军用车辆多工况牵引特性SWI理论与数值仿真研究

发布时间：2020-03-30 13:23

【摘要】：军用车辆在现代战争中发挥着举足轻重的作用。军用车辆的机动性能是其充分发挥武器效能、完成机动作战任务和提高战场生存能力的重要前提。在战场机动过程中,军用车辆的机动性能主要由其在不同战地工况中的牵引特性决定。随着我军作战样式的不断变化,军用车辆在渡海夺岛,沙漠、山林作战等砂壤战地环境中的牵引特性也尤为重要。目前牵引特性的研究理论主要是轮-壤相互作用理论,可以实现对军用车辆驱动扭矩、沉陷量、牵引力和牵引效率的简单预测。为提升牵引特性预测的工况适用性和系统性,进一步提高预测精度,文章针对军用车辆砂壤战地机动的研究背景,提出了一种军用车辆多工况牵引特性轮-砂相互作用(Sand-Wheel Interaction,SWI)理论,开展了以下研究:1)提出了军用车辆多工况牵引特性SWI理论。针对现有车辆牵引特性SWI理论对大尺寸轮刺效应预测精度低、考虑工况单一的问题,基于能量守恒原理,混合使用了轮刺效应等效半径理论和Rankine土压力理论,改进了轮刺效应计算方法,提出了车辆直线行驶、三自由度倾斜行驶和转向行驶的多工况牵引特性SWI理论,为文章军用车辆多工况牵引特性的分析提供了理论前提。2)开展了军用车辆多工况牵引特性数值建模与仿真研究。针对目前车辆牵引特性数值模型以轻载、小型车辆直线行驶工况为主的现状,基于砂壤基本物理试验和三轴剪切试验结果,利用PFC3D离散元分析软件,建立并验证了大载荷军用车辆直线行驶、三自由度倾斜行驶和转向行驶的多工况牵引特性数值模型,为文章多工况牵引特性SWI理论验证研究提供了重要依据。3)开展了军用车辆多工况牵引特性SWI理论验证研究。针对军用车辆多工况牵引特性SWI理论验证问题,开展了广泛的数值仿真试验,通过参数化分析和对比验证了SWI理论在直线工况、倾斜工况和转向工况的适用性。验证结果表明:文章提出的车辆多工况牵引特性SWI理论可以准确地预测牵引特性变化趋势,具备良好的系统性和适用性,可以满足军用车辆多工况牵引特性预测的实际需求,具有较强的应用价值和推广前景。
【图文】：

工程装备,星球,路面,工程运输

早用于解决二战时期军用车辆、坦克的越野性能问题。经过半个多世纪的发展与实践，目前车辆地面力学在各种领域都得到广泛的应用。民用方面，，随着农业机械化水平的快速发展，各式大型农业机械化装备越来越多地运用在土地耕作、农作物收割等农业工程领域，这就要求在水网稻田中作业的重型机械化设备具有良好的牵引性和灵活性。我国幅员辽阔，在西北广袤的沙漠地域，蕴藏着丰富的矿产、石油和天然气资源，亟待研发在沙漠路面上具备极强承载能力、通过能力和效率的工程运输车辆。随着东南沿海地区海洋资源的不断开发和沿海工程的建设，各类工程装备也需在大面积的濒海砂壤路面上作业，这对工程装备适应不同含水状态砂壤路面的牵引特性提出了更高的要求。同时，我国正积极地开展南北极的科研考察工作，其中车辆装备在冰面、雪面的牵引性能研究更是一大难题。此外，随着我国探月工程的不断推进，火星探测计划将也于 2020 年启动，星球探测车辆承担着重要的科研任务。在星球表面难以预测的工作环境中，“玉兔号”等深空行走装置需具备充足的牵引能力以克服承载力极差的松软月壤和复杂的路面状况。可见，车辆地面力学在民用领域具有十分现实和重要的研究意义。

军事应用

我军军用车辆要求有很强的温度适应能力，许多试验都是在-40°的极低温下进行，目的是为了保障车辆在我国东北部冬季高寒地带良好的作战性能，这不仅包括机械传动和武器的低温性能，还包括车辆冰雪路面的牵引性能。我国的西北部分布着广袤的沙漠和沙漠化土壤，为了提升我国陆军全域机动的机械化作战能力，军用车辆必须具备足够的砂壤越野能力[3]。在 2016 俄罗斯国际军事竞赛修理营大赛接力赛中，我军代表队就因车辆砂壤路段机动时间过长而屈居第二。同时，我国覆盖着广阔的林地，林地穿越和作战同样极大地考验着战车的机动性，2016 珠海航展上，具有高机动特点的轻型山猫全地形系列越野车也集中亮相。另一方面，具有侦查、破拆、通讯、携带武器等功能的灵巧战术机器人也在现代化战争中发挥过出色的作用，此类小型机械装备隐蔽性、快速机动性和越障性的特点成为完成任务的关键。此外，随着我国迈向海洋强国并大力发展海军力量的建设，渡海与夺岛成为新一轮战略目标，故研发出能快速通过浅滩并遂行抢滩登陆的机械装备也势在必行，这也是本文研究的重点。战机微妙，稍纵即逝，机动性就是军用车辆的生命力。所以，车辆地面力学在军用方面也具有非常实际的应用价值和迫切的研究需求。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ810

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