孫曉策，　楊桂玲，　王　超，　王　磊

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

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在爬越臺(tái)階工況下履帶車輛車體的應(yīng)力應(yīng)變分析

孫曉策，楊桂玲，王超，王磊

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

為了方便得到履帶式裝甲車輛爬越臺(tái)階時(shí)車體的應(yīng)力及變形情況，基于RecurDyn和ANSYS，采用模態(tài)綜合法建立包括炮塔、行駛裝置、懸掛裝置和柔性車體等分系統(tǒng)在內(nèi)的整車結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析了車身在受到臺(tái)階沖擊時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，重點(diǎn)得到車身薄弱部位的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)以及變形情況，并結(jié)合仿真結(jié)果提出了改進(jìn)方法 .

履帶式裝甲車輛；車體；有限元；剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)

裝甲車輛的車體是整車非常重要的組成部分，不僅要承受著來自道路載荷及內(nèi)部激勵(lì)的作用，還要具有一定的防護(hù)能力，是一種非常復(fù)雜的承載系統(tǒng)，關(guān)系到整車性能優(yōu)劣.目前履帶式裝甲車輛車體剛強(qiáng)度的分析多采用靜態(tài)方法，計(jì)算過程中將車體承受的載荷看作靜態(tài)，很少考慮動(dòng)態(tài)載荷所產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)車體的影響，導(dǎo)致車體的剛強(qiáng)度計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差.

在車輛動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，許多學(xué)者對(duì)履帶式裝甲車動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究，盧進(jìn)軍等作者使用RecurDyn軟件建立多剛體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)履帶車輛高速轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了仿真和分析[1]；王濤等作者利用ADAMS軟件建立了履帶車輛的平順性虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行了平順性仿真分析[2]；駱清國(guó)等作者對(duì)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)由靜止加速直到勻速行駛階段進(jìn)行了仿真分析，并提取了側(cè)減速器被動(dòng)軸上測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間歷程[3].可以看出，這些研究著重于車輛動(dòng)力學(xué)特性，局限于多剛體動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域，未能考慮變形較大的部件對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能的影響，也未能考慮各工況下重要部件的動(dòng)態(tài)剛強(qiáng)度.

為了克服上述靜態(tài)剛強(qiáng)度分析和多剛體動(dòng)力學(xué)分析的不足，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析的同時(shí)考慮車體的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度，實(shí)現(xiàn)有限元分析和動(dòng)力學(xué)特性分析的統(tǒng)一.本研究建立了包括柔性車體和其它剛性系統(tǒng)的剛?cè)狁詈宪囕v動(dòng)力學(xué)模型，考慮了爬越臺(tái)階工況對(duì)車輛的激勵(lì)，對(duì)整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析；并獲取了車體重要部位的動(dòng)態(tài)應(yīng)力及變形情況，從而避免局部剛強(qiáng)度過高或過低，優(yōu)化了車體結(jié)構(gòu).

1　多體動(dòng)力學(xué)建模

對(duì)于剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，RecurDyn中有兩種建模方法：模態(tài)柔性體和有限元柔性體[4].模態(tài)柔性體描述變形的基本原理是將柔性體視為有限元模型節(jié)點(diǎn)的集合，從而用模態(tài)來表示物體的彈性；有限元柔性體利用柔性體節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位移和相對(duì)旋轉(zhuǎn)來描述變形.模態(tài)柔性體相比有限元柔性體，在很大程度上削減了系統(tǒng)自由度的數(shù)量，因此模態(tài)柔性體的計(jì)算效率非常高.有限元柔性體對(duì)大變形及非線性變形的描述更加準(zhǔn)確.考慮到車體的變形相對(duì)較小及變形非線性程度較低，本研究采用模態(tài)柔性體的建模方法.

