張 瓊， 孫全兆， 劉國(guó)鋒

(1.安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230001；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210000)

0 引 言

履帶車(chē)是一種較為傳統(tǒng)的交通工具，由于其具有較高的穩(wěn)定性并能較好地適應(yīng)于承載力較差的路面，因此履帶車(chē)在坦克上應(yīng)用較為廣泛。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)履帶車(chē)的要求逐漸向輕量化、大威力、高靈敏性方向發(fā)展。但是在履帶車(chē)的研制過(guò)程中，由于車(chē)體為薄殼件，同時(shí)工作環(huán)境較為惡劣，在車(chē)體受到較大的外部沖擊載荷時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中和剛度不足的情況[1]。履帶車(chē)自身較為笨重，又使得其機(jī)動(dòng)性和靈敏性降低，因此，迫切需要在設(shè)計(jì)中滿(mǎn)足車(chē)身的剛強(qiáng)度要求，又要盡量減少車(chē)身重量[2]。

文中以某款軍履帶車(chē)為研究對(duì)象，針對(duì)履帶車(chē)在不同沖擊載荷作用下發(fā)生非線(xiàn)性大變形的情況，采用大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性有限元法進(jìn)行分析，利用HyperMesh模塊對(duì)車(chē)體進(jìn)行六面體單元網(wǎng)格劃分，建立靜力學(xué)模型分析車(chē)體的剛強(qiáng)度[3,4]，并對(duì)薄弱部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，采用多個(gè)工況下拓?fù)淠Ｐ蛯?duì)車(chē)體實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

1 履帶車(chē)有限元模型的建立

1.1 模型簡(jiǎn)化及設(shè)計(jì)框架搭建

(1)分析履帶車(chē)在靜止?fàn)顟B(tài)下受沖擊載荷的作用，因此建立的有限元模型為靜態(tài)模型；(2)沖擊載荷作用時(shí)，后坐力通過(guò)身管，尾座，搖架傳遞給車(chē)身；(3)工況按照射擊最小仰角0°，和最大仰角70°進(jìn)行分析對(duì)比。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化HyperMesh模塊的功能，采用圖1的設(shè)計(jì)框架構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化框架

1.2 載荷計(jì)算

火炮發(fā)射時(shí)，反后坐裝置會(huì)產(chǎn)生一定的后坐阻力(包括制退機(jī)力和復(fù)進(jìn)機(jī)力等)用來(lái)阻止后坐部分向后運(yùn)動(dòng)。將可將身管、尾座、搖架、炮塔作為一個(gè)整體，炮身在沖擊載荷作用下產(chǎn)生的后坐力為FR，這部分力可由FORTRAN語(yǔ)言編程計(jì)算獲得。自身重會(huì)對(duì)炮塔產(chǎn)生一個(gè)向下的重力G，以重力加速度g的形式在ABAQUS中施加。各載荷作用形式如圖2所示。

圖2 炮塔受力模型

2 全車(chē)靜態(tài)有限元模型的建立

利用有限元軟件Hypermesh建立全車(chē)網(wǎng)格模型進(jìn)行仿真分析,其中應(yīng)對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，去除對(duì)強(qiáng)度影響不大的部件以及圓孔、倒角等特征。全車(chē)有限元模型建立是一個(gè)較為復(fù)雜的工作過(guò)程，首先網(wǎng)格劃分主要采用正六面體單元，少數(shù)關(guān)鍵連接需要采用手動(dòng)劃分單元并用三角形和四面體單元進(jìn)行處理，保證單元?jiǎng)澐值木龋员氵M(jìn)行有限元計(jì)算的順利運(yùn)行，全車(chē)有限元離散模型如圖3所示。

圖3 全車(chē)有限元離散模型

2.1 炮塔和車(chē)體連接處理

炮塔和車(chē)體之間的連接是使用特殊連接單元單元形式，將炮塔下的座圈與車(chē)體頂部座圈連接起來(lái)，如圖4所示。

圖4 炮塔和車(chē)體連接處理

2.2 載荷及邊界條件施加

履帶車(chē)靜態(tài)計(jì)算時(shí)，將平衡機(jī)作為內(nèi)力處理，這樣可以將火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力簡(jiǎn)化成具有等效剛度的非線(xiàn)性彈簧。采用特殊單元代替反后坐力的施加，如圖5所示。

