基于 CATIA 的某重型車(chē)登機(jī)問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)仿真

摘 要：采用 Catia 軟件對(duì)某重型車(chē)、飛機(jī)艙、過(guò)橋板等進(jìn)行參數(shù)化建模，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真模擬重型車(chē)登機(jī)的全過(guò)程，以此來(lái)判斷重型車(chē)能否完成登機(jī)。分析結(jié)果表明：重型車(chē)在登機(jī)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)車(chē)尾和地面干涉、車(chē)頭和過(guò)橋板干涉、車(chē)頭和機(jī)艙頂干涉。在對(duì)登機(jī)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案中，減小飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角能夠有效解決干涉，使重型車(chē)可以順利登機(jī)。該研究可為設(shè)計(jì)人員規(guī)劃新品重載車(chē)型登機(jī)的機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋幾何參數(shù)時(shí)提供參考。

 

隨著車(chē)輛制造業(yè)的快速發(fā)展，用于運(yùn)輸?shù)闹匦蛙?chē)數(shù)量逐年增加。重型車(chē)可通過(guò)公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸，公路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸時(shí)，整車(chē)容易滿(mǎn)足運(yùn)輸要求。對(duì)于航空運(yùn)輸，由于重型車(chē)高度和整車(chē)長(zhǎng)度都較大，因此重型車(chē)存在較大的登機(jī)問(wèn)題。

在某些情況下，需要將重型車(chē)快速運(yùn)送至指定地點(diǎn)，在此情況下航空運(yùn)輸成為了運(yùn)輸重型車(chē)的首選方式，但由于航空運(yùn)輸機(jī)空間有限，以及飛機(jī)自帶過(guò)橋板長(zhǎng)度有限，因此，重型車(chē)登機(jī)需要配備機(jī)場(chǎng)過(guò)橋板。本文采用達(dá)索公司的 Catia軟件對(duì)某重型車(chē)、飛機(jī)艙、過(guò)橋板等進(jìn)行參數(shù)化建模，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真模擬重型車(chē)登機(jī)的全過(guò)程，以此來(lái)判斷重型車(chē)能否完成登機(jī)并對(duì)機(jī)場(chǎng)過(guò)橋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文以某重型車(chē)為研究對(duì)象，首先建立其三維模型。重型車(chē)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為 11810mm×2500 mm×3100 mm，其模型如圖 1 所示。

圖 1 重型車(chē)模型示意圖

運(yùn)輸機(jī)選取我國(guó)最大的航空運(yùn)輸機(jī)伊爾-76 運(yùn)輸機(jī)，其截面尺寸如圖 2 所示，飛機(jī)自帶過(guò)橋板長(zhǎng)度為4940mm，簡(jiǎn)化后的飛機(jī)艙和飛機(jī)自帶過(guò)橋板模型如圖 3 所示。

圖 2 運(yùn)輸機(jī)截面尺寸示意圖

圖 3 飛機(jī)簡(jiǎn)化模型示意圖

機(jī)場(chǎng)過(guò)橋板根據(jù)飛機(jī)自帶過(guò)橋板尺寸和角度自行設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)飛機(jī)自帶過(guò)橋板和機(jī)場(chǎng)過(guò)橋板仰角均為 14°，以此建立的整個(gè)重型車(chē)登機(jī)模型如圖 4 所示。

圖 4 重型車(chē)登機(jī)模型示意圖

2 運(yùn)動(dòng)仿真與通過(guò)性校核

重型車(chē)登機(jī)模型整體裝配完成后，進(jìn)入 Catia 的 DMU 運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行登機(jī)模擬。整個(gè)機(jī)械裝置中機(jī)場(chǎng)過(guò)橋板固定并與飛機(jī)剛性接合，重型車(chē)輪胎與地面和過(guò)橋板滾動(dòng)曲線接合，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持輪胎與地面的接觸。輪胎與車(chē)軸之間保持旋轉(zhuǎn)接合，輪胎側(cè)面與過(guò)橋板側(cè)面保持平面接合。設(shè)置輪胎滾動(dòng)距離為整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真后重型車(chē)按給定運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)到飛機(jī)艙內(nèi)，運(yùn)動(dòng)后模型如圖 5 所示。

