摘要: 随着现代军事科技的发展，轮式作战机动平台要求具有较高机动性、稳定性和通过性。为了缩短研发周期、降低开发费用、快速查找问题根源等，建立高精度整车虚拟样机模型进行前期虚拟调校及载荷提取已经逐步成为车辆开发的主流。轮胎作为汽车与路面接触... 展开 随着现代军事科技的发展，轮式作战机动平台要求具有较高机动性、稳定性和通过性。为了缩短研发周期、降低开发费用、快速查找问题根源等，建立高精度整车虚拟样机模型进行前期虚拟调校及载荷提取已经逐步成为车辆开发的主流。轮胎作为汽车与路面接触的唯一部件，是决定整车性能仿真及载荷提取精度水平的关键因素。建立适用于军用车辆使用场景的全工况高精度动载非稳态轮胎模型，对于提升波形路及对扭路的载荷提取精度及为越野路面性能虚拟分析奠定基础，均具有重要研究意义和实用价值。 参考国内外研究现状，其中最为经典的UniTire模型和Magic Formula模型均对轮胎非稳态特性展开了大量的研究，但为满足军用车辆虚拟开发的需求，还存在以下两个核心问题亟待解决：（1）轮胎非稳态模型主要包括力和力矩模型，在以往的研究中对于非线性松弛力模型已经有了较好的模拟效果，但对于回正力矩模型的研究仍存在一些问题，理论机理不够清晰，实用半物理模型表达精度还有待提升；（2）在非稳态动载特性研究方面，重点对侧偏和纵滑工况进行了分析和验证，但对于复合滑移非稳态工况并没有展开深入的研究和验证。 针对上述问题，本文建立了适用于动载仿真的非稳态离散理论模型和用于机理分析的简化非线性非稳态解析模型；而后，基于上述分析结果，开发了实用的非稳态非线性动载复合滑移半物理模型；最后，将模型接入整车动力学仿真平台，开展了整车应用研究。 本文的主要研究内容和结论如下： 1、轮胎非稳态动载复合滑移工况机理分析。首先，通过有限元分析法，获取到非线性侧偏角阶跃、动载侧偏工况下轮胎动态运行过程中总体力和力矩的响应过程及印迹内应力分布变化过程，对侧偏非稳态力和力矩的建立机理进行初步研究。而后，为进一步提升仿真效率以及清晰地分析非稳态工况印迹应力分布规律，开发了适用于动载工况仿真的复合工况离散理论模型，通过对非线性侧偏角阶跃、侧偏动载、复合纵滑扫频及复合纵滑动载工况的离散仿真分析，输出各工况下印迹内侧向、纵向、垂向应力变化过程，揭示了轮胎复杂工况时回正力矩（力臂）的建立过程，为半物理模型开发提供了理论基础，同时，也提供了一套完整的虚拟验证数据用于弥补部分台架测试无法完成的工况。 2、轮胎动载侧偏回正力矩模型开发。首先，进行了考虑胎体复杂变形的轮胎非稳态非线性侧向力及回正力矩的解析理论模型推导，并对不同侧偏角条件下的非稳态力和力矩频率响应特性进行了分析。基于力和力矩的频率响应解析表达式，进一步求解获得了回正力臂的频率响应表达，该表达式是建立非稳态回正力矩半物理模型的关键理论基础。而后，通过化简解析模型得到侧向力的非线性松弛表达式，并且将回正力臂解析式进行分解整理，表达为一个带有零点的二阶系统一般表达式，对两个极点和一个零点的参数进行理论解析及半经验表达，由此构建了完整的非线性非稳态侧偏力和力矩实用半物理模型。最后，在MTS轮胎试验机上，进行了轮胎稳态非稳态及动载侧偏测试，并使用新开发模型进行参数辨识及与试验结果的对比验证。仿真与试验的对比结果表明，改进的侧偏非稳态回正力臂半物理模型在非线性侧偏角阶跃及动载侧偏工况均有着较好的表达效果。 3、轮胎动载复合滑移非稳态模型开发。首先推导了考虑胎体侧向、纵向变形的复合滑移工况非线性非稳态纵向力、侧向力频率响应函数，同时得到了相对胎体变形后印迹中心的回正力矩解析表达式。基于此，进行了不同综合滑移水平状态下轮胎纵向力、侧向力及回正力矩的频率响应特性分析，为复合工况非稳态半物理模型建模提供了完整的理论框架和理论基础。而后，进行轮胎复合滑移非稳态实用半物理模型开发，类比侧偏回正力臂模型，将复合工况综合滑移输入等效为侧偏输入进行非稳态回正力臂建模。在此基础上叠加侧向力、纵向力与胎体纵向、侧向偏移形成的回正力矩，共同构建了完整复合工况回正力矩模型。最后，进行轮胎稳态及非稳态复合滑移工况测试，并使用新开发的复合滑移非稳态半物理模型进行参数辨识及与试验结果的对比验证，结果表明新开发的复合滑移非稳态半物理模型能够准确地模拟动载及非稳态复合滑移工况条件下的力和力矩特性。 4、轮胎模型应用研究及典型场景下军用车辆的动态载荷及响应性能分析。首先建立了某8×8轮式装甲车辆的整车多体动力学模型，并基于改进后的复合工况非稳态轮胎模型开发了车辆仿真软件使用环境下的专用轮胎模型接口。而后，进行了典型动载工况下的整车动力学仿真分析，包括对扭路匀速行驶工况、对扭路制动工况及正弦波形路面条件下整车稳态转向工况，分别提取了车轮动态载荷谱及整车响应。通过分析动载路面条件下的整车仿真结果，可以清晰地看到使用改进后模型对车轮动态载荷及整车操稳特性均有显著影响。 本文揭示了轮胎复合滑移非稳态工况力和力矩频率响应的机理，首次系统地对复合工况非线性非稳态频率响应特性进行解析推导，得出了纵向力、侧向力及回正力矩（胎体变形后中心位置）的频率响应表达式。基于理论模型框架，构建了完整的动载复合工况非线性非稳态纵向力、侧向力及回正力矩实用半物理模型。研究成果有助于提升军用车辆在典型波形路、对扭路工况下的车轮动态力和力矩特性模拟能力，对起伏越野路面条件下军用车辆性能虚拟开发及促进轮式装甲车辆性能发展具有重要意义。 收起