肖 攀，鄭國峰，林 鑫

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

車載榴彈炮將牽引火炮的回轉(zhuǎn)部分與輪式軍用車輛有機地結(jié)合起來，構(gòu)成一種具有火力反應(yīng)快速，射擊精度高，行軍與戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)換時間短，機動能力和動態(tài)快速打擊能力較強等特點的作戰(zhàn)裝備[1]。由于作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜，車載榴彈炮的疲勞耐久性能是需要重點考查的性能之一，需分別考慮其在越野路面行駛工況，以及不同射向與射角的射擊工況下的疲勞壽命。

對重型車在行駛工況下的疲勞壽命研究，國內(nèi)外較典型的研究有：白素強等[2]通過采集牽引車輪心六分力信號，結(jié)合所搭建的整車多體動力學(xué)模型，提取車架在比利時路面工況上疲勞載荷，借助nCode疲勞仿真軟件，實現(xiàn)對車架的疲勞壽命仿真分析。張壽元等[3]通過靜態(tài)剛強度/模態(tài)分析，找出了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷與實際開裂位置吻合，通過模態(tài)頻率靈敏度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決了車架開裂問題并同時達到輕量化的效果。唐華平等[4]通過有限元靜力學(xué)分析找到某重型自卸車車架關(guān)鍵部位的薄弱點，通過多體動力學(xué)模型提取不同工況下疲勞載荷，借助MSC. Fatigue軟件實現(xiàn)了車架的全壽命分析。Wannenburg等[5]通過損傷等效的原則，采用與隨機載荷等效的準靜態(tài)載荷，實現(xiàn)了某鏟車與牽引車車架結(jié)構(gòu)駕駛工況下的疲勞壽命仿真分析。對駕駛工況下的疲勞壽命分析方法已基本能解決重型車疲勞耐久性問題，但對基于重型車改裝的榴彈炮車射擊工況的研究，國內(nèi)外的研究均集中在射擊后車架的響應(yīng)分析上[1,6]，鮮有對加裝火炮系統(tǒng)后的炮車車架在射擊工況下的疲勞壽命分析的研究。

筆者基于車載榴彈炮真實載荷，進行不同姿態(tài)射擊工況下底盤系統(tǒng)的疲勞分析。通過采集不同姿態(tài)且不同射向與射角下的輪心六分力，以及3個駐鋤軸向力信號，搭建炮車多體動力學(xué)模型，通過載荷迭代/分解技術(shù)，獲取車架各硬點在射擊工況下的時域信號，結(jié)合瞬態(tài)響應(yīng)的模態(tài)疊加法，實現(xiàn)車架的疲勞壽命仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果，對車架結(jié)構(gòu)進行加強處理，并對強化前后的結(jié)構(gòu)進行試驗驗證。結(jié)果表明：射擊工況的疲勞仿真可以反映車架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，通過對車架進行加強，薄弱點處的應(yīng)力在試驗前后有明顯降低，疲勞仿真結(jié)果進一步驗證了射擊工況下強化后的車架壽命有顯著提高。

1 車載榴彈炮射擊工況載荷采集

1.1 車載榴彈炮結(jié)構(gòu)

某車載榴彈炮是在新型軍用越野汽車底盤上進行綜合改進而設(shè)計的[1]。主要包含火炮的回轉(zhuǎn)部分，固定火炮的下架總成，安裝整個上裝的汽車車架，以及在射擊狀態(tài)下將整個車支撐起來的左、右駐鋤和后支撐[7]。

為提高射擊的精度，車載榴彈炮在射擊時，需要通過左、右駐鋤以及后支撐將整個上裝及汽車底盤支撐起來。但由于懸架具有彈性，輪胎并不能完全離地而是與地面有接觸。因此火炮在不同的射向與射角射擊后，后坐力將通過下架總成傳遞到車架，然后再分別通過駐鋤和輪胎傳遞到地面上。

在實際作戰(zhàn)或演訓(xùn)時，火炮多次連續(xù)射擊使用。根據(jù)車載榴彈炮的結(jié)構(gòu)特點可知，車架反復(fù)承受了來自火炮系統(tǒng)的循環(huán)沖擊大載荷，容易發(fā)生疲勞失效，需要對其疲勞耐久性能進行嚴格的驗證。通過射擊試驗去驗證車架的疲勞壽命，將耗費大量的時間和資源。借鑒乘用車上對車架結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能的分析方法，通過試驗結(jié)合仿真的方法驗證車載榴彈炮車架的耐久性能[2]。

