摘 要：針對特種全地形車（ATV）桁架式車身安全與輕量化需求，該文提出協(xié)同靜動態(tài)力學性能輕量化方法，開展某特種ATV 桁架式車身輕量化設計。通過有限元分析獲取車身結構靜動態(tài)力學特性，建立基于力學性能安全的ATV 桁架式車身輕量化優(yōu)化模型；結合靈敏度分析和主效應分析提取桁架式車身關鍵設計變量，開展試驗設計獲取輕量化設計樣本點，構建最小二乘法（LSR） - 徑向基函數(shù)（RBF）混合代理模型，提出協(xié)同靜動態(tài)力學性能輕量化優(yōu)化策略，通過序列二次規(guī)劃（SQP）算法優(yōu)化獲取ATV 桁架式車身輕量化設計方案。結果表明，在保證靜動態(tài)力學性能條件下，該方法能有效降低ATV 桁架式車身質量3.82%。

關鍵詞： 特種全地形車（ATV）；桁架式車身；輕量化；耐撞性

中圖分類號： U 463.82 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.003

特種車輛因具有高機動性和安全性，廣泛應用于國防軍事工業(yè)[1]。較重的車身會導致燃油經(jīng)濟性和操控性能不佳，增加生產(chǎn)制造成本[2]。輕量化武器裝備是保障全域機動性、實現(xiàn)遠距離快速投送、降低后勤保障壓力等要求的重要基礎[3]。輕量化優(yōu)化設計可以在車身減重的同時有效提升特種全地形車（all-terrainvehicle，ATV） 車輛整體性能。為實現(xiàn)特種ATV 越野性能強、機動性高、承載能力大和抗沖擊能力強等要求，輕量化成為設計階段的必要流程。桁架式車身具有受力明顯、協(xié)調性好、易于加工等特點，是特種ATV 最常用車身結構之一，但這種結構承載力有限、變形能力較差，導致其在實際應用中的抗沖擊性能較弱。因此，基于桁架式車身靜動力學性能安全開展輕量化設計對提高特種ATV 機動性能與作戰(zhàn)能力具有重要意義。

ATV常在惡劣的地形條件下運行，要關注更多力學性能下的約束條件[4]。M. Lázaro等[5]認為剛度是衡量ATV安全的標準之一，采用有限元法分析巴哈ATV底盤彎曲和扭轉剛度，對ATV底盤優(yōu)化設計?？梢钥闯觯贏TV車身性能安全分析指標中，車身剛度為基本設計要求。ATV行駛過程中處于高頻振動，可能會給武器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和車身性能帶來不利影響[6]?？紤]到ATV車身穩(wěn)定性及避免產(chǎn)生共振，金兆輝等[7]以ATV車架為研究對象，從ATV車架模態(tài)、彎曲和扭轉剛度以及極限工況下最大位移和最大應力分析并評價ATV車架設計可行性。ATV應用場景常存在碰撞，當車身結構滿足靜態(tài)力學性能安全時，但不一定能夠適用于碰撞場景，協(xié)同耐撞性分析與設計對提高ATV全域作戰(zhàn)能力具有重要意義。R. Soundararajan等[8]在ATV車架設計中考慮正面碰撞、側面碰撞、后方碰撞及側翻沖擊下的總變形量和等效應力作為ATV設計的安全性能指標。戰(zhàn)場環(huán)境的多樣化對ATV靜動態(tài)力學性能提出更多要求，協(xié)同靜動態(tài)力學性能是分析與設計輕型特種ATV的基本要求。

輕量化技術是實現(xiàn)設計輕型車身設計的主要手段。針對白車身輕量化問題，左文杰[9] 等以白車身厚度為變量，考慮車身剛度、強度與頻率約束等基本力學性能，使用序列線性規(guī)劃方法進行非線性優(yōu)化實現(xiàn)白車身減重。為特種ATV 能適應快速全域的機動作戰(zhàn)，對ATV 車架輕量化設計得到學者的關注。龍江啟等[10]提出基于剛度和模態(tài)靈敏度的ATV 車架輕量化方法，采用相對靈敏度方法篩選設計變量，以質量最小為目標，一階模態(tài)頻率、扭轉剛度和彎曲剛度為約束，實現(xiàn)ATV 車架輕量化。李作軒等[11] 提出基于多工況關聯(lián)的車身結構輕量化優(yōu)化，利用設計變量縮減策略，并引入Gauss 代理模型結合遺傳算法實現(xiàn)特種無人車輛車身結構減重。特種ATV 作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，應用場景存在強正面對抗，帶來強沖擊載荷。特種ATV 車身結構減重后對車身結構安全和車內人員安全造成威脅，輕量化的同時需考慮其碰撞力學性能安全?，F(xiàn)有特種ATV車身輕量化設計較少，大多數(shù)考慮各工況下車身強度或剛度等基本力學性能安全特性進行減重優(yōu)化，較少協(xié)同碰撞力學性能安全實現(xiàn)車身減重。

針對以上問題，本文提出一種協(xié)同靜動態(tài)力學性能安全的輕量化優(yōu)化方法，旨在保證特種ATV桁架式車身在確保靜動態(tài)力學性能安全前提下，實現(xiàn)特種ATV桁架式車身輕量化。通過分析某特種ATV車身結構靜動態(tài)力學特性，建立基于靜動態(tài)力學性能安全的ATV桁架式車身輕量化優(yōu)化模型；結合靈敏度分析和主效應分析篩選響應車身各力學特性的關鍵設計變量，開展試驗設計獲取輕量化設計樣本；構建最小二乘法（least square method，LSR）-徑向基函數(shù)（radial basisfunction，RBF）混合代理模型預測車身結構力學性能參數(shù)，采用序列二次規(guī)劃算法（sequential quadraticprogramming，SQP）求解協(xié)同靜動態(tài)力學性能的輕量化問題，獲取并驗證ATV桁架式車身輕量化設計方案。

1 ATV 桁架式車身結構及優(yōu)化模型定義

1.1 車身結構與有限元建模

某特種ATV 承載式車身由獨立桁架與蒙皮焊接而成，如圖1 所示，前端為車身主要吸能結構，車身總體外形尺寸為L×W×H = 3 920 mm×1 657 mm×1 249 mm。設計駕乘人數(shù)為6 人，分布形式呈3 排2 列。其中蒙皮采用DP980 高強度鋼，厚度為d1 = 2 mm ；桁架采用Q345 材料，厚度為d2 = 2 mm。2 種材料密度ρ、泊松比v、彈性模量E 以及屈服強度σs 如表1 所示。

利用有限元前處理軟件HYPERMESH對車身結構進行網(wǎng)格離散，建立車身有限元模型。其中，蒙皮和桁架均采用SHELL單元模擬，車身網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，整車共225 146個單元。各桁架間及蒙皮與桁架間均采用熔化極活性氣體保護電弧焊，以斷續(xù)焊接為主，外部滿焊為密封。不考慮焊縫位置的應力分布，有限元建模時忽略焊縫，各桁架間及蒙皮與桁架間采用節(jié)點耦合的方式進行連接。