圖 5 重型車(chē)登機(jī)后模型示意圖

在整個(gè)重型車(chē)登機(jī)過(guò)程中，重型車(chē)前輪旋轉(zhuǎn)角度如圖 6 所示，滾動(dòng)距離如圖 7 所示。

圖 6 前輪滾動(dòng)角度示意圖 

圖 7 前輪滾動(dòng)距離示意圖

在過(guò)橋板角度為 14°的情況下，重型車(chē)在登機(jī)過(guò)程中共 出現(xiàn)三處干涉，分別為車(chē)尾和地面干涉、車(chē)頭和過(guò)橋板干涉、車(chē)頭和機(jī)艙頂干涉。車(chē)尾和地面干涉原因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)過(guò)橋板角度偏大，使得重型車(chē)在爬坡時(shí)尾部下降與地面接觸，車(chē)頭和過(guò)橋板干涉原因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)過(guò)橋板角度偏大，使得重型車(chē)由地面靠近過(guò)橋板時(shí)車(chē)頭與過(guò)橋板接觸，車(chē)頭和機(jī)艙頂干涉原因?yàn)檐?chē)頭高度比機(jī)艙高度小100mm，由于過(guò)橋板角度偏大，使得重型車(chē)在進(jìn)入機(jī)艙時(shí)車(chē)頭與機(jī)艙頂接觸。具體三處干涉如圖 8所示。

（a）車(chē)頭和過(guò)橋板干涉

（b）車(chē)尾和地面干涉

（c）車(chē)頭和機(jī)艙頂干涉

圖 8 干涉示意圖

由上述結(jié)果可得，目前重型車(chē)無(wú)法安全登機(jī)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。飛機(jī)艙尺寸固定不可修改，為了不改變重型車(chē)形狀和尺寸，只能對(duì)登機(jī)橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

 

由上一節(jié)可知，登機(jī)橋仰角偏大是造成上述三處干涉的重要原因，在實(shí)際情況中，飛機(jī)自帶登機(jī)橋長(zhǎng)度不可更改，機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋?yàn)樽孕性O(shè)計(jì)，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化采取修改飛機(jī)自帶登機(jī)橋仰角和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋的長(zhǎng)度和仰角的方案。首先將飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角均減少為12°，機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋長(zhǎng)度根據(jù)角度自適應(yīng)增長(zhǎng)。修改模型參數(shù)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車(chē)頭和過(guò)橋板干涉、車(chē)頭和機(jī)艙頂干涉均得到解決，車(chē)尾和地面干涉并沒(méi)有解決，但是干涉程度減小。具體結(jié)果如圖 9 所示。

（a）車(chē)頭和過(guò)橋板未干涉

（b）車(chē)尾和地面干涉

（c）車(chē)頭和機(jī)艙頂未干涉

圖 9 修改仰角后干涉示意圖

由上圖可得，減少飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角能夠有效消除重型車(chē)登機(jī)過(guò)程中的干涉，但由于車(chē)尾和地面干涉較為嚴(yán)重，因此需進(jìn)一步減小仰角，將仰角減小為 10°和8°，修改模型參數(shù)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果如圖 10、圖 11 所示。

圖 10 10°仰角車(chē)尾和地面干涉 

圖 11 8°仰角車(chē)尾和地面未干涉

飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角的四個(gè)結(jié)果如表 1 所示。

表 1 重型車(chē)登機(jī)結(jié)果

因此，當(dāng)飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角為 8°時(shí)，重型車(chē)可以順利登機(jī)。

重型車(chē)登機(jī)過(guò)程可能存在車(chē)尾和地面干涉、車(chē)頭和過(guò)橋板干涉、車(chē)頭和機(jī)艙頂干涉的問(wèn)題，減小飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角能夠有效解決干涉，在本文重型車(chē)登機(jī)模擬中，當(dāng)飛機(jī)自帶登機(jī)橋和機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋仰角為 8°時(shí)，重型車(chē)可以順利登機(jī)。

本文介紹的基于 CATIA 的簡(jiǎn)易模型僅利用簡(jiǎn)單的重型車(chē)和飛機(jī)參數(shù)就能夠快速仿真重型車(chē)登機(jī)問(wèn)題，并判斷重型車(chē)是否可以順利登機(jī)，可為設(shè)計(jì)人員規(guī)劃新品重型車(chē)型登機(jī)的機(jī)場(chǎng)登機(jī)橋幾何參數(shù)時(shí)提供參考。