基于SIMPACK裝甲車輛鐵路沖擊仿真研究

錢潤華+吳奕

摘 要：裝甲車輛鐵路輸送的重中之重就在于車輛的安全穩(wěn)定，沖擊時車輛的最大加速度以及車輛偏移的大小是其穩(wěn)定性的直接體現(xiàn)。本文以SIMPACK為仿真平臺，仿真履帶裝甲車輛鐵路輸送沖擊過程，分析有無懸掛系統(tǒng)以及不同縱向加固剛度對車輛最大縱向加速度的影響，探究其影響規(guī)律，為研制適用于我軍裝甲車輛的新型加固裝置提供依據(jù)。結(jié)果表明：履帶車輛的懸架系統(tǒng)能夠?qū)v向沖擊起到一定的減緩作用，但效果有限，而縱向加固剛度的大小對其沖擊加速度有很大的影響。

關鍵詞：SIMPACK；縱向加固剛度；沖擊加速度；裝甲車輛

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.009

1 引言

當前，裝甲車輛在我軍的裝備中占有很大的比重，其中履帶式裝甲車輛數(shù)量不在少數(shù)。裝甲車輛是陸軍作戰(zhàn)的有力裝備，其鐵路運輸?shù)陌踩燥@得尤為重要，故對裝甲車輛裝載加固的研究是十分必要的。我國也有不少學者對裝甲車輛這一類貨物的鐵路運輸安全性進行了一系列的研究，大致可分為如下三類：（1）對加固器材的研究，如文獻[1]中曾運清等通過分析美軍車輛鐵路制式加固器材，為我軍鐵路相關加固器材的研制提供參考；文獻[2]中王武健對鐵路平車關鍵裝載加固部件進行安全可靠性分析，提出了相應的安全措施方案設計、實施的技術要點。（2）對加固關鍵力值的研究，文獻[3]、[4]則是通過建立沖擊仿真模型，分析了貨物運輸過程中最大慣性力值與沖擊速度以及貨物質(zhì)量的關系。（3）對裝載加固方案的研究：如文獻[7]中通過建立SIMPACK沖擊仿真模型，驗證加固方案的可靠性；文獻[7]提出了基于層次分析法的鐵路長大貨物裝載加固方案多目標優(yōu)化模型，并首次將客戶需求納入裝載加固方案優(yōu)化模型的目標中；文獻[9]對影響制定闊大貨物裝載加固方案的因素進行了詳細的分析，為科學的制定裝載加固方案提供了依據(jù)。

但上述研究都忽略了裝載貨物自身緩沖作用，尤其是對于車輛這一類自身帶有懸架的貨物，其懸掛緩沖減振系統(tǒng)對沖擊慣性力有直接的影響。并且上述研究都沒能對加固進行規(guī)律性的研究，僅僅是驗證某種加固可靠，而沒能揭示加固強度對裝載貨物縱向沖擊加速度規(guī)律性的影響。本文針對這兩個方面，以某型裝甲車輛為例，通過SIMPACK建立沖擊仿真模型，分析有無懸架對車輛最大沖擊加速度的影響，以及不同縱向加固強度對貨物縱向位移以及縱向沖擊加速度的影響。

2 裝甲裝備鐵路輸送連掛沖擊動力學模型的建立

2.1 連掛沖擊類型

鐵路輸送連掛沖擊系統(tǒng)包括線路、沖擊車、被沖擊車以及裝載貨物四個部分。本文中沖擊車選C70型敞車（滿載），被沖擊車選NX70，沖擊速度從3km/h遞增至8km/h，遞增步長為1km/h。連掛沖擊是在特定的平直軌道上進行，所以仿真線路取平直軌道，不設不平度、曲線半徑等參數(shù)。根據(jù)仿真實驗目的，以被沖擊車裝載貨物不同及加固情況不同分三種沖擊類型，具體參數(shù)如表1所示。模型中只設縱向加固，根據(jù)《力值實驗》中規(guī)定的條件，本文選取規(guī)格為Ф15.5x15000mm的鋼絲繩的剛度作為單位加固剛度值。根據(jù)《機械設計手冊》中鋼絲繩的軸向拉伸剛度計算方法，縱向加固剛度為，其中加固等級i取0、0.5、1、2、3、4、5[9]。

2.2 沖擊模型構(gòu)建

2.2.1 沖擊車、被沖擊車模型構(gòu)建

C70敞車和NX70平車轉(zhuǎn)向架均為K6轉(zhuǎn)向架，故其拓撲圖類似，此處以NX70平車的拓撲圖為例進行分析。主模型由車體Vehicle和左右轉(zhuǎn)向架Bogie_F/R組成。轉(zhuǎn)向架模型具體連接關系如表2所示。據(jù)此建立沖擊車和被沖擊車的立體模型如圖1所示。

注：PC-旁承力；XP-新盤力；Stop-止擋力；SS-二系彈力；PS-一系彈簧力；Fri-摩擦力；JC-交叉拉桿力；Rail-wheel contacts-輪軌接觸力；α，β，γ-繞x，y，z軸的轉(zhuǎn)動自由度；x，y，z-繞x，y，z軸的移動自由度。

