بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به توانایی خودرو ی شنیدار در حرکت روی زمین های ناهموار، این نوع خودروها کاربرد زیادی در صنایع مختلف دارند. ضرورت تحلیل ارتعاشی و هزینه زیاد ناشی از آزمایش روی این نوع خودروها، لزوم شبیهسازی نرمافزاری را نشان میدهد. با توجه به تعداد بالای اجزای این نوع خودرو و×باهدف تحلیل دینامیکی و ارتعاشی قطعات مختلف آن، لازم است از نرمافزارهایی که بر اساس دینامیک چندجسمی نوشتهشده است، استفاده کرد . بهترین گزینه نرمافزار ادامز می باشد. ولی متأسفانه به خاطر جنبه احیاناً نظامی این نوع خودرو، امکان خرید یا دسترسی به محیط مخصوص شبیهسازی آن در ایران فراهم نیست.
از طرفی با توجه به تعداد زیاد قطعات، قیود و تماس بین آنها، استفاده از محیط عمومی نرمافزار به شیوههای رایجعملاً نا ممکن است. لذا در این مقاله به بررسی شبیهسازی این نوع خودرو در محیط عمومی نرم افزار ادامز و نکات مهم و خلاقانه مربوط به مدلسازی در این محیط، پرداختهشده است. شبیهسازی و تحلیل حرکت یک خودرویشنیدار حین عبور از یک مانع با در نظر گرفتن تکتک قطعات و خصوصیات دقیق نیروهای تماسی، از جمله جنبههای نوآورانه مقاله پیشرو است.
1. مقدمه
خودروهای شنیدار1 از قدیم تا به امروز یکی از مهمترین تجهیزات مورد استفاده در زمینهای ناهموار بودهاند. بیلهای مکانیکی، بولدوزرها، برخی از جرثقیلها و تانکها نمونههایی از این نوع خودرو می باشند. با توجه به توانایی این خودروها در حرکت در زمینهای ناهموار، مطالعه رفتار دینامیکی و ارتعاشی آنها، به کمک شبیه سازی اهمیت زیادی دارد. شبیهسازی، به مهندسان اجازه تحلیل یک مدل مجازی از خودروی شنیدار واقعی را میدهد. به کمک این مدل می توان حرکت قطعات مختلف را بررسی و در نهایت با تغییر پارامترها به یک انتخاب بهینه دست یافت.
چنین اقدامی منجر به کاهش هزینههای ناشی از آزمایش میدانی میشود. این هزینه در مورد یک خودروی شنیدار قابل چشمپوشی نیست و لزوم شبیهسازی به کمک نرم افزار برای این نوع خودرو را نشان میدهد. هر چند نرم افزارهای زیادی جهت تحلیل دینامیکی وجود دارد. ولی با توجه به تعداد بالای قطعات یک خودرویشنیدار، لازم است از نرم افزارهایی که بر اساس دینامیک چندجسمی1 نوشته شده است استفاده کرد، که بین آنها نرم افزار ادامز2 بهترین گزینه است.
در این نرم افزار به غیر از محیط اصلی که برای کاربرد های عمومی تعبیه شده است، پلاگینهای مخصوصی وجود دارد که روند مدلسازی و تحلیل را تسریع و بهینه میسازد. برخی از این محیط ها مثل محیط ادامزکار3 به صورت رایگان در خود نرمافزار موجود است، ولی برخی محیطهای دیگر مثل محیط ادامز ترک وهیکل4 یا به اختصار ATV تنها با پرداخت هزینهای بالا آن هم صرفاً برای برخی کشورها قابل استفاده می باشد.
این محیط برای مدلسازی و شبیهسازی خودروهای شنیدار است و کلیه قطعات مورد نیاز این نوع خودرو به صورت آماده در آن تعبیه شده است. متأسفانه صنعت کشور اجازه دسترسی به این محیط از نرمافزار را ندارد. لذا با توجه به نیاز صنعت و بالا بودن هزینههای ناشی از آزمایش های فیزیکی، تصمیم بر این گرفتهشد که با استفاده از همان هسته اصلی نرم افزار، یعنی محیط Adams view به شبیهسازی پرداخته شود.
یو5 و همکاران به شبیهسازی یک خودرویشنیدار در کف اقیانوس در چهار نوع زمین مختلف پرداختند .[1] یین6 و همکاران ضمن عبور خودرو از موانع مختلف به بررسی لغزش حین عبور از شیب پرداختند .[2] مادسن7 و همکاران به کمک شبیهسازی مدل سادهای از شنی و بدنه تغییر پاسخ دینامیکی مدل در شرایط مختلف با نیروی پیشران متفاوت را بررسی کردند
ماتج با در نظر گرفتن یک مدل ساده از خودروی شنیدار و صرفنظر کردن از اصطکاک بین کفشکهای شنی با چرخها، رفتار خودرو را حین عبور از یک مانع نیمدایرهای شبیهسازی نمود
بانرجی9 و همکاران با شبیهسازی یکی از چرخها در نرمافزار، به بررسی خوشسواری خودرویشنیدار پرداختند
لازم به ذکر است که اکثر کارهای انجام گرفته در محیط ATV بوده است و تعداد محدود کارهایی که بر اساس محیط عمومی نرم افزار ادامز انجام گرفته است، با فرضها و هندسه سادهسازی شده و بدون کدنویسی انجام گرفته است. شبیهسازی و تحلیل حرکت یک خودرویشنیدار حین عبور از یک مانع با در نظرگرفتن تکتک قطعات و کدنویسی برخی قیدها جهت کاهش تعداد مرتبه تعریف قیدها در محیط عمومی نرمافزار، از جمله جنبههای نوآورانه مقاله پیشرو است.
