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不沉性条件下的两汉车出、入水角分析 两侧车辆是具有地面航行能力和地面航行能力的车辆。之所以具有这种两栖能力, 主要得益于其在水路交界处出水登陆和离开陆地驶入水中的独特通过性能。衡量两栖车出水和入水的通过性指标, 是两栖车在满载质量下对规定的坡岸安全出水或入水的最大角度, 即最大出水角和入水角。如果车辆在大角度坡岸入水, 车首将没入水中, 与此相反, 当车辆从较大角度坡岸出水, 车尾将被淹没。研究两栖车最大出、入水角, 对保证两栖车安全行驶具有重要意义。本文在分析两栖车不沉性条件的基础上作出适当假设, 提出了最大出、入水角的计算方法, 可为两栖车选择合适的入水和登陆地点提供依据。 1 水陆车辆输入和输出的分析 1.1 车辆入水效果分析 如图1所示, 当车辆驶入水中时, 车首部分先浸入水中并受到浮力作用, 随着车辆前行, 车首开始浮起, 坡面对前轮的支撑力Fn1以及前轮的驱动力Ft1首先消失, 一段时间后坡面对后轮的支撑力Fn2以及后轮的驱动力Ft2消失, 车辆完全浮于水上。若在此过程中, 车首的淹没程度始终未至危险点S1(此点以上属于不密封部分) , 那么车辆入水成功。 将车辆所受重力G对后轮与地面的接触点K2取矩称为重力力矩, 将浮力Q对K2点取矩称为浮力力矩。根据重力力矩和浮力力矩的关系, 可将入水过程分为2个阶段。在入水第1阶段, 重力力矩始终大于浮力力矩, 车辆还没有开始绕K2点转动, 前后轮都承受着坡面的支撑力。由于入水过程中车速均匀缓慢, 故忽略水阻力Fw。进入第2阶段后, 重力力矩开始小于浮力力矩, 车首浮起, 车辆开始绕K2点转动。 通过对车辆入水的2个阶段的分析, 可知车辆入水的不沉性条件为车辆从入水的第1阶段进入到第2阶段的一瞬间, 车首的淹没程度尚未达到危险点S1。在2个阶段转换时刻对后轮与地面接触点K2取矩得 式中:Lq为浮心与K2的距离;Lg为车辆质心与K2的距离;Q为车辆所受浮力;G为车辆重力;Zq为浮心与地面距离;Zg为车辆质心与地面距离。其中:浮力力矩为 重力力矩为 分析上式可知, 当车辆入水埋首到达危险点S1, 且Mq=Mg时, 求得α即为最大入水角。 1.2 车辆出水过程中的不沉性条件 车辆出水过程可视为入水的逆过程, 与车辆入水一样, 出水过程也可分为2个阶段。出水过程的第1阶段开始于前轮接触坡岸, 由于动能作用, 车首上扬并露出水面, 而车尾逐渐浸入水中, 引起浮力的变化;第2阶段是车辆负重完全坐落到坡道后的上坡运动。图2为车辆出水过程受力情况。 通过对车辆出水的2个阶段的分析可知, 车辆出水的不沉性条件为车辆从出水的第1阶段进入到第2阶段的一瞬间, 车尾的淹没程度尚未达到危险点S2(此点以上属于不密封部分) 。在2个阶段转换时刻对前轮与地面接触点K1取矩得 式中:Lq为浮心与K1的距离;L为轴距;L-Lg为车辆质心与K1的距离;P为水上推进系统的推力;Fw为车首所受水阻力;h1为车尾推进器推力作用中心离地高度;h2为车首水阻力作用中心离地高度。 为了便于计算, 在确定车辆出水性能时可假设Fwh2=Ph1, 则 浮力力矩为 重力力矩为 通过分析可知, 当车辆出水车尾淹没到达危险点S2, 且Mq=Mg时, 求得α即为最大出水角。 2 模型求解方法 本文研究的水陆两栖车基本参数见表1。 两栖车的出、入水角不同, 水淹没至危险点时的浮力大小与浮心位置就不相同。求出浮力大小和浮心位置是确定最大出、入水角的前提。本文首先利用Solidworks对研究的两栖车建立三维模型 (如图3所示) , 以两栖车的基平面、中纵剖面和中横剖面的交点为原点建立坐标系, 设x轴方向为纵向, y方向为垂向, 然后结合其丰富的API函数, 利用VB进行二次开发, 编写计算浮力和浮心的程序。 在计算浮心、浮力与出、入水角变化关系时主要调用了以下3个API函数:切除函数Feature Cut () 、获取体积函数Volume () 和获取质心函数Center Of Mass ()。首先在已建立的车辆三维模型上添加一个拉伸切除函数, 切除水面上部的车辆模型, 然后将该模型与VB连接, 在VB中修改通过危险点拉伸面的切除角度。假设水平面在出、入水时分别过S2、S1两危险点, 故可令车辆静止不动, 使水平面绕危险点转动, 在VB中修改切除特征的旋转角度, 根据实际可知坡岸角度可在0°~90°之间。使用一个For Next循环, 在每一次循环过程中调用Volume () 函数和Center Of Mass () 函数, 求得切除后剩余体积大小和浮心位置, 将得到的数据写入到一个txt文件中。其算法流程如图4所示。 用Matlab调用txt文件中获取体积函数Volume () 数据, 绘制两栖车入水角和出水角与排水量的关系曲线 (如图