1.2 車載榴彈炮載荷采集

根據(jù)車載榴彈炮載荷傳遞特點，基于多體動力學(xué)載荷迭代/分解的需求，確定載荷采集信號主要有：輪心六分力信號、輪心三向加速度信號、車架三向加速度信號、輪端跳動位移信號、車架應(yīng)變信號和駐鋤軸向力信號。

利用eDAQ數(shù)采系統(tǒng)進行載荷譜信號的采集，為捕捉射擊峰值信息，將采樣頻率設(shè)置為10 kHz.

1.3 車載榴彈炮載荷采集工況

車載榴彈炮在實際訓(xùn)練或作戰(zhàn)時，當炮位選定以后，為定位射擊目標，通常會選擇不同的射向或射角進行射擊。根據(jù)用戶實際使用情況統(tǒng)計，選擇常用的射向與射角進行射擊試驗。炮位一般選定土質(zhì)較硬且平坦的地方，但實際訓(xùn)練或作戰(zhàn)時，會遇到土質(zhì)疏松的情況，在這種炮位下射擊，將導(dǎo)致左側(cè)或右側(cè)駐鋤處于虛支撐的狀態(tài)。為了模擬用戶實際使用情況，對射擊工況及射擊狀態(tài)的選擇如表1所示。

表1 射擊工況的射角和射向

其中正常支撐狀態(tài)，即液壓系統(tǒng)完全支撐到位狀態(tài)，稱為全支撐。為模擬液壓系統(tǒng)支撐不到位狀態(tài)，分別對駐鋤的支撐情況進行調(diào)整：

1)左側(cè)駐鋤進行部分收回，后支撐不收回，稱為左側(cè)虛支撐。

2)左側(cè)與右側(cè)駐鋤同時進行部分收回，后支撐不收回，稱為全虛支撐。

1.4 載荷采集結(jié)果

根據(jù)所選擇的射擊工況及駐鋤的支撐狀態(tài)，傳感器采集得到信號。對信號進行100 Hz濾波和去毛刺處理后，傳感器處的信號如圖1所示。圖中曲線分別表示在工況1～ 5時的信號采集結(jié)果。

根據(jù)圖1所示的采集信號，可得到以下結(jié)論：

1)火炮射擊后，載荷通過下架總成傳遞到車架，進而通過輪胎和駐鋤傳遞到地面，車架上的信號可以反映火炮沖擊過程的持續(xù)時間。因此根據(jù)圖2(d)車架上Fz向加速度信號和圖2(e)車架應(yīng)變信號中第1個沖擊響應(yīng)的時間，可以判斷火炮沖擊載荷的持續(xù)時間為0.20～0.25 s.

2)所有傳感器采集到的信號均為受到火炮沖擊載荷后的響應(yīng)，但響應(yīng)的時間不盡相同，如表2所示。

表2 傳感器采集的信號響應(yīng)時間

根據(jù)表2可知，信號響應(yīng)的時間除了與載荷傳遞路徑相關(guān)，還與采集的傳感器的特性相關(guān)。

基于應(yīng)變片采集到的車架應(yīng)變信號和駐鋤軸向力信號響應(yīng)時間為2 s，基于應(yīng)變式六分力傳感器采集信號的響應(yīng)時間同樣為2 s，較壓電式加速度傳感器采集的車架加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)時間長1 s.而采集的輪心加速度響應(yīng)時間比車架加速度響應(yīng)時間長0.5 s，主要是因為車架載荷經(jīng)過彈性懸架系統(tǒng)傳遞到軸頭，使得響應(yīng)時間更長。

3)除輪胎六分力初始狀態(tài)不為0以外，其他傳感器采集信號初始均做了清零處理，因此初始數(shù)值都為0.除加速度信號以外，其他傳感器受到?jīng)_擊載荷后，均無法歸零。

根據(jù)圖2(a)和圖2(f)可知，經(jīng)過0°射向、0°射角射擊后，輪胎的預(yù)載變大，而駐鋤受到-8 kN的壓縮載荷，說明經(jīng)過該工況射擊后，原本支撐整車的駐鋤的有效支撐高度變低，使得輪胎與地面接觸受到更大的力作用。根據(jù)圖2(c)，經(jīng)過射擊后車架相對車輪有5 mm的相對位移，進一步驗證了駐鋤的有效支撐高度變低的結(jié)論。

