装甲车辆动力性能联合仿真技术研究

骆清国，王旭东，张更云，龚正波，司东亚

（装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072）

1 引言

装甲车辆动力性能直接关系到车辆的作战能力和生存能力，是其最重要、最基本的性能要求。通常装甲车辆的动力性能需要在完成实车道路试验之后才能给予评价。这样做不但周期长、成本高，而且在车辆设计阶段，结构参数的选取、传动系统与发动机的匹配、整车及各总成方案的确定都有一定的盲目性，可能会使较优的方案遗漏，从而造成人财物力的浪费。因此，为了提高装甲车辆战技性能，缩短研制周期，在设计阶段就需要根据有关设计参数，对其整车动力性能进行仿真分析。随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展，计算机仿真为装甲车辆动力性能的预测提供了有效而准确的工具[1-2]。

目前，国内外对车辆动力性能的仿真研究较多，文献[3-4]中应用商业软件建立了柴油机仿真模型，对发动机进行工作过程仿真，但其计算工况均为发动机稳定工况，扭矩、转速均为定值。但是严格意义上讲，装甲车辆发动机只有在试验台架上才可以做到稳定工况，而在实际使用中由于路面状况、驾驶员操作等影响因素，发动机绝大部分时间是变工况运行。文献[5-7]中采用曲线拟合的方法，建立了发动机稳定工况下的外特性的数学模型，并以此来进行整车动力性能仿真。这样对发动机模型简化处理虽然简单方便，但是不能真实地反映发动机系统的动态运行状况，尤其是废气涡轮增压柴油机，由于涡轮增压器转子的惯性以及气体容积惯性的影响，使得进气流量不能很快地响应循环供油量的变化，造成其实际运行曲线不同于稳态工况的变化曲线。因此，依据发动机稳态性能数据的拟合建模不能适应装甲车辆频繁的驾驶操作和复杂的路面状况，必须建立详细的发动机模型来对装甲车辆动力性能进行数值模拟，以求更真实地反映发动机在装甲车辆实际运行中的动态状况，达到对整车动力性能更为准确客观的仿真。

因此，分别建立了车辆动力装置、传动装置和行动装置的模型。采用联合仿真的方法实现了数据的交互，充分考虑了车辆实际驾驶操作和发动机动态工况对整车动力性能的影响，实现了装甲车辆动传行联合仿真。

2 建模基本理论

2.1 动力装置模型

发动机气缸作为一个热力系统进行考察研究，系统的边界由活塞顶、汽缸盖及汽缸套壁面组成;描述缸内工质状态变化的参数有压力P、温度T、质量m 和气体的组成成分，它们由状态方程、质量守恒方程及能量守恒方程联系起来。

状态方程：

质量守恒方程：

能量守恒方程：

联立气缸内的气体状态方程、质量守恒方程和能量守恒方程就可求解缸内气体压力、温度和质量。

此外，发动机动态工况数值模拟还需要发动机动力学模型和涡轮增压器动力学模型。

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发动机动力学模型：

式中：ne—柴油机转速；Me—柴油机净输出扭矩；Mp—负载扭矩；Jep—发动机总当量惯性矩。

涡轮增压器动力学模型：

式中：nTC—涡轮增压器转速；MT—增压器涡轮发出扭矩；Mc—微增压器压气机消耗扭矩；JTC—涡轮增压器转子惯性矩。

根据发动机工作过程基本原理，采用GT-SUITE 搭建动力装置仿真模型，如图1 所示。

图1 动力装置模型Fig.1 Power Unit Model

2.2 传动装置模型

由于液力变矩器液力传动的过程非常复杂，通常采用原始特性曲线表征液力变矩器的工作性能。液力变矩器的原始特性反映了泵轮转矩系数λB、变矩比K、效率η 随转速比i的变化规律，其数学模型为：

