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基于运动特性的两栖车辆关键技术研究

作　者: 徐一新
导　师: 王琪；李书伟
学　校: 江苏科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 两栖车辆计算流体力学车轮收放装置小生境遗传动力学仿真
分类号: U469.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

两栖车辆是一种具备陆地行驶能力又具有水中航行特性的特殊车辆。它能够像车辆一样在陆地上机动、灵活的行驶，又能像船舶一样在水面上快速航行。然而，水上航行能力与速度一直是制约两栖车辆发展的重要因素。这是由于水上航速主要取决于航行水阻力、喷水推进效率和发动机的输出功率。随着发动机增功率的发展“瓶颈”和推进器的日趋成熟，本文从水中运行时的航行水阻力出发，研究并采用了一种减阻增速的新方法。本文采用组合建模法，在UG中建立两栖车辆的多区域多形状的物理模型；运用HYPERMESH软件结合计算速度和计算精度进行单元网格划分；设计在不同的行驶环境下，并利用流体动力学软件FLUENT对两栖车辆的粘性绕流场进行了数值模拟。通过仿真分析，结果表明，车体尾部形状和伸出的车轮对试验绕流场有较大的影响；车辆行动部件的改变同样可以有效的减小两栖车辆在水中航行时的阻力；同时证明行驶环境的改变对阻力也有较大的影响，并给出一定的试验数据，从而确立了车轮收放装置的实际使用价值。其次，根据航行水阻力分析，运用结合了组合矢量法和几何解析法两者优点的混合数学模型法，引进有限转动张量法则，建立精确的车轮收放装置的悬架静力学和动力学的数学模型。并将小生境遗传算法引入到车轮收放装置的前期优化设计中，以减少人为参数设定的不周密性，降低设计周期、提高设计效率。结合了并列选择法的特点，对车轮收放装置模型进行了运动学多目标优化设计计算，通过择优选择、高次迭代后，排除运动干涉项，求取结构的最优解。同时还设计了一种两栖车辆专用油气弹簧系统，可用以实现车辆车轮在陆地上放下着地行驶，车轮在水中收起及车身高度的控制调节。此弹簧系统能够自动适应行驶中冲击力和压力的改变，并为陆地上的正常行驶提供了保障。最后，根据ADAMS软件分析和仿真的特点，建立两栖车辆收放装置的多体系统动力学仿真模型，用以验证前文中所用算法优化设计结果的可行性。仿真分析结果表明：利用小生境遗传算法所设计计算出来的优化结构具有良好的动力学运动特性，能够符合一般路面平顺性和安全性要求；同时证明此方法可以对复杂空间系统的结构参数进行优化设计。从而形成一整套设计悬架系统的现代设计的新思路。对比传统设计方法，此方法简单快捷、灵活性高，只需车辆的几个基本参数和设计要求，就可以完成整个悬架导向机构的参数选定，求取全局范围内的优化后的设计结构。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
Contents  10-12
第1章绪论  12-24
  1.1 课题研究的背景及意义  12-13
    1.1.1 研究背景  12-13
    1.1.2 研究意义  13
  1.2 国内外两栖车辆的研究现状与分析  13-22
    1.2.1 国外两栖车辆的研究现状  13-19
    1.2.2 国内两栖车辆的研究现状  19-21
    1.2.3 今后主要研究方向的探讨  21-22
  1.3 本文研究的主要内容与结构  22-23
    1.3.1 研究内容  22
    1.3.2 文章结构  22-23
  1.4 本章小结  23-24
第2章基于组合建模法的两栖车辆车体优化分析  24-35
  2.1 两栖车辆车车体水阻力组成  24-25
  2.2 基于组合建模法的两栖车辆车体建模及网格划分  25-27
    2.2.1 基于组合建模法的两栖车辆车体建模  25-26
    2.2.3 基于 HyperWorks 的网格划分  26-27
  2.3 基于流体力学对车体水阻力的仿真及分析  27-33
    2.3.1 计算流体力学仿真原理  27-28
    2.3.2 流体力学的控制方程和湍流模型  28-29
    2.3.3 基于流体力学仿真分析的条件设定  29-30
    2.3.4 读取仿真结果  30-33
    2.3.5 仿真结果分析  33
  2.4 本章小结  33-35
第3章车轮收放装置的数学模型及液压系统设计  35-45
  3.1 两栖车辆车轮收放装置  35
  3.2 简化后的车轮收放装置的数学模型  35-36
  3.3 车轮收放装置的静力学和动力学模型  36-40
    3.3.1 车轮收放装置的静力学模型  36-38
    3.3.2 车轮收放装置的动力学模型  38-40
  3.4 收放装置的液压系统设计  40-44
    3.4.1 收放装置的油气弹簧设计  40-42
    3.4.2 收放装置的液压回路设计  42-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章基于小生境遗传算法的结构优化设计  45-54
  4.1 小生境遗传算法（NGA）引入多峰值函数优化  45
  4.2 小生境遗传算法（NGA）  45-49
    4.2.1 小生境遗传算法（NGA）简介  45-48
    4.2.2 小生境遗传算法（NGA）的基本原理  48-49
  4.3 基于 MATLAB 对算法进行设定  49-53
    4.3.1 设计变量  50
    4.3.2 目标函数  50-51
    4.3.3 约束条件  51-52
    4.3.4 算法的实施  52
    4.3.5 收放装置的结构优化结果  52-53
  4.4 本章小结  53-54
第5章基于 ADAMS 的动力学结构仿真验证  54-65
  5.1 ADAMS 仿真软件  54
  5.2 ADAMS 分析软件的计算方法  54-60
    5.2.1 广义坐标的选择  54
    5.2.2 动力学方程的建立  54-55
    5.2.3 动力方程的求解  55-57
    5.2.4 静力学分析、运动学分析和初始条件分析  57-60
  5.3 基于 ADAMS 对车轮收放装置的结构仿真及结果分析  60-64
    5.3.1 在 ADAMS 中建立车轮收放装置模型  61-62
    5.3.2 设置动力学仿真的初始条件  62-63
    5.3.3 动力学仿真结果分析  63-64
  5.4 本章小结  64-65
结论与展望  65-67
参考文献  67-71
附录基于小生境遗传算法设定的多目标优化程序  71-79
攻读硕士学位期间发表的学术论文  79-80
致谢  80

基于运动特性的两栖车辆关键技术研究

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