（机械设计及理论专业论文）海底车体转向式履带车行走性能的仿真研究.pdf

中南大学顾上学位论文 摘要 摘要 深海矿产资源的赋存地点存在共同特点：地形复杂多变。尤其是，海底作业 车在采矿过程中将受到采掘力( 达数吨力) 、软管拖曳阻力、电机振动力、海水 阻力和海流力等多种外力同时作用。所以，海底作业车应具有良好的机动性和牵 引性，良好的附着性能和爬坡、越障能力。 本文根据深海海底复杂地形作业环境，提出了一种海底作业车海底车体 转向式履带车方案，由前、后履带车分别通过一个联接机构与同一车架连接而组 成。根据陆用车辆的设计经验及海底作业车的主要技术指标，对海底车体转向式 履带车主要结构参数进行计算。基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 建立了海底车体转 向式履带车的虚拟样机模型。同时以海底基岩的土工力学特性和行走微地形参数 为基础，根据a d m a s a t v 中的地形和底质参数软件，建立符合基岩物理力学 特性和行走微地形参数的平地、障碍、沟、坡、以及各类组合地形等虚拟地形， 且根据a d m a s a t v 地形文件的构造和成型原理，利用c 语言编写程序创建和 输出新的地形文件。并进行了海底车体转向式履带车在典型工况下的行驶性能仿 真研究，对各工况相关运动学、动力学参数进行了分析，对其性能作出了评价与 预测。 仿真分析结果表明，海底车体转向式履带车建模正确，仿真结果真实，能平 稳通过合同所规定的地形指标，具有良好的越障性能，转弯时转弯平顺，具有良 好的机动性。海底车体转向式履带车可作为深海复杂地形矿产资源的海底作业车 的方案之一。仿真结果可为样机研制提供技术支撑。 关键词海底矿产资源；作业车；海底车体转向式履带车；a d a m s a t v ：c 语言 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t d e e p s e am i n e sm a i n l ye x i s to nt h es u r f a c eo fm a n n eh i l l s ，w h e r e t h ed e e ps e a b e di sv a r i o u s s oi tb r i n g so u tl o t so ft e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s a n dt h eo p e r a t i n gv e h i c l ew i l le n d u r ev a r i o u sf o r c e sf r o mt h es e a w a t e r a n ds oo n w eh a v et od e v e l o ps p e c i a le q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e s w h i c hh a v et h eg o o da b i l i t yt oc l i m bo b s t a c l e ，t r e n c ha n ds l o p et e r r a i n a n dt ot u r nr o u n ds m o o t h l y t h i sp a p e rg i v e sat y p eo fo p e r a t i n gv e h i c l e w h i c hi st h et r a c k e dv e h i c l ew i t hw a g o ns t e e rf o rd e e ps e a b e dm i n e r a l s t h ec o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： a c c o r d i n gt ot h eu n i q u ee n v i r o n m e n to fm a r i n eh i l l s ，t h i sp a p e r g i v e sat y p eo fo p e r a t i n gv e h i c l ew h i c h i st h et r a c k e dv e h i c l ew i t hw a g o n s t e e rf o rd e e ps e a b e dm i n e r a l s a n dc a l c u l a t et h ec r i t i c a lp a r a m e t e r so f t h eo p e r a t i n gv e h i c l e b a s e do nt h et h e o r yo fm u l t i r i g i db o d y , t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h e d y n a m i cm o d e lo ft h eo p e r a t i n gv e h i c l e a n dt h i sp a p e ra s l od e s c r i b e st h e v e h i c l e t e