位。在生成模态中性文件时，必须为有限元分析指定单位，这些单位将保存在模态中性文件中。有限元分析使用的单位不必与多体动力学仿真时使用的单位一致，只要在模态中性文件中设置好了单位，多体动力学分析软件就会正确地进行转换。

（6）选择模态。在多体动力学软件中，柔性体的模态是修正的Craig－Bampton模态，分为固定界面主模态和界面约束模态两类。可以根据分析问题的需要选择合适的频率范围（模态阶数），任何模态都可以根据它们在动力响应中的贡献进行取舍。

（7）指定输出信息。针对不同问题，在生成模态中性文件时可以选择包含不同的输出信息，因为在本课题中要分析柔性车体在动态运行环境下车体的应力分布，所以在模态中性文件中必须要包含节点和单元应力信息。

在车体有限元建模中，用MPC单元来模拟车体与外界之间的连接，并传递车体和连接物体之间的相互作用力。将整个车体作为超单元模型，车体超单元的外部节点就是合并到多体模型中时车体与底盘及上装部分的连接点。在车体有限元模型上找出连接点所对应的节点并将它们设置为超单元的外点。在多体动力学软件中可以在这些连接点处建立各种边界条件（如各种约束关系或力单元）。通过在有限元分析软件中的正则模态分析得到包含柔性车体信息的模态中性文件，转换到多体动力学软件中后的柔性车体模型如图9.1.5所示，其中所示节点为车体与外部之间的连接点。

依据上述有限元模型，可进行车体模态分析，得到车体的各阶固有频率及相对应的振型。

图9.1.5　车体柔性模型

3.车辆刚柔耦合模型的建立

在多体动力学中建立柔性体的运动方程是将柔性体看作有限元模型节点的集合，相对于局部坐标系有小的线性变形，而此局部坐标系做大的非线性整体平动和转动，每个节点的线性局部运动近似认为是模态振型或模态振型向量的线性叠加。

将利用有限元模型计算得出的车辆车体的模态中性文件导入多体动力学软件当中，与之前建立好的该型车辆的多刚体动力学模型和桥体刚体模型通过添加或修改一定的约束条件，建立起车辆的刚柔耦合体模型。