基于EDEM-MBD工具耦合方法的车辆地面力学分析方案

机动性能是战场上装甲车辆作战任务成功与否的重要影响因素。图1所示为由英国Ricardo工程公司和美国军方合作共同开发的燃油经济型装甲车-FED ALPHA。在NG-NRMM项目中为全面评估该型装甲车路面及越野的机动性能，研究人员制定了详细的仿真评估技术路线。该路线基于多体动力学仿真方法，仿真工况包括刚性路面上的转弯、变道、环形路况、越障等以及复杂路面的牵引力、横穿障碍性能、沙漠爬坡性能等评估。值得一提的是，在复杂路面工况的仿真部分，评估人员采用Adams与离散元仿真软件EDEM耦合方法对该型装甲车的牵引性能及横越性能进行仿真，如图2所示。

图1 FED ALPHA实车图及Adams仿真模型

图2 FED ALPHA机动性能评估仿真技术路线

EDEM为专业的颗粒力学仿真软件，专注研究颗粒的细观动态行为及颗粒与结构部件间的接触行为。凭借完善的建模功能及丰富的力学模型，EDEM软件可构建沙漠、碎石路面、泥泞路面、松软路面等各类复杂工况路面。

图3 不同特性路面

通过其耦合接口，EDEM可实现与多体动力学仿真软件MSC.Adams、Recurdyn、LMS Virtual.Lab Motion的耦合仿真。在耦合过程中，多体软件为EDEM软件中运动部件的复杂运动提供输入数据，EDEM为多体软件提供颗粒对结构部件的作用载荷，模拟载荷作用下设备的动力学、运动学特征。两者之间数据交换过程如下图所示。

图4 EDEM-MBD工具耦合原理

通过该方法可建立地面—轮胎（履带）—整车系统实际工况的仿真模型，在保证从细观角度考察路面的动态行为及轮胎与路面接触受力同时，能够充分考察车辆的转向性能、越障性能、牵引性能、行驶平顺性、操纵稳定性等。除上述FED ALPHA牵引性能评估案例，EDEM-MBD工具耦合方法也在履带车辆转向性能、越野车越野性能、汽车安全性能仿真等方面得到了应用，以下为案例介绍：

在该案例中，通过建立土壤-坦克车的仿真模型，可以考察履带在转向过程中的滑移、滑转、离心力以及接地压力分布等因素对坦克各项性能的影响。采用EDEM-MBD工具耦合方法可以考察多项履带车辆的性能，包括爬坡、横越、转向等过程中路面材料对性能影响、振动对履带性能影响、履带车辆对地形的顺应能力、给定牵引力下横越能力等。

图5 坦克转向仿真

图6 坦克横越性能仿真

图7 坦克爬坡性能仿真

在该案例中，采用EDEM-ADAMS耦合方式，对越野车辆越障性能进行仿真，考察在一定牵引力下，该型车辆能否跨越该地形。EDEM中所采建立的路面为真实地面形状，充分考虑了路面的真实特性，如含湿，松软度，坡度，凹陷区域长度等。

图8 越野车不同时刻运动情况

图9 越野车不同时刻运动情况

安全性能是所有汽车生产厂商最关注的基本问题，所有车型在投入生产前，在研发阶段就要进行安全性能测试，其中一个重要性能就是翻车性能。汽车翻车的工况比较多，造成翻车的机理也较为复杂。有统计数据表明，在各类翻车事故中车身两侧翻车占据了最大比例，约为63.4%。当翻车发生时，安全系统需要开始工作，如安全气囊的打开。对于驾驶员和乘客来说，安全气囊的打开时机是非常重要的，如果在需要的时候没有打开，会因为撞击冲击等对车内人员造成严重伤害；如果在没必要打开的时候安全气囊弹开了，反而会影响驾驶员的操纵，也会造成安全问题。因此，安全气囊的打开时机成为一个重要测试点，其中翻车测试就是评估安全气囊打开时机的一种形式。

在该案例中，考察某型汽车在不同横向冲击速度下车子的侧翻情况，从而为安全气囊的打开设计提供指导。在此类型问题中，采用EDEM-ADAMS耦合的方法可以用于：a)可快速通过仿真比对不同材料属性的地面对汽车侧翻过程的影响，包括轮胎所受到的阻力、侧翻中汽车的角速度和速度变化等；b）可快速比对不同时速条件下汽车侧翻过程中的速度及角速度变化，进而判断安全气囊能否以及是否及时被激发打开；c）可快速比对不同安全气囊系统设计对乘客安全的影响等。

图10 汽车侧翻实验室测试及仿真

图11 25Km/h时速下翻车仿真

图12 30Km/h时速下翻车仿真

图13 40Km/h时速下翻车仿真

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