r r a m e c h a n i c so ft h em a r i n eh i l l s b a s e do nt h ea d a m s v i e wa n d a d a m s a t v , t h i sp a p e rc o n s t r u c t s t h ev i r t u a lt y p em o d e lo ft h et r a c k e dv e h i c l ew i t hw a g o ns t e e r a c c o r d i n g t ot h ev e h i c l e t e r r a m e c h a n i c sa n dl a n d f o r mo ft h eh i l l s ， t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ev i r t u a lt y p eo ft h em a r i n et e r r a i ni n c l u d i n g o b s t a c l e s ，d i t c h e sa n ds l o p e s a n dt h i sp a p e ra l s oc o n s t r u c t sn e wt y p eo f t h em a r i n et e r r a i n sw h i c ht h ea d 娜| k d a t a b a s ed o e s n th a v ew i t h t h ec o m p u t e rl a n g u a g ec c o n d u c tt h es i m u l a t i o no ft h er u n n i n gm a c h i n ew a l ko fv i r t u a lt y p e l a n d s a n dt h i s p a p e ra s l oa n a l y s e ss o m ek i n e m a t i c s a n dd y n a m i c s p a r a m e t e r s o ft h e o p e r a t i n gv e h i c l e p r e d i c t i n g a n de v a l u a t i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft h eo p e r a t i n g v e h i c l ei sa l s od o w ni ni t t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h en e wt y p eo fo p e r a t i n g v e h i c l ec a nm e e tt h ed e m a n d so fd e e ps e am i n i n g t h eo p e r a t i n gv e h i c l e c a nc l i m bv e r t i c a lo b s t a c l e s ，d i t c h e sa n ds l o p ss m o o t h l y a n di t st e c h n i c a l p e r f o r m a n c ee x c e e d st h er e q u i r e m e n to ft h eo p e r a t i n gv e h i c l eo ns e a b e d i nc h i n a ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb ea p p l i e di nf u t u r ed e s i g no ft h e o p e r a t i n gv e h i c l eo ns e a b e d 1 i 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：d e e p - s e am i n e s ；o p e r a t i n gv e h i c l e ；t h et r a c k e dv e h i c l ew i t h w a g o ns t e e r ；a d a m s a t v ；l a n g u a g ec i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：越年一月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可以根据国家或湖南省有关部门的规定送交学位论文。 作者签名：导师签名：纽日期：讲二月筮日 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 课题背景 第一章绪论 二十一世纪是“海洋世纪”，占世界海洋面积6 5 的国际海底区域蕴藏着丰 富的多金属结核、富钴结壳等深海矿产资源，开发、利用这些资源以替代或补充 日益枯竭的陆地资源，是人类可持续发展的重要物资基础。