為使模型能夠準(zhǔn)確描述整車在爬越臺(tái)階時(shí)車體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和變形，并且使模型具有合適的計(jì)算速度，做了如下的基本假設(shè):

1)在爬越臺(tái)階時(shí)，車體變形較小，載荷只能激發(fā)低階模態(tài)，提取車體的前20階固有模態(tài)(其中前6階表示自由度)，以模態(tài)疊加的方式來計(jì)算車體受力后的響應(yīng)；

2)在ANSYS有限元軟件中，假設(shè)車體有限元模型是各向同性的線彈性材料，車體上的焊縫采用剛性連接進(jìn)行模擬；

3)裝甲車輛內(nèi)部設(shè)備復(fù)雜多樣，本研究主要針對(duì)車體進(jìn)行受力分析，故將車內(nèi)的設(shè)備結(jié)構(gòu)予以簡(jiǎn)化，用簡(jiǎn)單的實(shí)體模型代替復(fù)雜部件；

4)在建模過程中，利用Herz接觸理論對(duì)接觸問題(本研究中有履帶與路面、平衡肘與限制塊兩個(gè)接觸模型)進(jìn)行建模.

1.1車體有限元模型建立

車體部分為整車結(jié)構(gòu)主要承載部件，承受著車輛內(nèi)部各系統(tǒng)和外界各種因素傳遞的載荷，裝甲車輛車體的各部分厚度不均，形狀復(fù)雜，有許多筋、梁、窗、口、大小支座和隔板等，是整車子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分，是整車建模的關(guān)鍵.有限元車體模型應(yīng)在ANSYS中做相應(yīng)的簡(jiǎn)化：由于車體板材的厚度和其它方向上的尺寸相比較小，根據(jù)有限元理論板材采用殼單元SHELL63進(jìn)行模擬，分別設(shè)置各個(gè)殼單元的厚度(即不同板材的厚度)；車體上斷面較小的蓋板以及加強(qiáng)筋、立柱等用梁?jiǎn)卧狟EAM 188模擬.最終建立的車體有限元模型見圖1.

圖1　車體有限元模型

1.2整車結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

整車建模涉及到不同部件之間的連接問題，仿真時(shí)必須對(duì)各種連接加以準(zhǔn)確描述，實(shí)際的物理連接方式一般包括焊接、點(diǎn)焊、鉚接、螺栓連接、鉸鏈，等等.定義的連接方式是否合理，對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算結(jié)果有極大的影響[5].故有限元車身與各剛性分系統(tǒng)之間的連接是重點(diǎn)，其中扭桿是傳遞車身載荷的主要部件，扭桿與車體的連接最為重要.為了更精確地計(jì)算模型的動(dòng)力學(xué)特性，避免過約束問題，柔性車體模型和剛性扭桿的連接采用bushing力單元進(jìn)行模擬.扭桿兩端與車體的連接方式是不同的：在沒有與平衡肘相連的一端，扭桿直接通過安裝附座固定在車體上，所有的自由度都被約束；在與平衡肘相連的一端，扭桿通過軸承安裝在車體上，保留扭桿軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和沿扭桿軸向移動(dòng)的平動(dòng)自由度.因此應(yīng)該對(duì)扭桿兩端的bushing連接單元分別進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置.其它各部件之間或與車體的連接多用旋轉(zhuǎn)副和固定副進(jìn)行模擬.平衡肘與扭桿連接處用扭轉(zhuǎn)彈簧和阻尼等效代替實(shí)際扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼.

車體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了更好地描述車輛的動(dòng)力學(xué)特性，將車體中的各個(gè)部件進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化.由于炮塔模型比較復(fù)雜，所以利用Creo的質(zhì)量屬性計(jì)算功能計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，保證簡(jiǎn)化后的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與原模型相同，并將其導(dǎo)入RecurDyn當(dāng)中.其它質(zhì)量超過200 kg的部件模型，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、減速箱、側(cè)傳動(dòng)等，用具有相同質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的簡(jiǎn)單的實(shí)體模型(如圓球或者正方體)來代替復(fù)雜的部件.質(zhì)量不超過200 kg的模型將其質(zhì)量集中起來，用一個(gè)配重表示.車體施加配重如圖2所示，最終建立完成的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型如圖3所示.