2.2.2 裝甲車輛模型

由于裝甲車輛在運輸?shù)倪^程中是處于制動狀態(tài)，故對其懸架系統(tǒng)僅考慮平衡肘上的扭桿力，不考慮與履帶相關的部分，并且將炮塔和車體考慮為一體，其拓撲圖如圖2所示，為了模擬車輛的完全制動狀態(tài)，本文對負重輪施加了β方向轉(zhuǎn)動約束。由于負重輪與平衡軸，以及平衡軸與車體的連接方式均一樣，故拓撲圖中將部分重復略去。據(jù)此建立裝甲車輛立體模型如圖3所示。

2.2.3 總體連掛沖擊模型

通過導入子結(jié)構(gòu)的方法，將沖擊車、被沖擊車、以及裝甲車輛導入總體模型中，將被沖擊車的車體替代裝甲車輛拓撲圖中的大地，并將沖擊車和被沖擊車通過車鉤力連接即可得到總體沖擊模型，車鉤力的設置參照文獻[3]，其立體模型如圖4所示，至此基本沖擊模型已經(jīng)建立完成，模擬沖擊類型一時只需將裝甲車輛換為質(zhì)量塊即可，而縱向加固則是通過設置縱向加固力來實現(xiàn)的。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 懸架系統(tǒng)對沖擊縱向加速度的影響

按照仿真沖擊工況的設定，模擬沖擊實驗，對建立的車輛裝載模型進行沖擊動力學仿真分析，沖擊類型一和沖擊類型三中加固剛度為的仿真結(jié)果如圖5所示。對比兩組數(shù)據(jù)可以明顯看出質(zhì)量塊的沖擊加速度在各個沖擊速度下均要大于裝甲車輛，且隨著沖擊速度的增大差距也在加大。這說明該裝甲車輛的懸架系統(tǒng)對沖擊起到了一定的減緩作用，并且在沖擊速度較小的時候由于懸架剛度較大，對低速沖擊的減緩作用有限，但是在速度較高時懸架的緩沖作用就有了明顯的體現(xiàn)。從圖中可以看出，兩種工況的最大差值約為0.2g，使加速度減少了12%。

3.2 縱向加固剛度對沖擊加速度的影響

為了研究縱向加固剛度對沖擊加速度的影響，本文采用沖擊類型三的沖擊工況進行仿真研究。以加固等級為橫坐標，貨物沖擊加速度為縱坐標，仿真不同沖擊速度下加固剛度對沖擊加速度的影響，結(jié)果如圖6所示。endprint

觀察圖中曲線可知，在同一沖擊速度下，隨加固剛度不同，加速度波動幅度最小為0.42g，最大為0.7g，最大增幅71%。故加固時應在能滿足加固需求的前提下應盡量使用小剛度加固，以使貨物在運輸過程中有較好的穩(wěn)定性的同時又不至于出現(xiàn)過度加固的情況。

4 結(jié)論

本文通過SIMPACK多體動力學軟件建立沖擊動力學模型，通過實驗對比驗證了模型的可靠性，探究了裝甲車輛懸架以及縱向加固剛度對裝載貨物沖擊加速度的影響。得出如下結(jié)論：

（1）裝甲車輛在鐵路輸送過程中，車輛自身的懸架系統(tǒng)對縱向沖擊能夠起到一定的緩解作用，本文中某型裝甲車輛懸掛系統(tǒng)對沖擊速度減緩約為12%，并且當剎車不牢時，剎車系統(tǒng)對沖擊也起到了一定的緩沖作用。

（2）貨物縱向沖擊加速度與縱向加固剛度并非線性關系，而是先隨加固剛度的增大迅速增大，而后趨于平緩，并且最大差值高達0.7g，最大增幅71%，所以設計加固方案時應在滿足加固需求的情況下盡量是用小的加固剛度。

本文提出了一種分析鐵路運輸裝甲車輛縱向沖擊慣性力的仿真模型，并做出相應分析，這對制定合理的加固方案以及研制新型的加固裝置提供一定的科學依據(jù)，特別是研制適用于軍隊裝甲車輛的新型加固裝置。

參考文獻：

[1]曾運清.美軍輪式和履帶式裝備鐵路制式加固器材[J].國防交通工程與技術，2011（01）：49-52.

[2]王武建.鐵路平車裝載加固用關鍵部件的安全可靠性研究[J].鐵道機車車輛，2012，32（06）：21-25.

[3]張娟.70t級貨車沖擊條件下鐵路貨物縱向慣性力的仿真研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[4]陳奇.ADAMS在鐵路貨物裝載加固縱向慣性力值計算中的應用[J].鐵道貨運，2007（12）：34-36.

[5]吳曉東.基于SIMPACK的輪式裝備鐵路沖擊實驗仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2009，21（16）：5025-5029.

[6]北京交通大學交通運輸學院.列車提速后作用于貨物上的慣性力值的研究平[R].2005.

[7]戴實.鐵路貨運組織[M].北京：中國鐵道出版社，2013：122-123.

[8]ZM Tan.A multi-objective optimization model of the loading reinforcement plan of railway long heavy goods on analytic hierarchy process[J].Advances in Transportation Studies，2015.

[9]Xiaohong Li.Factors Analysis of Affecting Loading and Reinforcing Scheme of Large Goods in Railway[J].World Journal of Engineering and Technology，2016（04）：60-68.endprint