中国人口众多，矿产 资源人均占有量还不到世界水平的一半，但中国9 0 的能源消耗和工业材料都依 赖于矿产资源【l j 。据统计，占中国矿产消耗量9 0 的4 5 种主要矿产，进入2 1 世 纪后将有半数不能满足经济发展的需要，资源紧缺，将制约中国经济的持续、快 速发展。所以，走向大洋，向深海开辟新资源，是中国一项重大的海洋发展战略。 1 9 9 0 年4 月9 日经国务院批准，“中国大洋矿产资源研究开发协会 成立， 负责组织、协调全国在国际海底区域的研究开发活动，维护我国开发国际海底资 源的权益，并向联合国海底筹委会申请矿区登记。1 9 9 1 年3 月5 日中国大洋在 国际海底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会登记注册为国际海底开发先驱者， 并分配到1 5 万平方公里的国家管辖范围外的国际海底区域。1 9 9 9 年3 月5 日， 在完成开辟区5 0 区域放弃义务后，中国大洋协会为我国在上述区域获得7 5 万 平方公里具有专属勘探权和优先商业开采劝的金属结核矿区，在“蓝色圈地 运 动中维护了我国的权益，拓展了我国战略资源的储备总量【2 】。 在海洋采矿技术方面，我国深海采矿技术经过“八五、“九五的研究，已 在多金属结核采矿车研制、扬矿系统、水面系统、测控系统研究等方面取得重大 进展。“九五 期间，采矿车已通过水池采集试验和湖试。 1 1 2 海底矿产资源的富存环境 海底矿产资源钴结壳主要富集于锥形海山和平顶海山的侧坡面，其地形 坡度多数在1 0 。3 5 。，常常出现障碍、台阶和悬崖，海山底质大部分为变质玄 武岩、玻璃质碎屑岩等，性质变化很大。 ( 1 ) 水文远景矿区的温、盐、密、声速呈稳定的大洋垂直结构，区内大部 分海域位于赤道逆流带，表层流以东向为主，平均流速04 - 0 6 m s ，底层流的 流向主要取决于地形和海潮。 ( 2 ) 气象远景矿区位于太平洋副热带高压南缘及赤道低压槽的过渡带中。 一年分为二季，冬季受北半球副热带高压南缘的东北气流带控制，盛行东北信风 中南人学硕士学位论文第一章绪论 和信风涌浪，夏季由于副热带高压和热带幅合带的北移，频繁受热带低气压和热 带气旋的影响，气温高、湿度大、降水多，具热带幅合带海洋型气候。6 1 0 月 气候较好，盛行东一东南风，风力小、风向不定【3 】。 ( 3 ) 结壳赋存状态结壳大多呈斑块状赋存于硬质基岩面上，少数为不规则 球状、块状、盘状、板状和瘤壳状，厚度一般为2 - - 6 c m ，在水深8 0 0 1 5 0 0 米 的高集区，壳厚可增到1 0 - - 2 0 c m 。结壳的表面形状各异，从平滑、多孔到瘤状， 其厚度和产出率均随深度增大而变小。具有三层构造特征，从上至下第一层为褐 煤状层，第二层为多孑l 状层，第三层为黑亮层。 ( 4 ) 钴结壳金属元素组成钴结壳中的元素和氧化物的含量大致可分为四 组。主要元素：钻、镍、锰、铜、铁：伴生元素：金、银、铂、钽、铑、锇、铱、钼、 钨、铅、镉、铋、锡及稀土元素；有害元素：硫、砷、磷、氟：氧化物：s i 0 2 、a 1 2 0 3 、 f e o 、m g o 、c a o 4 s l 。 现场测试主要金属含量大致为：c o0 6 - - 一1 ，n io 4 o 8 ，c u0 0 6 o 1 ，m n1 8 2 4 ，f c1 2 1 4 。结壳覆盖率达7 0 1 0 0 ，丰度约为3 0 - 7 0 k g m 2 ，具有良好的工业储量。 ( 5 ) 基岩( 或母岩) 太平洋钴结壳的基岩主要有玄武岩、火山碎屑岩、泥灰岩、 火山砾石碎块等【6 】。 另一种海底矿产资源多金属硫化物常产于火山岩、沉积物的地点和附 近，矿体高度富集，由倒塌烟囱的散松料和重新熔合的硫化物固体及沉积层组成， 矿体富集区地形崎岖不平，周围存在沉积物。 这些深海矿产资源的赋存地点存在共同特点：地形复杂和底质多变。 1 1 3 课题来源与研究内容 本课题来源于国家高技术研究发展计划8 6 3 计划2 0 0 6 a a 0 9 2 2 3 2 资助。 随着人们对的深入认识，深海矿产资源开采技术日益受到关注。海底作业车 是深海矿产资源开采系统中最复杂、最关键的设备之一。海底作业作为深海矿产 资源开采系统中的载体，它的正常行驶与否，直接决定着深海矿产资源开采的成 败。由于深海矿产资源赋存的海山表面具有其极其复杂的特殊的地形地貌，对于 海底作业车结构、行驶性能、作业性能和可控性提出了非常高要求【7 引。 分析国内外关于钻结壳和多金属硫化物开采的海底作业车的行走方式，深入 分析在越障性能、机动性能等方面均较强的全地形车的种类与特点，确定适用海 底复杂地形、硬底及重载要求的海底作业车的方案为海底车体转向式履带车方 式，开展了作业车的总体方案设计、单体履带车和各主要部件方案设计、及多自 由度主动式联接机构方案设计等。利用多刚体动力学仿真软件a d a m s a t v 履 2 中南人学硕二| 二学位论文第一章绪论 带车工具包，根据履带车的总体方案、单体和各零部件方案，建立其三维动力学 模型、海底地面力学模型和微地形模型，设计其虚拟样机，开展作业车在障碍、 沟壑、斜坡及崎岖山地等多种复杂地形上的仿真研究和方案验证，预测作业车的 越障能力、机动性能、负载能力等。 i 2 国内外研究现状 1 2 1 陆用通过复杂地形车辆行走机构的研究现状 大量的工程、军事、越野车辆等陆用车辆具有良好性能的行走机构。