黃志強(qiáng), 孫浩翔, 雷雨薇, 王 凱

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500)

物探節(jié)點(diǎn)布收車是石油勘探領(lǐng)域的新型裝備,搭載了用于布設(shè)與回收的智能機(jī)械手、放置地震節(jié)點(diǎn)的料庫等,有效提升勘探效率,未來將會成為物探施工中代替人工作業(yè)的關(guān)鍵裝備。車輛采用履帶底盤,決定著在復(fù)雜環(huán)境行駛作業(yè)過程中的穩(wěn)定性與安全性,然而,野外物探區(qū)域通常處于山地丘陵、沼澤、沙漠等復(fù)雜惡劣地區(qū),其中山地障礙對車輛安全影響最大,越障時,履帶前端在攀爬上障礙后,在重心的作用下車頭將會繼續(xù)仰起,直至重心越過障礙物,車輛落回地面,整個過程車輛劇烈振動,底盤機(jī)架承受巨大沖擊力,有變形、產(chǎn)生裂紋甚至斷裂的風(fēng)險,并且由于車輛整車質(zhì)量大、箱體高,導(dǎo)致重心位置更后、更高,越障時將承受更大的沖擊載荷。因此,將平順性和沖擊作為穩(wěn)定性評價指標(biāo),對車輛越障過程中的振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差和峰值進(jìn)行計算,分析底盤機(jī)架受力情況,找到應(yīng)力集中位置,并對履帶底盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使車輛越障時所受振動、沖擊更小,提高安全穩(wěn)定性。

目前,履帶車輛穩(wěn)定性研究主要集中在車輛的控制方面,對車輛整體穩(wěn)定性能研究較少,其中,準(zhǔn)確建立履帶車的動力學(xué)模型和正確的振動響應(yīng)方法是研究整車穩(wěn)定性的重要手段[1-4]。在履帶車輛的穩(wěn)定性方面,國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同類型的履帶車做出了振動與沖擊特性分析,如喬新勇等[5]在研究履帶車輛的振動響應(yīng)時考慮了履帶環(huán)對其造成的影響,分析了在典型起伏路面下影響車輛振動的相關(guān)因素,但缺少極端越障路況;王軍等[6]研究了履帶式推土機(jī)在越障時所產(chǎn)生的沖擊載荷對橡膠減振器的沖擊響應(yīng)特性,表明履帶機(jī)架經(jīng)減振后所受沖擊減小。在履帶行走裝置的結(jié)構(gòu)方面,Mezyk等[7]對履帶行走裝置在崎嶇地形行駛時的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了分析,表明不同的張緊力會對車輛的穩(wěn)定性造成影響,通過試驗(yàn)確定了合適的張緊力參數(shù); Banerjee等[8]對履帶戰(zhàn)車建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型,通過仿真分析的方法模擬了車輛在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性能,驗(yàn)證了模型的高效、準(zhǔn)確性。在履帶車的優(yōu)化方面,扈凱等[9]以優(yōu)化車輛振動參數(shù)、改善穩(wěn)定性為目標(biāo),基于模態(tài)規(guī)劃法對履帶拖拉機(jī)的底盤機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化分析;龐蔭銘等[10]對履帶行走裝置在常規(guī)路況下的機(jī)架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化;毛智琳等[11]在滿足整機(jī)穩(wěn)定性和通過性的基礎(chǔ)上對履帶車輛的機(jī)架進(jìn)行了優(yōu)化,增強(qiáng)了機(jī)架強(qiáng)度。從上述研究可知關(guān)于履帶穩(wěn)定性方面的研究多數(shù)以復(fù)雜路面下的振動、沖擊響應(yīng)為研究內(nèi)容,在履帶底盤的優(yōu)化過程中,大多數(shù)學(xué)者只對底盤機(jī)架進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化,卻沒有考慮到行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對越障穩(wěn)定性能的影響,導(dǎo)致優(yōu)化后的履帶車輛雖然滿足了強(qiáng)度需求,但是沒從根本上提升越障穩(wěn)定性。