2. نحوه مدلسازی و خصوصیات فیزیکی مدل
1.2 مدلسازی خودرویشنیدار
با توجه به این که نرمافزار ادامز از دسته نرمافزارهای مدلسازی کامپیوتری نیست تنها به کمک آن می توان قطعات خیلی ساده را مدلسازی نمود. بنابراین، امکان مدل سازی خودرویشنیدار با توجه به تعداد بالای قطعات و پیچیدگی شکل آنها در این نرمافزار نیست. لذا لازم است خودرویشنیدار مدلسازی شده در یکی از نرم افزارهای طراحی کامپیوتری مثل سالیدورک10 را وارد محیط این نرمافزار کرد.
متأسفانه وارد کردن مدل از نرمافزارهای دیگر دو مشکل ایجاد می کند. مشکل اول بالارفتن زمان شبیهسازی است که گاهی تا چند ده برابر هم میشود و مشکل دیگر این است که تنها شکل شماتیک آن وارد محیط نرمافزار می شود و لازم است جرم، ممان اینرسی و بقیه مشخصات دینامیکی برای تک تک قطعات ابتدا تعیین و سپس به نرمافزار داده شود. توضیح فرمت های مختلفی که میتواند پس از مدل سازی در سالیدورک، وارد نرمافزار ادامز شود از نقطه نظر مزایا و ویژگی های هر یک، خارج از موضوع این مقاله است. ولی در اینجا پس از بررسی فرمتهای مختلف و ارزیابی مشکلات ناشی از استفاده هر کدام، از فرمت پاراسالید11 استفاده شده است.
در شکل - 1 - نمایی از خودرویشنیدار مدلسازی شده به نمایش درآمده است. در این شکل، بدنه1 و بازوها2 در محیط سالیدورک و چرخها و شنی3 در محیط ادامز مدلسازی شده است. همانطور که در شکل مشاهده میشود، یک خودرویشنیدار شامل شامل بدنه، تعدادی چرخ جادهای 4، بازوی چرخها، یک چرخدندانه دار5، یک چرخ هرزگرد 6، فنر و دمپر پیچشی و تعداد زیادی کفشک کفشکشنی است. چرخهای جاده ای به بازوی چرخ و بازوی چرخها به بدنه متصل شدهاست. چرخ محرک - چرخدندانهدار - به موتور خودرو متصل است و با اعمال گشتاور از جانب موتور،حلقه شنی را که از اتصال تعداد زیادی کفشک شنی تشکیل شده است، به حرکت در میآورد. کلیه اتصال بین قطعات خودرو از نوع مفصل لولایی7 است.
شکل .1 نمایی کلی از خودرویشنیدار شبیهسازی شده
2.2 تعریف قیود دینامیکی بین اجزا
از جمله مشکلات موجود جهت شبیهسازی این نوع خودرو، زیاد بودن تعداد قیود مفصلی و تماس بین قطعات است که نیازمند صدها کلیک و صرف زمان قابل توجهی است. تماس بین تکتک قطعات شنی با زمین و چرخهای جادهای، تعریف مفصل لولایی بین چرخها با بازو و اتصال آن به بدنه، لحاظ نمودن نیروی اصطکاک و ضرائب مربوط به آن، تعریف نوع نیروی تماسی و تعیین ضرایب سختی و دمپر تماس در بین کلیه قطعات، از آن جمله است
به عنوان نمونه جهت تعریف تماس 84 کفشکشنی با زمین باید حدود پارامتر مختلف یکییکی تعیین شود. از نکات منحصربهفرد در این مدلسازی، با هدف سهولت شبیهسازی خودروهای شنیدار مختلف و به کارگیری موانع مختلف، کدنویسی در محیط نرمافزار ادامز است. به طوریکه تنها با نوشتن 16 خط برنامه، تماس تکتک قطعات شنی با زمین و ضرایب مختلف لازم جهت تعریف تماس بین آنها مشخص شد. این کد پس از نوشتهشدن، لازم است با فرمتcmd× وارد محیط نرمافزار ادامز شود. در شکل - 2 - نمونهای از این کد نشان داده شده است.
شکل .2 کد نوشته شده جهت تعریف تماس قطعات شنی با زمین و تعیین ضرایب مربوط به آن به جای انجام صدها کلیک