在军事 方面，广泛使用履带车来通过野外复杂地形。 图1 1 为瑞典赫格隆和桑纳公司生产的b v 2 0 6 系列全地形运输车，该车系是 一种多用途的全地形运输车，能在包括雪地、沼泽等所有地形上行驶。该车的结 构特点是采用活动铰节式双车厢结构，即由两节车厢组成，车身之间用转向装置 连接。每l 节车厢由底盘和车身组成。底盘部分由中央梁、侧传动和行动装置总 成组成。4 个独立的行动装置总成可互相替换。该车满载时可拖l 辆总重为2 5 t 的拖车在任何道路环境下行驶，后车厢可轻易地更换以作特殊用途。 图1 1 瑞典b v 2 0 6 系列全地形运输车图1 - 2 半履带车辆 啦t q e2 燃醚 n 神 ，3 雨 避：黧。一粼阡7麓袭：裟。”。菇霪荔漱，l 图1 - 3美国钴结壳履带式作业车图卜4 日本二种钴结壳履带式作业车 图1 2 为种具有车轮、履带结构的半履带车辆。此结构需要有导向、转弯 中南人学硕：卜学位论文第一章绪论 机构，使整车结构变得复杂。 图1 3 为美国j o h ne h a l k y a r d 在其提出的钴结壳集矿机方案中采用由四条 三角形履带和刚性底盘组成的履带车作为海底作业车。日本在钴结壳集矿机方面 获得t - 项专利，其作业车是由二条或四条履带和刚性底盘组成的履带车，见图 1 4 。 图1 - 5 南非海底钻石采矿机囹1 - 6 美国海底挖沟机 南非获得一项海底钻石采矿机专利，专利号为u s 0 0 6 0 0 3 9 5 a ，海底作业车 为采用二条履带和刚性底盘组成的履带车，见图1 5 。澳大利亚鹦鹉螺矿业公司 和加拿大采矿公司提出将在巴布亚新几内亚采用图1 - 6 所示履带式海底挖沟机可 作为多金属硫化物开采作业车。 r 本森林设备研究所开发了列车式铰接履带车，可通过森林地区复杂地形的 软硬路面，见图1 7 左。加拿大f o r e m o s t 工业公司的h u s k y8 越野运输车是具有 共同车架和独立底盘，采用车体转向式结构的履带车，越野性能和负载能力均很 好，见图1 7 右。 图1 - 7 日本森林铰接列车式履带车和加拿大f o r e m o s th u s k y8 型越野运输车 目前已开展的关于其他行走机构的研究包括轮式，步行式等。轮式行走机构 在相对平坦的地形中具有相当的优势，同其它行走方式相比，其运行速度快，控 制也较简单，故其应用较广，尤其是在陆地上及一些特殊用途探测车上。如在美 国的“阿波罗”1 5 、1 6 、1 7 号和前苏联的“月球 1 7 、2 1 号探测器探月过程中 所使用的月球探测车移动系统均为轮式行走机构。步行式在国内外还处于起步研 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 究阶段。它的最突出的优点是能够自动适应不同的环境，但步行机的能量效率大 大低于轮式和履带式车辆，更低于具有类似结构的动物，因此出现了通过仿生研 究螃蟹来提高步行机的性能的研究方法，提出了采取优化步行机结构及优迭行走 机构和采取协调最优能量分配等方法来降低步行机的比能耗，研究表明采用驱动 力矩最优分配，可避免能量内耗，使驱动能量最优 9 , 1 0 , 1 1 】。 1 2 2 国内外深海采矿车研究现状 自二十世纪六十年代以来，西方发到国家相继投入大量资金、人力和物力， 进行了大洋多金属结核采矿系统全面研究开发。先后开发出连续绳斗法采矿系 统、集矿机和管道提升采矿系统、穿梭艇式采矿系统等多金属结合开采系统。日 本采用连续绳斗法采矿系统于1 9 7 0 1 9 7 2 年间进行了深海采矿试验。1 9 7 0 年， o m a 在大西洋的布莱克海底台地试验了拖曳水力式集矿机，1 9 7 8 年在太平洋的 克拉里昂克里帕顿断裂带用同样的采矿系统进行了试采【1 2 , 1 3 】。o m i 财团也在太 平洋的克拉里昂一克里帕顿断裂带用拖曳式水力集矿机和拖曳机械集矿机进行了 试采，其中机械式集矿机在下放过程中丢失。1 9 7 8 年o m c o 财团在1 8 0 0 米水 深进行了集矿机试验，1 9 7 9 年在5 0 0 0 米水深采用阿基米德螺旋驱动自行式集矿 机完成了海上试采试验。俄罗斯与1 9 7 8 年和1 9 9 0 年在黑海7 9 米水深区域采用 自行式集矿机进行了集矿试验。八十年代法国政府投入资金对一种新的采矿系统 即穿梭艇式采矿系统进行了研究开发，这种采矿系统由于资源问题和控制技术太 复杂，完成实验室模型试验后便停止了研究工作，转而和德国合作研究集矿机管 道提升式采矿车。德国政府则重点自主锰结核采集技术的研究，研制出了复合式 集矿机 1 4 , 1 5 j 。二十世纪九十年代末，日本采用拖曳式集矿机进行了水深2 2 0 0 米 的采矿试验。2 0 0 0 年德国与印度合作，采用履带式集矿机进行了5 0 0 米水深的 采砂试验。 韩国为了开辟一条长期稳定地获取战略金属资源的可能途径，以维持经济的 持续发展。自八十年代以来，作为一项重要的海洋政策，加快了海底勘探活动的 进程，拟于2 0 0 6 年在韩国近海进行综合采矿试验。 在中国大洋协会组织下，我国自1 9 9 0 年起，启动了国家专项“大洋多金属 矿产资源勘探与开发技术”研究，开始大洋多金属结核开采技术的研究和试验工 作。