式中：MB，MT—泵轮，涡轮转矩；γ—油液重度；nB—泵轮转速；D—变矩器循环圆最大直径；λT—涡轮转矩系数；ωB，ωT—泵轮，涡轮角速度。

变速箱改变发动机曲轴输出的扭矩及转速，以适应整车在起步、加速、行驶、以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对牵引力及车速的不同要求的需要，其数学模型为：

根据传动装置基本原理采用GT-SUITE 搭建车辆传动装置模型（图略）。

3 整车动力性能联合仿真

装甲车辆动力性能仿真模型是一个包含车辆动力装置、传动装置、行动装置和路面的闭环系统，采用联合仿真模式实现装甲车辆整车动力性能仿真，其原理，如图2 所示。

图2 整车动力性能联合仿真原理Fig.2 Schematic Diagram of the Co-simulation

动力装置和传动装置采用GT-SUITE 建立详细的性能模型，环境温度、压力作为外界影响因素作用于动力装置；并由驾驶员模型控制柴油机目标转速和变速箱挡位。地面作为外部激励直接作用在车辆的行动装置上。传动装置和行动装置组成一个带反馈的闭环系统，传动装置对行动装置的信号输出是主动轮转速，行动装置对传动装置的输出变量是主动轮扭矩，两者通过Simulink 平台实现数据交互与存储，联合仿真模型，如图3 所示。

图3 基于Simulink 平台的整车联合仿真模型Fig.3 Co-Simulation Model Based on Simulink

4 试验验证

对某型装甲车辆在给定路面上进行典型工况实车试验，采集记录车辆、发动机的相关工作参数。利用建立的装甲车辆动力性能模型进行相同工况和环境条件下的仿真计算，将计算结果与试验数据进行比较分析，验证装甲车辆动力性能仿真模型的有效性。

发动机主要参数通过车载电控单元读取，包括发动机目标转速、实际转速、加油齿杆位移、排气温度等。使用基于虚拟仪器的电控柴油机实车测试系统进行实时参数采集。

挡位识别传感器利用光电开关原理制作，当驾驶员将挡位操纵杆挂在某一特定位置时，对应的光电开关输出低电平，经过反相成高电平后输入对应的模拟开关，输出一定的电压值，通过A/D转换后识别挡位，挡位传感器及其安装。

这个型装甲车辆的主动轮是由11 个轮齿组成的齿盘，在轮齿盘的每一个齿上都贴上玻璃微珠反光片，每经过一个齿产生一个脉冲信号，据此可以计算出主动轮转速和车速，主动轮转速传感器及其安装位置。

以实车试验的车辆挡位及柴油机目标转速为模型输入，对车辆起步加速工况进行仿真。发动机转速、车辆行驶速度计算值与实验值对比，如图4、图5 所示。

图4 发动机转速计算值与实验值对比Fig.4 Comparison of the Engine Speed Between Calculated and Experimental

图5 车速计算值与实验值对比Fig.5 Comparison of the Vehicle Speed Between Calculated and Experimental

从发动机转速、车速的计算值和实验值对比可以看出，计算结果与实验值吻合较好，表明装甲车辆动力性能联合仿真模型能够准确反映车辆及发动机的动态性能。

5 结论

以某型装甲车辆为研究对象，基于涡轮增压柴油机工作过程数值模拟理论、多体动力学理论和联合仿真技术，应用GTSUITE、Recurdyn 和Simulink 软件建立了由动力装置、传动装置、行动装置及随机路面组成的整车动力性能联合仿真模型，并通过实车试验进行了验证，为装甲车辆动力性能仿真研究提供了一种新方法。

建立的模型能够准确模拟车辆驾驶操作以及路面状况对发动机动态工况的影响，该模型不仅可以反映发动机的转速、扭矩、油耗；还可以反映发动机每个工作循环的气缸压力、缸内气体温度，增压器转速等，对于研究发动机整机及其零部件载荷谱具有积极的意义。

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