圖2　整車施加配重

圖3　整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

1.3接觸的定義

采用RecurDyn Track(HM)模塊自動(dòng)建立履帶與地面之間及履帶與負(fù)重輪、拖帶輪和誘導(dǎo)輪之間接觸。根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的參數(shù)，履帶與地面之間設(shè)置靜摩擦系數(shù)(FS)為0.7，動(dòng)摩擦系數(shù)(FD)為0.1，粘性阻尼系數(shù)(Viscous Damping)為40.在行動(dòng)系統(tǒng)中，為了防止對(duì)過大沖擊載荷對(duì)扭桿的破壞，必須安裝限位塊來限制平衡肘的過大擺動(dòng).所以還應(yīng)定義各平衡肘與相應(yīng)限制塊的接觸，設(shè)置接觸剛度為10 000，粘性阻尼系數(shù)為10，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，其他設(shè)置為默認(rèn)參數(shù).

2　仿真與分析

仿真工況為車輛爬越0.7 m高的臺(tái)階見圖4.車輛以0.7 m/s速度勻速進(jìn)行，故設(shè)定主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的函數(shù)為STEP(TIME,2,0,5,-128d)，此函數(shù)表示在2 s以前，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速都為0，到5 s的時(shí)候，轉(zhuǎn)速達(dá)128 (°)/s.此時(shí)車輛行駛速度為0.7 m/s。在5 s以后,主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速保持128 (°)/s，車輛以0.7 m/s速度前進(jìn).仿真時(shí)間設(shè)置為20 s，仿真步數(shù)設(shè)置為250步.

圖4　爬越臺(tái)階工況

2.1柔性車體應(yīng)力分析

在完成仿真計(jì)算之后，柔性車體最大Von-Mises等效應(yīng)力發(fā)生在車體左側(cè)第4組扭桿固定端安裝孔的邊緣，如圖5所示，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為16 442.該節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示.

圖5　節(jié)點(diǎn)16 442的位置

圖6　節(jié)點(diǎn)16 442位置應(yīng)力變化曲線

從圖6可看出，開始時(shí)節(jié)點(diǎn)16 442上的應(yīng)力逐漸增加，到4.7 s時(shí)，應(yīng)力達(dá)到約400 MPa，并穩(wěn)定在這一數(shù)值一段時(shí)間.此時(shí)數(shù)據(jù)表明，車輛啟動(dòng)到平衡狀態(tài)并維持穩(wěn)態(tài)行駛.在8.4 s時(shí)，節(jié)點(diǎn)16 442上的應(yīng)力急劇減小到約45 MPa，第4組扭桿通過bushing連接單元傳遞到扭桿安裝孔邊緣節(jié)點(diǎn)上的作用力也急劇減小.表明這時(shí)車輛與臺(tái)階墻發(fā)生撞擊，車體在撞擊反力作用下仰起，前4組負(fù)重輪處于懸空狀態(tài).從12.8 s開始，節(jié)點(diǎn)16 442的應(yīng)力曲線呈現(xiàn)急劇增加趨勢(shì)，這時(shí)第4組負(fù)重輪周邊的履帶開始了攀爬臺(tái)階的過程.當(dāng)時(shí)間達(dá)到15.19 s時(shí)，節(jié)點(diǎn)16 442上的應(yīng)力也達(dá)到整車全時(shí)域的最大值890 MPa，這一工況是車輛一種極端工況，且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng).隨后便逐漸減小，當(dāng)車輛恢復(fù)正常行駛狀態(tài)后，節(jié)點(diǎn)16 442上的應(yīng)力也恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的400 MPa.

從以上數(shù)據(jù)可知，車輛在爬越臺(tái)階時(shí)所受的沖擊載荷很大，車體上產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而對(duì)車體結(jié)構(gòu)造成傷害.所以負(fù)重輪處應(yīng)安裝減振緩沖裝置，從而減小沖擊載荷對(duì)車體及其它裝置的損壞.

2.2柔性車體變形分析

車體的變形量是重要的控制參數(shù).柔性車體發(fā)生最大變形的區(qū)域位于駕駛艙艙門與炮塔之間，其中編號(hào)為32 369的節(jié)點(diǎn)變形量最大，變形量隨時(shí)間變化的曲線見圖7.當(dāng)車輛在水平路面上正常行駛時(shí)，駕駛艙艙門后部由于炮塔及其它部件的作用力作用有約4 mm的變形.在8.4 s時(shí)，車輛與臺(tái)階墻發(fā)生撞擊，車體在撞擊反力的作用下發(fā)生變形，節(jié)點(diǎn)32 369處的瞬時(shí)變形量達(dá)到整個(gè)車體全時(shí)域的最大值8.0 mm，相當(dāng)于在原有變形基礎(chǔ)上產(chǎn)生了約4 mm的變形.