針對上述問題,本文開展了物探節(jié)點(diǎn)布收車在越障工況下的動力學(xué)響應(yīng)分析、機(jī)架瞬態(tài)響應(yīng)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。通過力學(xué)分析找出影響車輛越障時穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,基于底盤機(jī)架應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)車輛存在的問題,最后建立履帶底盤行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與車輛的振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差、垂向振動加速度峰值二階響應(yīng)模型,通過不同權(quán)重因子配比方式使兩個優(yōu)化目標(biāo)滿足設(shè)計需要,避免底盤損壞,為物探節(jié)點(diǎn)布收車底盤設(shè)計提供了參考,對石油勘探領(lǐng)域高效、安全、精準(zhǔn)勘探具有重要意義。

1 履帶底盤動力學(xué)建模分析

1.1 履帶底盤模型的簡化與建立

物探節(jié)點(diǎn)布收車的履帶底盤包含機(jī)架和行走裝置兩部分,底盤搭載液壓系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)等設(shè)備,在多體動力學(xué)軟件中會影響計算速度,增大計算量,故需要對其進(jìn)行簡化。建立了履帶底盤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,各輪系之間的約束關(guān)系如表1所示,簡化后的動力學(xué)模型如圖2所示。

表1 履帶底盤輪系約束關(guān)系Tab.1 Constraints between components of tracked chassis

圖1 履帶底盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Topology structure of tracked chassis

圖2 整車動力學(xué)模型Fig.2 Model of vehicle dynamics

1.2 整車技術(shù)參數(shù)與邊界條件設(shè)置

物探節(jié)點(diǎn)布收車整車包含履帶底盤、駕駛室、機(jī)械手、節(jié)點(diǎn)料庫、箱體、供電設(shè)備、控制箱等,主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 整車技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of vehicle

為了更真實(shí)地模擬實(shí)際作業(yè)工況,將車速設(shè)置為低速3 km/h,地面設(shè)置為砂土,障礙物高度設(shè)置為150 mm,履帶張緊力設(shè)置為車重的70%,仿真時間設(shè)置為15 s,步數(shù)為500步。

1.3 履帶車輛越障力學(xué)分析

物探節(jié)點(diǎn)布收車越障時主要分為三個階段:前端傾角處履帶越障;車輛前端翹起,接地端履帶越障[12];接地端履帶落回水平面,直至完成越障。車輛以速度v越障時,越障前兩個階段底盤受力如圖3所示。

圖3 履帶底盤越障力學(xué)分析Fig.3 Mechanics analysis of crawler chassis obstacle crossing

履帶板接觸垂直障礙物時受力如圖3(a)所示,不滑移時需滿足

(1)

履帶在第一階段越障時受力如圖3(b)所示,平衡時需滿足

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)可得出

(3)

履帶在第二階段越障時受力如圖3(c)所示,平衡時需滿足

(4)

根據(jù)式(1)、式(4)可得出

(5)

式中:G為底盤重力;N1,N2分別為后支重輪-地面與履帶-障礙物支撐力;f1,f2分別為履帶-地面和履帶-障礙物摩擦力;L為接地長度;L0為質(zhì)心-驅(qū)動輪間距;L1,L2分別為N1和N2與驅(qū)動輪中心的垂直間距;S1,S2分別為N1和N2與驅(qū)動輪中心的水平間距;α為前傾角大小;β為接地履帶-地面夾角;H為障礙高度;θ為履帶后角大小。

綜上,車輛滿足不滑移和平衡狀態(tài)時可以順利越障,在極限平衡狀態(tài)時,履帶接地端與地面之間存在最大夾角β,隨著車輛的移動,瞬間落回地面時將產(chǎn)生巨大沖擊,且與α,L,G等參數(shù)均有關(guān)。

