Modelling, simulation and analysis of multi-wheeled military vehicles
2024 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Modellering, analys och simulering av flerhjuliga militärfordon (Swedish)
Abstract [en]
Mobility and crew comfort are crucial for military all-terrain vehicles as they must traverse various terrain sections tactically and safely to accomplish their missions. One way to increase vehicle mobility and comfort in heavy vehicles is to incorporate more steering systems to ensure better handling and stability and add additional wheel axles to reduce the impact of uneven roads. To investigate these types of subjects on a multi-wheeled vehicle, virtual modelling can be beneficial as it is more time and resource-efficient. However, limited data on military multi-wheeled vehicles present a significant challenge in accurately recreating vehicle behaviour in a virtual environment, necessitating simplifications in the vehicle models.
To explore these types of multi-wheeled vehicles in this thesis, a 6-wheeled and an 8-wheeled vehicle are modelled and simulated in the multi-body dynamics program Project Chrono. The aim is to obtain overall muti-wheeled vehicle behaviour, focusing on mobility and comfort. A 4-wheeled model of the FED-A (Fuel Efficiency Demonstrator-Alpha) vehicle is initially created and successfully validated against available experimental data. Various configurations of wheel suspension, including linear springs and linear or non-linear dampers, were considered to further investigate the different levels of simplifications of the FED-A model. The multi-wheeled models were generated by adding one or two-wheel axles to the 4-wheeled FED-A model. These models incorporate steering on either one or two axles, propulsion on all wheels or the last four wheels, various axle distances, and centre of gravity positions to evaluate mobility and comfort. The simulation results were analysed and compared to other vehicle data and simulation results for multi-wheeled vehicles found in published reports and articles.
The results showed that representative vehicle behaviour can be replicated by simplifying the suspension, with non-linear dampers yielding more desirable vertical behaviour. However, further fine-tuning of the vehicle model is necessary to achieve realistic vertical results. Finally, by adding wheel axles to a 4-wheeled model, desired vehicle behaviour can be recreated for multi-wheeled vehicles. However, the results must be appropriately verified to draw definitive conclusions about whether the vehicle's behaviour is entirely reasonable. During the work, the equations of motion for two simplified rigid-body dynamic models (one for simulating comfort and one for simulating handling and manoeuvrability) have been derived which can be used in future work.
Abstract [sv]
Mobilitet och åkkomfort är av stor vikt för militära terrängfordon då de måste korsa terräng på ett taktiskt och säkert sätt för att fullfölja sitt uppdrag. Ett sätt att öka tunga fordons mobilitet och komfort är att tillämpa fler styrsystem för att förbättra hantering och stabilitet och lägga till ytterligare hjulaxlar för att minska påverkan av ojämna vägunderlag. För att undersöka dessa typer av ämnen på ett flerhjuligt fordon kan virtuell modellering vara fördelaktigt eftersom det är mer tids- och resurseffektivt. Dock innebär den begränsade tillgången till data om militära flerhjuliga fordon en betydande utmaning när det gäller att korrekt återskapa fordonsbeteende i en virtuell miljö, vilket gör att förenklingar i fordonsmodellerna krävs.
För att utforska dessa typer av flerhjuliga fordon, modelleras och simuleras i detta examensarbete ett 6-hjuligt och ett 8-hjuligt fordon i flerkroppsdynamik programmet Project Chrono. Syftet med arbetet är att återskapa övergripande fordonsbeteende hos ett multihjulsfordon, med fokus på mobilitet och komfort. En 4-hjulig modell av fordonet FED-A (Fuel Efficiency Demonstrator-Alpha) skapas initialt och validerades framgångsrikt mot tillgängliga experimentella data. Olika konfigurationer av hjulupphängning, inklusive linjära fjädrar samt linjära alternativt icke-linjära dämpare, implementerades för att undersöka olika nivåer av förenklingar hos FED-A-modellen. Flerhjulsmodellerna genererades genom att antingen lägga till en eller två hjulaxlar till den 4-hjuliga FED-A-modellen. Dessa modeller inkluderar styrning på en eller två axlar, framdrivning på alla hjul eller de sista fyra hjulen, olika axelavstånd och tyngdpunktspositioner för att utvärdera mobilitet och komfort. Simuleringsresultaten analyserades och jämfördes med fordonsdata och simuleringsresultat för flerhjuliga fordon från publicerade rapporter och artiklar.
Resultatet visade på att med en förenkling av hjulupphängningen kan representativt fordonsbeteende återskapas, där icke-linjära dämpare gav mer önskvärt vertikalt beteende. Dock för att uppnå ett mer realistiskt vertikalt rörelseresultat behöver fordonsmodellen finjusteras. Slutligen, genom att addera hjulaxlar till en 4-hjulig modell, kan representativt fordonsbeteende återskapas för ett multi-hjulsfordon. Resultaten behöver dock ordentligt verifieras för att kunna dra definitiva slutsatser om fordonsbeteendet är helt rimligt. Under arbetets gång har rörelseekvationerna för två förenklade stelkroppsdynamiska modeller (en för att simulera komfort och en för att simulera hantering och manövrerbarhet) tagits fram som kan användas i framtida arbete.
Place, publisher, year, edition, pages
2024.
Series
TRITA-SCI-GRU ; 2024:267
Keywords [en]
Military all-terrain vehicles, Vehicle mobility, Vehicle comfort, Multi-wheeled vehicles, Multi-body dynamics simulation, Project Chrono
Keywords [sv]
Militära terrängfordon, Fordonsmobilitet, Fordonskomfort, Flerhjuliga fordon, Flerkroppsdynamik simulering, Project Chrono
National Category
Vehicle and Aerospace Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-353869OAI: oai:DiVA.org:kth-353869DiVA, id: diva2:1900908
External cooperation
Totalförsvarets Forskningsinstitut (FOI)
Subject / course
Vehicle Engineering
Educational program
Master of Science in Engineering - Vehicle Engineering
Supervisors
Examiners
2024-09-252024-09-252025-02-14Bibliographically approved