根據(jù)圖2(a)，在除0°射向、0°射角以外的其他射擊工況下，輪端六分力信號均能回到初始預(yù)載位置，主要原因是其他工況均為虛支撐狀態(tài)，輪胎已經(jīng)充分與地面接觸。

2 基于真實載荷的車架疲勞仿真

為獲取車架在每種射擊工況下的疲勞壽命分布，需要通過整車多體動力學(xué)模型，以采集的載荷作為輸入，通過迭代的方式提取車架所受到的時域載荷。利用模態(tài)疊加法對車架進行動態(tài)響應(yīng)分析，結(jié)合所提取的時域信號，獲得車架在每種射擊工況下的損傷分布。

2.1 基于多體動力學(xué)的車架載荷提取

準確輸入模型的硬點，子系統(tǒng)質(zhì)心、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等信息，搭建的榴彈炮車多體動力學(xué)模型，結(jié)合采集到的射擊工況輪胎及駐鋤的信號，通過迭代技術(shù)提取車架所有接口點的載荷，該載荷為火炮發(fā)射后火炮后坐阻力傳遞到車架上的作用載荷，多次作用后將造成車架的疲勞損傷。榴彈炮車車架載荷分解過程如圖2所示，迭代過程的理論基礎(chǔ)參考文獻[8]。

2.2 車架疲勞仿真分析及結(jié)果

考察車架在射擊工況下的疲勞性能。射擊為瞬態(tài)沖擊工況，需采用模態(tài)疊加法對車架進行響應(yīng)分析[9]，再結(jié)合所提取的車架硬點處的時域信號，將時域信號施加到對應(yīng)車架硬點處，獲取車架應(yīng)力/應(yīng)變時間歷程，通過對應(yīng)力/應(yīng)變時間歷程進行雨流計數(shù)，結(jié)合車架材料S-N曲線，可獲取車架疲勞壽命分布，理論過程見參考文獻[10]。

車架材料為B510L，鋼板彈簧支架材料為ZG270-500，駕駛室襯套支架材料為QT450，后輪軸材料為40Cr，車架材料的S-N曲線如圖3所示。

利用各種射擊工況計算得到的載荷進行疲勞分析，可獲取車架的疲勞損傷分布，其中車架縱梁與第2橫梁搭接處有損傷峰值出現(xiàn)，為車架的疲勞風險點。以工況1(0°射向，0°射角，全支撐)情況為例，損傷分布情況如圖4所示。

根據(jù)圖4，車架縱梁與第2橫梁通過鉚釘實現(xiàn)連接，在較大載荷作用時左側(cè)與右側(cè)車架均有應(yīng)力集中出現(xiàn)，在火炮后坐阻力的循環(huán)作用下該處易發(fā)生疲勞失效，其中左側(cè)與右側(cè)車架風險點出的損傷值統(tǒng)計如表3所示。

表3 射擊工況的車架風險點損傷值及疲勞壽命

根據(jù)Miner線性損傷累積法則，車架所能承受的累積射擊次數(shù)Nf為

Nf=1/D.

(1)

根據(jù)式(1)計算得到的各工況下風險點對應(yīng)的射擊次數(shù)計算結(jié)果，如表3所示。根據(jù)表3可知，由于不同的射向與射角以及支撐狀態(tài)下，炮車底盤的受力情況完全不同，因此仿真計算出的損傷的壽命有較大的差異。

風險點處最大損傷出現(xiàn)在工況2(0°射向，20°射角，虛支撐)情況下，左側(cè)損傷達到1.56×10-2.根據(jù)式(1)可知，單以0°射向，20°射角，虛支撐進行射擊，車架經(jīng)過65次射擊將發(fā)生疲勞失效。而實際射擊過程中，炮車是以不同的射擊姿態(tài)進行，且無法完全保證炮位的支撐狀態(tài)，因此實際壽命將高于65次。

該風險點的出現(xiàn)，給車載榴彈炮帶來了疲勞失效的風險，有必要對車架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以提高其在各種姿態(tài)射擊工況下的疲勞壽命。

3 車架結(jié)構(gòu)強化處理及試驗驗證

3.1 車架結(jié)構(gòu)加強處理

車架縱梁出現(xiàn)疲勞失效，將引起底盤承載功能喪失，有必要對車架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)強化，以提高其在各種射擊姿態(tài)下的疲勞壽命。