2 車輛越障穩(wěn)定性響應(yīng)分析

物探節(jié)點(diǎn)布收車在越障工況承受巨大振動、沖擊,對車體結(jié)構(gòu)、車內(nèi)設(shè)備和駕駛員的健康帶來嚴(yán)重威脅。履帶底盤行走裝置各部件均以焊接、鉸接的方式固定在機(jī)架的兩側(cè)主梁上,兩者為一個整體,履帶機(jī)架作為主要承載、受力部件,可以直接反映出車輛穩(wěn)定性狀態(tài)。

2.1 車輛越障動力學(xué)特性分析

2.1.1 不同路面激勵下的車輛振動模型

復(fù)雜路況越障時車輛振動方向主要表現(xiàn)在垂向。假設(shè)z軸將車輛分為兩部分,忽略側(cè)擺振動;各輪系懸架的彈性特性、剛度和阻尼均相同;路面激勵為隨機(jī)激勵,路面為剛體;對行駛速度為v的物探節(jié)點(diǎn)布收車,取靜平衡質(zhì)心G點(diǎn)作為動坐標(biāo)系的遠(yuǎn)原點(diǎn),建立車輛線性振動模型,如圖4所示,zn為各支重輪的垂向位移;ln為支重輪與質(zhì)心位置水平距離。

圖4 車輛振動力學(xué)模型Fig.4 Mechanics model of vehicle vibration

車輛在路面激勵q={q1,…,qi}作用下,其位移向量為z,建立車輛行駛過程中的動力學(xué)方程為

(6)

物探節(jié)點(diǎn)布收車在野外行駛時,激勵q的相關(guān)元素與車速v存在函數(shù)關(guān)系,故車輛的振動z與ξz,ωz,v有關(guān),當(dāng)車體的固有頻率與激勵頻率接近時,車輛的振動會更加劇烈。

2.1.2 不同越障階段下整車動力學(xué)分析

如圖5所示,將車輛越障全過程分為四個階段進(jìn)行分析。

圖5 車輛越障動力學(xué)分析Fig.5 Dynamics analysis of vehicle obstacle crossing

(1)在0～5.1 s時為車輛平地行駛階段,其中0～3 s處于加速狀態(tài),后置驅(qū)動導(dǎo)致質(zhì)心垂向位移略有上升,整體振動加速度較為平穩(wěn),車輛平穩(wěn)行駛。

(2)在5.1～7 s時為前端傾角處履帶越障,其中5.1～6 s質(zhì)心位移上升后,又在6～6.5 s期間下降,是由于履帶接觸障礙物的瞬間,障礙物給車輛施加一個反作用力,導(dǎo)致前端翹起,隨后又落回地面,在仿真中難以避免這種現(xiàn)象,此階段最大振動加速度為7 861.4 mm/s2,車輛相對穩(wěn)定。

(3)在7～10 s時為接地端履帶越障,其中7～8.9 s時處接地端履帶攀升階段,在8.9 s時處于越障極限平衡,質(zhì)心達(dá)到最高點(diǎn),隨后在速度作用下,車輛落回地面產(chǎn)生較大沖擊,此時振動加速度a達(dá)到峰值28 320.1 mm/s2,車輛安全存在隱患。

(4)在10～15 s時為接地端履帶落回水平面,隨著履帶后端與路面接觸面積增加,質(zhì)心垂向位移波動逐漸平穩(wěn),表明在10 s后車輛完成越障,與0～5.1 s期間的振動加速度波動相差不大,車輛越障全過程結(jié)束。

綜上,物探節(jié)點(diǎn)布收車在越障第二階段質(zhì)心垂向位移和振動加速度曲線存在較大突變,穩(wěn)定性較差,容易對底盤造成損傷。國內(nèi)外缺少勘探車輛穩(wěn)定性的評價標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)車輛的動力學(xué)曲線數(shù)據(jù)也難以評價車輛安全狀態(tài),故選擇與行走裝置固定的機(jī)架作為穩(wěn)定性響應(yīng)目標(biāo),通過機(jī)架所受應(yīng)力情況來評判底盤的好壞。