圖7　節(jié)點(diǎn)32 369變形隨時(shí)間變化曲線

此外，車體上還有兩個(gè)變形較大的區(qū)域，一個(gè)是車首的首下斜面板，另外一個(gè)是車體后部乘員艙的兩個(gè)頂門開口之間區(qū)域.由于首下斜面板是一整塊面積較大的鋼板，內(nèi)部沒有加強(qiáng)橫筋，當(dāng)車體遭受沖擊時(shí)，該位置就容易發(fā)生變形.況且首下斜面板上還有兩根豎筋與首上斜面板相連，首上斜面板的局部變形，很容易通過豎筋傳遞到首下斜面板.當(dāng)車輛與臺(tái)階發(fā)生碰撞時(shí)(在8.4 s)，車輛首下斜面板的變形量達(dá)到3.5 mm.在正常行駛狀態(tài)下，

車體后部?jī)蓚€(gè)頂艙門開口之間的區(qū)域有2 mm左右的變形，當(dāng)車輛撞擊臺(tái)階時(shí)，變形量達(dá)到4 mm左右，相當(dāng)于在原有變形基礎(chǔ)上增加了2 mm的變形.

由車體變形量分布及其變化曲線可知，應(yīng)該在車體局部剛度較弱部位例如駕駛艙艙門與炮塔之間區(qū)域、首下斜甲板等處安裝加強(qiáng)筋，并和其他加強(qiáng)筋連接成完整的輪廓.這樣改進(jìn)能夠顯著增加車體局部位置的剛度，減小局部變形，從而有效避免車體局部變形過大而導(dǎo)致的疲勞破壞和運(yùn)動(dòng)損傷.

3　結(jié)　論

采用了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)的建模方法，對(duì)履帶車輛在通過臺(tái)階障礙工況下進(jìn)行了仿真，獲取了車體的應(yīng)力及變形情況.結(jié)果表明：在整個(gè)仿真過程中，車體左側(cè)第4組扭桿固定端區(qū)域的應(yīng)力最大；駕駛艙門與炮塔之間的區(qū)域變形最大，首下斜面板和乘員艙兩個(gè)頂門開口之間區(qū)域發(fā)生較大變形.針對(duì)變形較大的剛度薄弱區(qū)域，如駕駛艙門與炮塔之間，應(yīng)采取安裝加強(qiáng)筋的方式進(jìn)行改進(jìn)，以增加其剛度，減小其變形.

[1]盧進(jìn)軍，魏來生，趙韜碩. 基于RecurDyn的履帶車輛啟動(dòng)加速過程滑轉(zhuǎn)率仿真與試驗(yàn)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2009，30(10)：1281-1286.

[2]陳兵，黃華，顧亮.基于多體動(dòng)力學(xué)理論的履帶車輛懸掛特性仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(10)：2545-2563.

[3]駱清國(guó)，司東亞，龔正波，等. 基于RecurDyn的履帶車輛動(dòng)力學(xué)仿真[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2011，(4)：26-50.

[4]劉義. RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)應(yīng)用與提高[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5]陸佑方. 柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1996.

Stress and Deformation Analysis of Tracked Vehicle Body underthe Working Conditions of Climbing Step

SUN Xiao-ce，YANG Gui-ling，WANG Chao，WANG Lei

(China North Vehicle Research institute，Beijing 100072，China)

The purpose of research is to obtain the stress and deformation situation of the tracked armored vehicle body under the working condition of climbing step. Based on RecurDyn and ANSYS，the Modal Synthesis Method was used to establish the rigid-flexible coupling model of the vehicle including the body，turret，driving and suspension subsystems. The analysis simulated the dynamic characteristics of the vehicle，and the transient response of the vehicle structure was analyzed.The dynamic stress and deformation of the key parts are obtained，and the improved scheme was proposed based on the simulation results.

tracked armored vehicle；body；rigid-flexible coupling dynamics；finite element method

1009-4687(2016)03-0033-04

2016-06-23.

孫曉策(1991-),男,碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法.

TJ81+0.2；TP391.77

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