在深入了解和分析国外深海采矿技术的发展和现状的基础上，选择自行式集 矿机加管道输送的采矿系统作为我国深海采矿方案。“八五一期间，重点解决了 集矿机机构原理样机和集矿模型机试验研究、多种扬矿方案的试验研究等【1 6 ，1 丌。 长沙矿业研究院与马鞍山矿山研究院合作各自研究开发了一套模型集矿机。图 1 8 为履带式集矿机实物照片。 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 研究方法 1 3 1 虚拟样机技术 图卜8 履带式集矿机实物照片 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术 ( 指在某单一系统中零部件的c a d 、f e a 技术) 揉和在一起，在计算机上建造 出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测 产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术【1 8 1 。 深海矿产资源的开采是一个全新的课题，技术难度大，实验条件差，虚拟样 机技术提供了一种方便的、经济而高效的研究手段。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点和优点： ( 1 ) 全新的研发模式传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种 方法存在很多弊端。而虚拟样机技术真j 下地实现了系统角度的产品优化，它基于 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分 析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、 预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设 计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型 ( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件不 允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理 样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 f v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源 的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e m e t ( 或i n t r a n e t ) l 晦时缔结成的一种虚 拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要， 而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及 时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 虚拟样机技术作为一项工程分析和预测技术，目前r 益显示出强大的生命 力，在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从 汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用 机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。例如，美国航空 航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 使用了虚拟样机技术预报了火星探测器 “探路号 在火星上的着陆，预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器 可能在着陆时滚翻。工程师针对这个问题修改了技术方案，保证火星登陆计划的 成功。 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i ci n e ) 的a d a m s ，c a d s i 的d a d s ，德国航天局的 s i m p a c k ，其中美国机械动力学公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上。而在 国内，虚拟样机技术的应用研究刚刚开始，目前，只有一些大学和科研院所在进 行这一方面的工作。实施这项技术的关键就是如何开发出可信度高的数字化模型 ( 即虚拟样机) ，如何等效简化实际工况进行虚拟试验，并在设计阶段就能完全预 测评价产品的各项性能。随着研究工作的不断深入和相关技术的进一步发展，虚 拟样机技术将得到进一步的发展和应用【l9 1 。 1 3 2 多刚体系统动力学 机械系统虚拟样机技术是建立在多刚体系统动力学理论的基础上的。多刚体 系统动力学是近3 0 年来在经典力学基础上发展起来的专门解决复杂机械系统的 运动学和动力学问题的新的学科分支，其主要应用领域是航天运载工具动力学、 地面运载工具动力学、生物力学、机构学和机器人学等。