2.2 履帶機(jī)架瞬態(tài)響應(yīng)分析

2.2.1 邊界條件與激勵載荷設(shè)置

底盤機(jī)架材料為Q345鋼,屈服極限為345 MPa,安全系數(shù)取1.5,由此可以計算出機(jī)架的許用應(yīng)力為230 MPa。車輛滿載時為7 000 kg,根據(jù)前述動力學(xué)分析確定機(jī)架所受最大加速度為28 320.1 mm/s2,沖擊時間為0.06 s,以此作為輸入激勵載荷。具體材料參數(shù)如表3所示。

表3 底盤機(jī)架材料(Q345B)參數(shù)Tab.3 Chassis frame material (Q345B)parameters

2.2.2 機(jī)架應(yīng)力響應(yīng)分析

由圖6可知,機(jī)架應(yīng)力主要集中在前橫梁、中立柱、后立柱、后橫梁與主梁連接處以及上層機(jī)架右梁前方的連接處,選取應(yīng)力集中明顯的A、B、C三區(qū)域進(jìn)行分析。

圖6 底盤機(jī)架三區(qū)域瞬態(tài)響應(yīng)Fig.6 Chassis frame three area transient response

(1)A區(qū)域中采用短空心方鋼通過焊接方式對梁進(jìn)行連接,主要承載駕駛室和發(fā)電設(shè)備,應(yīng)力集中較為明顯,最大應(yīng)力為196.66 MPa,未超過許用應(yīng)力,滿足強(qiáng)度要求。

(2)B區(qū)域中中立柱為空心方鋼,與之連接的中橫梁為實(shí)心鋼,故應(yīng)力表現(xiàn)在立柱上,最大應(yīng)力為156.38 MPa,未超過許用應(yīng)力,滿足強(qiáng)度要求。

(3)C區(qū)域中主梁采用空心鋼,主要承載行走裝置的輪系和上方箱體,最大應(yīng)力為235.03 MPa,超過許用應(yīng)力,機(jī)架存在過載、產(chǎn)生裂紋等危險,嚴(yán)重危害車輛安全。

根據(jù)上述底盤機(jī)架應(yīng)力情況,發(fā)現(xiàn)在C區(qū)域連接處的最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力,需要對底盤進(jìn)行優(yōu)化。目前底盤優(yōu)化時多以機(jī)架為主,忽略了行走裝置對其影響,故選擇對行走裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減輕越障沖擊,保障車輛安全。

3 基于響應(yīng)面法的履帶底盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

以物探節(jié)點(diǎn)布收車的振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差作為平順性指標(biāo),振動加速度峰值作為沖擊指標(biāo),對履帶底盤的行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改,利用響應(yīng)面法找出最佳參數(shù)匹配來增強(qiáng)車輛越障穩(wěn)定性和安全性。

3.1 履帶行走裝置自變量范圍的選擇

在確定前傾角范圍時,以農(nóng)用履帶車、坦克、工程履帶車作為參考;在確定履帶張緊力時,根據(jù)文獻(xiàn)[13-15],確定合理的張緊力區(qū)間;在確定履帶接地長度時,前傾角的變化會導(dǎo)致支重輪輪系的移動,在滿足行走裝置導(dǎo)向輪和驅(qū)動輪輪心間距不變的情況下,輪系最后一個支重輪不與驅(qū)動輪發(fā)生干涉,在此區(qū)間選擇接地長度。在滿足車輛相關(guān)要求下,對履帶行走裝置自變量范圍如表4所示。

表4 行走裝置自變量范圍Tab.4 Range of values of independent variables

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果

利用Box-Behnken進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計,選取履帶張緊裝置張緊力F,履帶行走裝置前傾角θ以及履帶接地長度L作為自變量,將車輛垂直方向的振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差σ和垂向加速度峰值ae作為響應(yīng)值。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Response surface test design and results