圖5 反后坐力載荷施加

同時(shí)在炮身后坐過(guò)程中，在反后坐裝置的緩沖作用下，后坐力傳到車(chē)體上的力會(huì)大大減小，但是由于火藥氣體壓力作用又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向的炮膛合力。此載荷在身管的橫截面上均勻分布，載荷施加如圖6所示。

圖6 炮膛合力

靜態(tài)剛強(qiáng)度分析狀態(tài)，履帶車(chē)處于靜止在水平地面上，邊界條件選擇土壤模型的底部節(jié)點(diǎn)，土壤特性通過(guò)有限元軟件進(jìn)行設(shè)置。主要以合肥某沙土為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，得到土壤特性參數(shù)，并將參數(shù)輸入到Abaqus/CAE軟件中的本構(gòu)模型中。按照六個(gè)自由度全部約束的方案，得到邊界條件如圖7所示。

圖7 邊界條件

2.3 車(chē)體靜態(tài)有限元分析

根據(jù)履帶車(chē)的工作狀態(tài)取靜態(tài)(0°-0°工況)進(jìn)行應(yīng)力分析得到圖8所示的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。

圖8 應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)圖中可得車(chē)體上剛強(qiáng)度最大值及出現(xiàn)位置見(jiàn)表1所示。

表1 靜態(tài)車(chē)體剛強(qiáng)度最大值

從上述典型工況的分析結(jié)果可以得到靜態(tài)下履帶車(chē)在發(fā)射過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變最大值發(fā)生在車(chē)體的不同位置，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)均能滿(mǎn)足靜態(tài)下履帶車(chē)體的強(qiáng)度和剛度要求。

3 車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建立車(chē)體優(yōu)化模型

采用有限元軟件HyperMesh軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化功能對(duì)車(chē)體進(jìn)行模型導(dǎo)入，由于軟件單元類(lèi)型的不同，使得模型建立的時(shí)候一些特殊單元的處理方式發(fā)生變化[5]。坐圈和車(chē)體之間的Tie單元變成焊接單元，用來(lái)模擬兩者單元節(jié)點(diǎn)之間的連接。如圖9所示。

圖9 坐圈處的“焊接”連接單元

文中使用的履帶車(chē)車(chē)體的重量是4.89t，建立優(yōu)化模型前首先要考慮將車(chē)體中非主要承載區(qū)域作為設(shè)計(jì)變量來(lái)處理，再進(jìn)行模型的構(gòu)建。通過(guò)分析可優(yōu)化的重量范圍2.58t左右。在HyperMesh軟件界面上手動(dòng)選擇需要優(yōu)化的區(qū)域，提交至OptiStruct中通過(guò)14步的迭代結(jié)果，得到車(chē)體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖10所示。

圖10 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化后車(chē)體剛強(qiáng)度分析

對(duì)優(yōu)化后的車(chē)體進(jìn)行模型重構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)果中車(chē)體結(jié)構(gòu)中無(wú)材料的部分可做適當(dāng)?shù)臏p薄處理，重建后的車(chē)體重量為4.26t。優(yōu)化后的車(chē)體還要保證能夠滿(mǎn)足靜態(tài)剛強(qiáng)度要求。將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入OptiStruct中進(jìn)行計(jì)算，得到應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。

圖11 拓?fù)鋬?yōu)化后應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)圖中可得拓?fù)鋬?yōu)化后車(chē)體上剛強(qiáng)度最大值及出現(xiàn)位置見(jiàn)表2所示。

表2 拓?fù)鋬?yōu)化后車(chē)體剛強(qiáng)度最大值

4 結(jié) 論

文中主要針對(duì)履帶車(chē)車(chē)體進(jìn)行靜態(tài)有限元?jiǎng)倧?qiáng)度分析，并基于有限元軟件HyperMesh對(duì)車(chē)體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，從而達(dá)到在保證履帶車(chē)靜態(tài)剛強(qiáng)度的前提下減輕車(chē)體的重量。通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以得到車(chē)體靜態(tài)剛強(qiáng)度滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而拓?fù)溆?jì)算得到可將車(chē)體減重0.63t，減重率為12.9%。最后將減重后的車(chē)體進(jìn)行驗(yàn)算，通過(guò)分析驗(yàn)算后的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D及最大值出現(xiàn)在位置，得到拓?fù)鋬?yōu)化后的車(chē)體剛強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。