多刚体系统动力学的分 析方法常见的主要有以下几种：n e w t o n e u l e r 方程、以l a g r a n g e 方程为代表的 分析力学方法、r o b e r s o n w i t t e n b u r g 方法、k a n e 方法、变分方法等。 ( 1 ) n e w t o n - e u l e r 方程它是将系统中刚体作为隔离体分别列写 n e w t o n e u l e r 方程。该方法使用最为广泛，也最容易被理解，但随着组成系统的 刚体数目的增多，刚体之间的联系状况和约束方式就会变得极其复杂，而铰约束 力的出现会使未知变量的数目显著增加。 ( 2 ) 以l a g r a n g e 方程为代表的分析力学方法采用该方法可以避免出现约 7 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 束反力，使未知变量的数目减少到最低程度，但随着刚体数和自由度的增多，动 能和势能函数的项数会急剧扩张，求导计算工作量庞大，推导过程繁琐枯燥且容 易出错，尤其是若采用传统的独立的拉格朗广义坐标，在建立系统的动力学方程 时会变得非常困难。 ( 3 ) r o b e r s o n w i t t e n b u r g 方法其特点是利用图论中的一些概念描述多刚 体系统的结构特征，借助图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型 来描述。在该方法中，用有向图的弧来表示刚体与刚体之间的铰，用顶点表示刚 体，联结顶点的有向弧与所联系顶点的关系称为关联，如图1 9 所示。并引进 了关联矩阵和通路矩阵，导出了多刚体系统运动微分方程的一般形式。 b o 既 图1 9r o b e r s o n - w i t t e n b u r g 方法中的多刚体系统的结构 该方法以十分优美的风格处理了树结构多刚体系统，对于非树系统，则必须 利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。 ( 4 ) k a n e 方法该方法最先用于分析复杂航天器，以后发展成为使用范围 更广泛的普遍方法。该方法的特点是以伪速度作为独立变量来描述系统的运动， 既适用于完整约束，又适用于非完整约束，此外，在用该方法建立系统的动力学 方程时既不会出现理想约束反力，也不必计算动能等动力学函数及其导数，而且 推导计算十分规格化，所得结果是一阶微分方程组，因而兼有矢量力学和分析力 学的特点。但它只是一种普遍的方法，必须对每个具体的多刚体系统作具体处理。 ( 5 ) 变分方法变分的力学原理并不是直接描述机械系统运动的客观规律， 而是把真实发生的运动和可能发生的运动加以比较，在相同条件下，从所发生的 很大的可能运动中指出真实运动所应满足的条件，因此，该方法无需建立机械系 统的动力学方程，而是以加速度作为变量，根据被称为拘束的泛函的极值条件， 直接利用系统在每个时刻的坐标和速度值解出真实加速度，从而确定系统的运动 规律 这些方法的共同点是建立一种通用性的动力学方程，只要用最少量的准备工 作就能将动力学方程自动编排出来因此，多刚体系统动力学的主要研究内容一 般只局限于动力学方程的建立，而方程的处理则由计算机去完成。 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 的虚拟样机研究 应用虚拟现实方法具有高效处理复杂多刚体动力学模型的优势。本文对钴结 壳行走机构的分析研究都是在对系统进行了较大简化的前提下进行的。由于钴结 壳采矿机所处的环境包含了多种复杂耦合因素，钴结壳的开采系统也是一个庞大 复杂的系统整体工程，所以，采矿车子实际工作环境和工作过程都会比简化的模 型复杂许多。现有的钴结壳行走机构数学模型都不能准确对实际系统进行描述， 而只能是对行走机构大致运动规律和工作过程做出初步分析，分析所得结论也非 常有限，很难为实际作业行走车的研制和试验提供足够参考。所以，为了能综合 考虑到多种复杂因素对整个系统的影响，准确地对实际行走机构进行描述以及深 入研究该系统工作过程，本文采用虚拟现实方法，建立钻结壳行走机构虚拟样机， 并根据海洋勘察及相关资料，模拟海底海山矿床地貌、水文条件等深海底矿产资 源开采环境，重点分析研究了钴结壳行走机构的行驶性能。 美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件是一个机械系统动力学仿真分析软件，在 该软件平台上，可方便地建立机械系统的动力学模型，直观清晰地演示机械系统 的动力学过程。 a t v ( a d a m s t r a c k e dv e h i c l e ) 是基于a d a m s 的一个专门分析履带车辆的工 具箱，作为分析军用或商用履带车辆各种动力学性能的理想工具，它具有在一个 模型中多履带系统、全3 d 能力、不同的拓扑结构、全动力学履带模型以及软、 硬泥土路面接口等特点。为了方便使用，a t v 软件预设了车体( h u l l ) 、主动轮 ( s p r o c k e t ) 、拖带轮( s u p p o r tr o l l ) 、履带( b e l l ) 、张紧装置( t e n s i o n e r ) 、悬挂 ( s u s p e n s i o n ) 等子模型，且每个子模型有多种形式。