3.3 響應(yīng)面模型的建立

3.3.1 回歸方程的建立

將以上自變量和響應(yīng)值進(jìn)行二次回歸擬合,得到車輛振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差σ和加速度峰值ae的二階回歸方程,如式(7)、式(8)所示

σ=-2.796×104-651.36X1-64.89X2+41.68X3+

(7)

ae=-2.05×106-31 348.87X1+15 674.58X2+

2 164X3+55.83X1X2+9.82X1X3-4.79X2X3+

(8)

式中:X1為履帶張緊力F;F2為履帶行走裝置前傾角θ;X3為接地長度L。

3.3.2 響應(yīng)面模型誤差分析

為了驗(yàn)證模型的精度,需要對其進(jìn)行誤差分析。響應(yīng)結(jié)果中p≤0.05表示模型顯著,精準(zhǔn)度較好;反之精準(zhǔn)度較差。表6為兩響應(yīng)值的精度分析,結(jié)果表明精度較高,可用于后續(xù)多目標(biāo)優(yōu)化求解。

表6 響應(yīng)面誤差分析Tab.6 Error analysis of response surface

3.4 履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與響應(yīng)值的規(guī)律分析

3.4.1 單因素與響應(yīng)值的規(guī)律分析

根據(jù)物探節(jié)點(diǎn)布收車的垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差σ的二次回歸方程,得到了單個履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差的規(guī)律曲線,如圖7所示。

圖7 行走裝置不同參數(shù)對振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差的影響Fig.7 Effect of different parameters of the travel device on the standard deviation of vibration acceleration

(1)分析圖7(a)可知,車輛垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差隨著履帶張緊力的增大,呈先減小后增大的趨勢,當(dāng)履帶前傾角θ為40°,50°,60°時,垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差在履帶張緊力F分別為67.2%,62.9%,58.7%時達(dá)到最小值。隨著履帶前傾角θ的逐漸減小,振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差在50%～70%的履帶張緊力F范圍內(nèi)整體呈現(xiàn)減小趨勢,說明履帶前傾角的減小更有利于車輛的越障平順性。

(2)分析圖7(b)可知,車輛垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差隨著履帶前傾角θ的增大,呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)履帶前傾角θ=45.1°時,垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差在履帶張緊力F=60%和F=70%時相同;履帶前傾角θ=57°時,垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差在履帶張緊力F=50%和F=70%時相同。實(shí)際設(shè)計底盤時,當(dāng)履帶前傾角θ<45.1°時,選擇履帶張緊力F=60%,具有更好的平順性;當(dāng)履帶前傾角θ>45.1°時,選擇履帶張緊力F=70%,具有更好的平順性。

(3)分析圖7(c)可知,車輛垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差隨著履帶接地長度的增大,呈先增大后減小的趨勢,履帶接地長度L越小,車輛平順性越強(qiáng),這是因?yàn)檐囕v在越障時,較短接地長度的履帶可以更快地落到障礙上。因此在車輛滿足接地比壓的情況下,可以選擇較短的接地長度。

同理,根據(jù)物探節(jié)點(diǎn)布收車的垂向振動加速度峰值ae的二次回歸方程,得到了單個履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與振動加速度峰值的規(guī)律曲線,如圖8所示。

圖8 行走裝置不同參數(shù)對振動加速度峰值的影響Fig.8 Effect of different parameters of the travel device on the peak vibration acceleration

(1)分析圖8(a)可知,不同的履帶前傾角θ,對應(yīng)的履帶張緊力F與垂向振動加速度峰值ae的變化規(guī)律存在差異性,如當(dāng)θ=40°時,ae的最小值出現(xiàn)在高張緊力區(qū)域,而當(dāng)θ=50°時,ae的最小值在車輛原有張緊力60%左右,當(dāng)θ=60°時,ae的最小值出現(xiàn)在低張緊力區(qū)域。因此車輛根據(jù)行走裝置前傾角的大小來調(diào)整履帶張緊力,可以改善車輛所受沖擊情況,增強(qiáng)底盤壽命。