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)有空間，對車架左側(cè)與右側(cè)風險點處進行加固處理，加強后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)特點，將薄弱環(huán)節(jié)采用左右對稱的L形板結(jié)構(gòu)，貼合底盤縱梁進行加固處理。為了增加施工的工藝可行性和操作方便性，L形加強板采用在縱梁外側(cè)進行貼合的方式，并預(yù)留孔位與車架左、右外側(cè)安裝零件進行套裝。

3.2 加強車架結(jié)構(gòu)的仿真驗證

為驗證車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果，采用相同的載荷輸入，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行疲勞耐久性仿真分析，可獲取優(yōu)化后車架的疲勞損傷與壽命，如表4所示。

表4 射擊工況的強化后車架風險點損傷值及疲勞壽命

對比表3與表4，所有射擊工況下，車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的損傷有明顯的下降。原車架結(jié)構(gòu)風險點處最大損傷出現(xiàn)在0°射向，20°射角，虛支撐工況下，左側(cè)損傷達到1.56×10-2，經(jīng)優(yōu)化損傷值下降到3.60×10-10，可見優(yōu)化效果明顯。

3.3 加強結(jié)構(gòu)試驗驗證

為驗證加固方案對車架大梁有改善效果，并監(jiān)控加固后風險點是否轉(zhuǎn)移，對加強前后的車架結(jié)構(gòu)分別進行射擊試驗。采用應(yīng)變片采集原風險點以及加固板前端的應(yīng)變信號，通過3個方向的應(yīng)變信號，獲取原風險點和加固板前端的主應(yīng)力，通過對加強前后的車架結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力對比，驗證加強效果。原風險點及加固板前端應(yīng)變片粘貼情況如圖6所示。

車架在0°射向、20°射角下車架表現(xiàn)出較大的疲勞損傷，選擇此工況進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)的驗證，并分別進行加強前后的車架結(jié)構(gòu)在0°射向、20°射角，全支撐/左側(cè)虛支撐下的試驗驗證。

經(jīng)過2種工況的射擊試驗后，獲取車架原風險點和加固板前端的相對應(yīng)變信號。測點處的絕對應(yīng)變信號為相對應(yīng)變信號與靜止狀態(tài)測點的應(yīng)變的疊加?；趶椥粤W(xué)的理論[11]，根據(jù)采集的應(yīng)變信號，計算得到原風險點和加固板前端的相對主應(yīng)力。為了對比車架結(jié)構(gòu)的加強效果，將相對主應(yīng)力進行對比。車架加強前后的原風險點和加固板前端的相對主應(yīng)力分布情況如圖7所示。

根據(jù)圖7中車架加強前后原風險點與加固板前端的相對主應(yīng)力變化情況，可得到以下結(jié)論：

1)加強后的車架原風險點和加固板前端處相對主應(yīng)力峰值比加強前有明顯的下降，表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠有效地增強車架結(jié)構(gòu)，進而改善車架的疲勞性能。

2)對原風險點處相同工況下全支撐與左側(cè)虛支撐的相對主應(yīng)力對比可知，虛支撐狀態(tài)下最大相對主應(yīng)力峰值達到125 MPa，而在全支撐狀態(tài)下最大相對主應(yīng)力峰值為80 MPa，說明虛支撐狀態(tài)對車架的受力情況有顯著的影響，會導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命降低。

4 結(jié)論

筆者基于車載榴彈炮真實載荷，進行不同姿態(tài)射擊工況下底盤系統(tǒng)的疲勞分析，根據(jù)分析結(jié)果進行了車架結(jié)構(gòu)強化處理，并對加強后的車架結(jié)構(gòu)進行了試驗驗證，得出以下結(jié)論：

1)車架射擊工況下的載荷譜分解，可采用模態(tài)疊加算法進行響應(yīng)分析，結(jié)合載荷迭代/分解技術(shù)提取的車架載荷信號，可實現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)在射擊工況下的疲勞耐久性分析。

2)根據(jù)疲勞分析的結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)進行了強化，并對強化后的車架結(jié)構(gòu)分別進行了仿真與試驗驗證，結(jié)果表明強化結(jié)構(gòu)能夠有效改善車架結(jié)構(gòu)的性能。

3)榴彈炮車射擊時，虛支撐狀態(tài)對車架的受力情況有顯著影響，會導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命降低。