路面谱模型使用a t v 软件提 供的宏命令创建，包括路面的几何形状、附着系数等参数。在主动轮上施加扭矩 或运动学驱动后，就可以仿真模型。仿真模型时，a t v 软件根据模型的参数和 相关约束自动建立数学模型，进行求解，并输出模型任意点的位移、速度、加速 度等运动学参数，以及零部件之间的相互作用力、作用力距等动力学仿真结果。 基于a d a m s a t v 建立钴结壳行走机构虚拟样机模型，并对行走机构行驶 在海山上时，遇到平地、斜坡、障碍和沟槽等典型地形的通过性能和其动力学性 能进行评估。结合实验对比研究，可证明虚拟现实研究方法的可行性。 1 4 本文的研究内容及章节框架 全文思路为：从深海采矿技术着手，分析海底作业车的功能和要求，选定海 底车体转向式履带车作为海底作业车返回方案。进行了多自由度联接机构的方案 9 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 设计和海底车体转向式履带车的总体结构设计，对海底车体转向式履带车主要力 学和结构参数进行计算。基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 建立了海底车体转向式履 带车的虚拟样机模型。同时以海底基岩的土工力学特性和行走微地形参数为基 础，根据a d m a s a t v 中的地形和底质参数软件，建立符合基岩物理力学特性 和行走微地形参数的平地、障碍、沟、坡、以及各类组合地形等虚拟地形，且利 用c 语言开发程序创建新的数字化地形文件。并进行了海底车体转向式履带车 典型工况下的行驶性能仿真研究，对各典型工况相关运动学、动力学参数进行了 分析，对其性能作出了评价与预测。 论文的基本框架如下： 第一章绪论，介绍研究背景、深海矿产资源的开采环境、课题来源和研究内 容，综述深海矿产资源开采中可能的行走方式的研究现状，以及虚拟样机技术中 所用的动力学分析方法及其在深海采矿中的应用。 第二章通过海底车体转向式履带车的功能分析，进行了多自由度联接机构和 海底车体转向式履带车方案设计，确定了海底车体转向式履带车的主要力学和结 构参数。 第三章基于a d a m s v i e w 、a d a m s a t v 建立海底车体转向式履带车的虚 拟样机模型。 第四章介绍了a d a m s a 1 w 数据库中自带地形文件的数据组织和结构形式， 分析了a d a m s a t v 地形文件内容，构造原理和成形过程。在此基础上利用c 语言编写程序创建和输出新的a d a m s a t v 地形文件的程序。 第五章对海底车体转向式履带车虚拟样机模型典型工况的仿真分析，对主要 动力学、运动学参数进行分析，预测了作业行走车的性能。 第六章在a d a m s v i e w 下对六轮车建模仿真，然后对比利用实验验证其正确 性，间接证明海底车体转向式履带车建模方法的正确性 第七章介绍主要结论、论文的创新点。 l o 中南人学硕： 二学位论文第二章海底乍体转向式履带车的方案设计 第二章海底车体转向式履带车的方案设计 2 1 海底作业车的设计要求 在地形复杂的深海海山表面，海底作业车的越障和转向性能对于完成采矿 作业十分关键。越障性能主要体现在过垂直障碍、爬坡和过沟等方面，其越障能 力主要取决于海底作业车的行走机构；良好的转向性能是海底作业车灵活性的重 要标志。根据课题研究目标确定海底作业车的主要技术指标： 表2 - 1 海底作业车的主要技术指标 行走速度( m s )0 0 8 越障高度( m ) o 5 越沟宽度( m ) 1 0 爬坡( 。)2 0 转弯半径( m ) 1 0 外形尺寸( m ) 4 2 1 4 1 6 2 2 海底作业车方案确定 迄今为止，海底作业车基本可分为履带式、轮式和腿式等类型。不同的行走 机构各具优缺点。 在国家“十五 期间，大洋项目开设了深海技术项目钴结壳采集模型机关 键技术及装备研究课题，开展了钴结壳采集模型机的行走机构虚拟仿真研究， 对铰接列车式履带车、海底车体转向式履带车和刚性履带车的三种履带车、浮动 悬架六轮车、六足步行车、浮游式r o v 四种方式进行了采矿行走的仿真研究， 其行走性能的仿真结果见表2 2 和表2 3 。从中可知，在软管力和采掘头力共同 作用下履带车可稳定行走，而轮式车、步行车和浮游式r o v 无法行走。因此， 既适应于海底复杂地形和硬底质，又具有很强的越障性能、机动性能和负载能力 的作业车的行走方式可采用履带式。 海底车体转向式履带车，在行驶过程中，前、后履带车之间可产生俯仰、侧 翻和转向三种相对运动，其中，俯仰和侧翻运动使前后履带车在纵向和横向与地 面保持很好的接触，达到适用复杂地形的目的，而转向运动使前后履带车之间在 水平面上产生相对角度而实现转弯，且转弯半径小和转弯所耗功率小。 因此，本文中采用的履带式海底作业车为海底车体转向式履带车。 