(2)分析圖8(b)可知,在履帶張緊力F=50%和F=60%時,振動加速度峰值ae的最小值均處于最大前傾角θ=60°處;當(dāng)F=70%,ae隨著前傾角的增大,先增大后減小,在前傾角40°和60°具有相同的振動加速度峰值。在設(shè)計行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)時,不能追求大張緊力所減小的沖擊性,需同時考慮行駛平順性。

(3)分析圖8(c)可知,不同的履帶張緊力F,對應(yīng)的履帶接地長度L與振動加速度峰值ae的變化具有較大差異,當(dāng)θ=40°,L=2 350 mm時,ae出現(xiàn)最小值,而當(dāng)θ=60°,ae最小值出現(xiàn)在L=2 550 mm,這是由于物探節(jié)點(diǎn)布收車質(zhì)心位置處于后方,在改變前傾角大小的同時,接地履帶末端相對于質(zhì)心的位置也隨之改變,導(dǎo)致車輛在越障后所受到的沖擊性差異較大。

3.4.2 兩因素在交互下與響應(yīng)值的規(guī)律分析

根據(jù)物探節(jié)點(diǎn)布收車的垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差σ的二次回歸方程,得到了兩個履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)在交互下與振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差的規(guī)律曲線,如圖9所示。

圖9 行走裝置多參數(shù)交互下對振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差的影響Fig.9 Effect of multiparameter interaction of travel devices on the standard deviation of vibration acceleration

分析圖9(a)可知,增大履帶張緊力并減少履帶前傾角可以有效地減小車輛垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差;分析圖9(b)可知,增大履帶張緊力、減小履帶接地長度或減小履帶張緊力、增大履帶接地長度,才會減小振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差;分析圖9(c)可知,只有同時減小履帶接地長度和履帶前傾角才會降低振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)交互效應(yīng)分析可知,較小的履帶前傾角和履帶接地長度可以有效增加車輛越障穩(wěn)定性。

分析圖10(a)可知,只有同時增大履帶前傾角和減小履帶張緊力,或同時減小履帶前傾角和增大履帶張緊力才能降低振動加速度峰值,且前者交互作用下降低地更明顯;分析圖10(b)可知,只有同時增大履帶接地長度和減小履帶張緊力,或同時減小履帶接地長度和增大履帶張緊力才能降低振動加速度峰值,兩者具有相似的振動加速度峰值;分析圖10(c)可知,當(dāng)履帶前傾角范圍為42°～50°,2 420～2 510 mm時,振動加速度峰值具有較大峰值,行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)盡量避開此區(qū)間。根據(jù)交互效應(yīng)分析可知,履帶張緊力、履帶前傾角以及履帶接地長度均對振動加速度峰值有較大影響,其中增大前傾角可以有效降低振動加速度峰值。

圖10 行走裝置多參數(shù)交互下對振動加速度峰值的影響Fig.10 Influence of multiparameter interaction of travel devices on peak vibration acceleration

3.5 履帶行走裝置最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

對履帶行走裝置的垂向振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差和振動加速度峰值進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,對兩目標(biāo)分配不同權(quán)重因子,將權(quán)重因子與兩目標(biāo)值的乘積進(jìn)行求和,和的最大值即為最優(yōu)解,計算公式如式(9)所示

(9)

式中:(α1,α2)為σ(x)和ae(x)的權(quán)重值;xiL,xiU(i=1,2,3)分別為履帶行走裝置各結(jié)構(gòu)參數(shù)變量的上下限。

同時為了避免數(shù)值集中或某個值較大,采用離差標(biāo)準(zhǔn)化的方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換,將響應(yīng)值映射在[0,1]區(qū)間內(nèi),有效消除兩數(shù)量級之間差異,使優(yōu)化結(jié)果更準(zhǔn)確,其轉(zhuǎn)換式(10)如下所示,圖11列舉了三種權(quán)重組合下的最優(yōu)解集。

圖11 不同權(quán)重組合下的最優(yōu)解集Fig.11 The optimal solution set under different combinations of weighting factors

(10)

式中:xmin為樣本最小值;xmax為樣本最大值。

分析圖11可知,當(dāng)α1=0.4,α2=0.6時,最優(yōu)解的序號為23;當(dāng)α1=0.5,α2=0.5時,最優(yōu)解的序號為8;當(dāng)α1=0.6,α2=0.4時,最優(yōu)解的序號為8。在對物探節(jié)點(diǎn)布收車進(jìn)行履帶底盤設(shè)計時,若較注重野外整體穩(wěn)定性,可以選擇序號8對應(yīng)的行走裝置結(jié)構(gòu),若更注重減少野外越障時所受到的沖擊時,則可以選擇序號23對應(yīng)的行走裝置結(jié)構(gòu)。而在實(shí)際作業(yè)過程中,布收地震節(jié)點(diǎn)時需穿越多種復(fù)雜地形,減少整車沖擊,保護(hù)車內(nèi)設(shè)備安全為首要設(shè)計要求,故選擇序號23對應(yīng)的行走裝置結(jié)構(gòu),即履帶張緊力F=69%,行走裝置前傾角θ=42°,接地長度L=2 353 mm作為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

4 底盤優(yōu)化前后穩(wěn)定性對比分析

優(yōu)化后的履帶行走裝置結(jié)構(gòu)在越障過程中振動加速度標(biāo)準(zhǔn)差為3 507.5 mm/s2,最大振動加速度峰值為ae=12 055.5 mm/s2,以此加速度為輸入條件對機(jī)架進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析,由圖12可知,A區(qū)域的最大應(yīng)力為180.89 MPa,比優(yōu)化前應(yīng)力減少了8.02%;B區(qū)域的最大應(yīng)力為147.01 MPa,比優(yōu)化前應(yīng)力減少了9.37%;C區(qū)域中的最大應(yīng)力為220.42 MPa,比優(yōu)化前應(yīng)力減少了6.22%,滿足了強(qiáng)度要求。三區(qū)域的應(yīng)力均有不同程度的減少,有效地增加了機(jī)架的可靠性,保障了車輛的平穩(wěn)、安全運(yùn)行。表7為優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比。

表7 底盤優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比Tab.7 Chassis optimization before and after data comparison

圖12 底盤機(jī)架優(yōu)化后瞬態(tài)響應(yīng)Fig.12 Transient response after chassis frame optimization

5 結(jié) 論

(1)建立了物探節(jié)點(diǎn)布收車的履帶底盤行走裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和整車動力學(xué)模型,分析了車輛在復(fù)雜路況下越障過程中的前兩個階段的力學(xué)特性,得到了車輛在越障過程中的接地履帶-地面夾角β決定了最大振動加速度的大小,且與履帶行走裝置的前傾角α、接地長度L、重心位置G等因素有關(guān)。

(2)建立了不同路面激勵下的車輛振動模型,開展了車輛的越障穩(wěn)定性響應(yīng)分析,根據(jù)整車動力學(xué)分析,將響應(yīng)值作為輸入條件,對履帶機(jī)架進(jìn)行瞬態(tài)分析,結(jié)果表明:機(jī)架C區(qū)域最大應(yīng)力為235.03 MPa,超過許用應(yīng)力,存在安全隱患。

(3)以平順性和沖擊作為指標(biāo),開展了履帶底盤的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究,通過分配不同權(quán)重值,確定了行走裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)為履帶張緊力F=69%,行走裝置前傾角θ=42°,接地長度L=2 353 mm,優(yōu)化后的物探節(jié)點(diǎn)布收車在越障時平順性增加了7.97%,沖擊減少了 57.43%,履帶機(jī)架A,B,C區(qū)域的最大應(yīng)力分別減少了8.02%,9.37%,6.22%,均滿足強(qiáng)度要求。