中南人学硕士学位论文第二章海底车体转向式履带车的方案设计 表2 - 2 四种钴结壳模型机行走方式行驶性能的仿真结果 钴结壳模型机行走方式 行走性能 履带式轮式r o v 式步行式 在不受外力作用下平稳行走平稳行走平稳行走平稳行走 平 受软管力影响程度小大极大无法行走 地 在软管力和采掘头力 稳定行走无法行走无法行走无法行走 共同作用下 越在不受外力作用卜 0 6 m 无限制0 4 m 障 在软管力作用下 o 4m 无限制无法行走 能 力 在软管力和采掘头力稳定行走 无法行走无法行走无法行走 共同作用下1 o m 越在不受外力作用下 0 6 m 沟 在软管力作用下 0 5m 无限制无法行走 能 力 在软管力和采掘头力稳定行走 无法行走无法行走无法行走 共同作用下 1 6 m 爬在不受外力作用下无法行走 坡 在软管力作用下 1 7 无法行走无法行走 能 力 在软管力和采掘头力稳定行走 无法行走无法行走无法行走 共同作用下 3 5 0 表2 - 3 三种履带车的仿真结果 仿真结果 地形 铰接列车式车体转向式刚性 履带车履带车履带车 障0 6 m平稳通过 碍 0 8 m 平稳通过平稳通过不能通过 高 i m 平稳通过平稳通过不能通过 度 0 6 m 平稳通过 越 沟 宽 1 2 m 平稳通过平稳通过 度 1 6 m 平稳通过不能通过平稳通过 2 5 。平稳通过 坡 3 0 。 平稳通过平稳通过不能通过 度 3 5 平稳通过 不能通过不能通过 1 2 中南人学硕+ 学位论文 第二章海底车体转向式履带车的方案设计 2 3 海底车体转向式履带车参数的确定 海底作业车的机械结构以及相关的结构参数决定了海底车体转向式履带车 在地面上的单位压力分布、履带承载能力、履带下陷、行驶阻力、牵引力、转向 灵活性以及机动性等行驶特性和性能。 1 平均单位压力 海底车体转向式履带车中的履带系统认为是刚性履带，故参考陆用车辆中的 定义，用“平均单位压力”来判断海底车体转向式履带车的通过性【2 3 , 2 4 。与通过 性相关的作业车的参数包括整车重肌履带接地长肠、履带宽b 、履带倾角等。 海底车体转向式履带车包含四个履带系统，每个履带的履带宽度b 和履带支 撑面长度肠，按总体设计及行走机构的工作条件的平均单位压力 训确定： 喾轴， 其中，m ，为车体各部分重量； 厶为单条履带接地长； b 为履带宽； 【g 】为平均单位压力。 2 海底车体转向式履带车的转向 ( 2 - 1 ) 在深海海底作业行走过程中，行走机构必须能满足避障以及转向等工况的 要求，即具有良好的转向灵活性和机动性。海底车体转向式履带车主要靠滑移转 向。履带行走机构的滑移转向示意图见图2 - 1 ，即一侧行走机构的推力增加，另 一侧行走机构的推力减小，从而产生一个转向力距，用以克服由于履带在地面上 滑移和车体转动惯性所形成的转向阻力矩。 中南大学硕十学位论文第二章海底车体转向式履带车的方案设计 海底车体转向式履带车的转向特性与作用在内外侧行走机构上的推力f i 和f o 、合成阻力r t o t 、地面作用在履带上的转向阻力矩m r 和行走机构参数有关。 在低速情况下忽略离心力，其转向性能可用下式定义： 肌窘= e 竹( 2 - 2 ) t 万d 2 0 = - 宝( f o 一只) 一m ， ( 2 - 3 ) 式中，s 一车体质心位移：0 一车体角位移：b 一履带中心距；厶和掰一分别为转 动惯量和质量。其中： f ：篮+ 丝：理+ 坦 。 2 口 24 曰 f ：生一丝：一f , w 一坦 2曰24 b ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 式中，石一行走机构的运动阻力系数；俨车重；肠一履带接地长；鸬一横向阻 力系数。以不仅与地面有关，而且与履带结构有关。表2 4 为钢履带和橡胶履带 在不同地面上的以值。 表2 - 4 不同地面上履带横向阻力系数 履带 p t 材料 水泥地 硬地面 草地 钢 0 5 m 田5l0 5 5 旬5 8o 8 7 1 1 l 橡胶 0 9 0 - - , 0 9 1 0 6 5 旬6 6 0 6 7 1 1 4 同时，为了使履带行走机构转向时外侧行走机构不产生完全滑转【2 6 1 ，单侧 履带接地长对履带中心距们必须满足如下条件，式2 - 6 所示。 1 1 警+一2 ，) i i - - u p n , i ( w 2 t a n #“。(2-6) 式中，c 和分别是地面的内聚力和内剪切阻力角，对于海山基岩c 取1 3 8 1 ( p a ， 取5 5 。其中，l d b 为履带车辆转向灵活性的一种度量，称之为转向比见。表 2 3 为几种著名履带车辆的转向比及转向灵活性情况。 2 ：蔓 ( 2 - 7 ) 曰 表2 5 为几种著名履带车辆的转向比及转向灵活性情况参考表2 5 ，选定 海底车体转向式履带车的转向比z = 1 6 。 1 4 中南人学硕士学位论文第二章海底车体转向式履带车的方案设计 表2 - 5 转向灵活性 履带车辆( 结构已确定的 转向比( 下陷履带)转向灵活性 转向比) 霍基斯坦克( 短车体) 兄= 1 1 2甚佳 1 1 9 m 1 1 3旯= 1 2 4 1 2 1 4佳 m b t - 7 0 力= 1 3 3 豹式坦克五= 1 5 豹1 坦克a = 1 5 7 1 4 1 6满意 m 6 0 a i元= 1 4 5 豹2 坦克五= 1 7 7 5 1 6 1 8可 x m 一1名= 1 6 3 1 8 以上 劣 3 履带行走机构沉陷和牵引力 根据贝克( m g b e l ( 1 ( e r ) 提出的压力一沉陷关系，履带系统的沉陷量为： p = ( 叫+ 以6 巧) ( 壬) 4 d 式中：乞一地面的内聚变形模量； k 一地面的摩擦变形模量； ( 2