高速行駛工況下履帶車輛車體剛強(qiáng)度分析

馬星國(guó)，王旭旭，尤小梅，葉 明，龔雪蓮

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159;2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072)

有限元技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用到新車型的履帶車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中.對(duì)于履帶車輛的復(fù)雜車體結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，有限元仿真軟件可以根據(jù)不同的求解目的、求解方式以及不同研究對(duì)象的使用習(xí)慣建立不同的求解模型，達(dá)到對(duì)其性能的綜合評(píng)價(jià)［1］.

履帶車輛在行駛過(guò)程中，路面不平度的激勵(lì)對(duì)車輛形成沖擊.履帶車輛以最大速度行駛是其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中較為復(fù)雜且受沖擊最大的工況［2］.本文分析履帶車輛以最大速度75 km·h－1行駛在堅(jiān)實(shí)路面工況下所受的牽引力和發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊載荷，研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化方法和不同載荷的施加方法，建立履帶車輛復(fù)雜車體結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型，進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算和剛強(qiáng)度分析計(jì)算，并對(duì)兩種分析計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證履帶車輛整車剛強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求.

1 車體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

在一個(gè)有限元分析過(guò)程中，通常前處理都要占據(jù)百分之七八十的時(shí)間［3］.建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ?，是解決相應(yīng)工程問題的主要步驟，有限元模型的精度會(huì)直接影響求解的精度和結(jié)果的合理性［4］.

履帶車輛車體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，故先在Pro/E軟件中對(duì)車體模型進(jìn)行初步簡(jiǎn)化，將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，得到如圖1所示的車體幾何模型.

圖1 車體幾何模型Fig.1 Geometry model of tracked vehicle body

在Hypermesh軟件中對(duì)三維幾何模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化遵循以下原則:

(1)車體模型的倒角對(duì)整體強(qiáng)度影響不大，一般是將其簡(jiǎn)化，提高計(jì)算效率.

(2)采取整體抽取中面方式進(jìn)行簡(jiǎn)化.對(duì)不同厚度的結(jié)構(gòu)抽取中面時(shí)出現(xiàn)的兩中面不重合現(xiàn)象，可移動(dòng)其中一個(gè)中面與另一個(gè)中面重合.但在分析時(shí)，需分別設(shè)置兩個(gè)中面的不同厚度.

(3)車體甲板用其中面進(jìn)行簡(jiǎn)化，在劃分單元時(shí)給定板厚，外觀尺寸、角度保持不變.

(4)扭桿支架、主動(dòng)輪支架、誘導(dǎo)輪支架、發(fā)動(dòng)機(jī)支撐等保持真實(shí)的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，并與車體二維網(wǎng)格進(jìn)行有限元節(jié)點(diǎn)匹配連接.

(5)車體內(nèi)縱梁、橫梁、立柱及各類筋板全部用面進(jìn)行簡(jiǎn)化，在劃分單元時(shí)給定板厚，外觀尺寸和角度保持不變.

(6)忽略焊縫對(duì)車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，焊接位置直接幾何連接.

(7)實(shí)體單元和殼單元之間采取節(jié)點(diǎn)匹配或者建立剛性連接區(qū)域.

簡(jiǎn)化完成的三維模型如圖2所示.

圖2 簡(jiǎn)化后的車體幾何模型Fig.2 Simplified geometry model of tracked vehicle body

整車三維幾何模型簡(jiǎn)化完成后，在Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用殼單元SHELL181和實(shí)體單元SOLID185單元類型，得到的整車車體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型如圖3所示.

圖3 車體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite elementmesh model of tracked vehicle body

2 履帶車輛車體模態(tài)分析

為了評(píng)估車體的振動(dòng)特性，在不計(jì)車體內(nèi)部各設(shè)備或部件的情況下，將在Hypermesh軟件中建立的車體有限元模型(不施加任何約束和載荷)導(dǎo)入ANSYS軟件中計(jì)算自由模態(tài)，得到車體結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型.對(duì)振動(dòng)貢獻(xiàn)大的主要是低階模態(tài)，故計(jì)算車體結(jié)構(gòu)的前15階模態(tài)，各階振動(dòng)頻率如表1所示.除去前6階剛體振型，車體第7階到第10階振型如圖4～7所示.

表1 整車車體各階振動(dòng)頻率Tab.1 Vibration frequency of tracked vehicle body

從第7階到第10階振型，可以看出結(jié)構(gòu)剛度不足位置主要是前上蓋板靠近車首部位、發(fā)動(dòng)機(jī)桁架以及炮臺(tái)座圈部位，這三處結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化.

圖4 車體第7階振型Fig.4 The 7th vibration mode

圖5 車體第8階振型Fig.5 The 8th vibration mode

3 沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)分析

3.1 加載各設(shè)備或部件重量

履帶車輛以最大速度行駛時(shí)，考慮車體及各設(shè)備或部件重力影響，本文采用直接施加重力加速度，來(lái)模擬車體本身的重力作用.在各設(shè)備或部件質(zhì)心位置建立單元質(zhì)量點(diǎn)，在質(zhì)量點(diǎn)與各自承載面之間建立剛性區(qū)域，并在各質(zhì)量點(diǎn)施加大小為其重量的集中載荷，方向垂直向下.加載各設(shè)備或部件重量后的有限元模型如圖8所示.

圖7 車體第10階振型Fig.7 The 10th vibration mode

3.2 加載牽引力和發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊載荷

牽引力作用方式如圖9所示.

圖9 牽引力作用示意圖Fig.9 Schematic diagram of traction force

履帶車輛在以最大速度行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到最大，此時(shí)車體除了受重力作用之外，還受到最大牽引力的作用，同時(shí)還受到因發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)而產(chǎn)生的沖擊載荷作用.

3.2.1 加載最大牽引力

考慮兩個(gè)主動(dòng)輪所受牽引力，將主動(dòng)輪軸心與其在車體上的安裝位置之間建立剛性區(qū)域，牽引力作用在軸心，單面輪子上的牽引力大小為149 058 N，方向與車輛行駛方向相反.

考慮兩個(gè)誘導(dǎo)輪受到履帶張緊力，力作用于誘導(dǎo)輪軸心處，近似認(rèn)為F2=F3，根據(jù)力的分解，單面輪子上沿車輛行駛方向的力為149 058+149 058·cos 31°N，垂直向下方向的力為149 058sin 31°N.

3.2.2 加載發(fā)動(dòng)機(jī)8倍沖擊載荷

考慮到履帶車輛高速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊載荷對(duì)車體結(jié)構(gòu)的影響.本文在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置建立單元質(zhì)量點(diǎn)，并根據(jù)業(yè)內(nèi)規(guī)范在該單元質(zhì)量點(diǎn)施加8倍發(fā)動(dòng)機(jī)重量的垂直載荷，大小為109.76 kN，方向垂直向下.沖擊載荷的加載方式如圖10所示.

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊載荷加載方式Fig.10 Action of engine’s impact loading

3.3 沖擊載荷作用下靜力分析計(jì)算

在建立好的有限元模型上施加位移約束和集中載荷，并在Hypermesh軟件中設(shè)置好求解卡片后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行計(jì)算，得到如圖11所示的位移云圖和如圖12所示的應(yīng)力云圖.

圖11 車體位移云圖Fig.11 Displacement nephogram

從車體位移云圖可以看出，車體最大變形位置出現(xiàn)在上蓋板前部靠近車首位置，與模態(tài)分析中第6階振型剛度不足位置相同，最大變形值為0.565 232mm.

圖12 車體應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram

從應(yīng)力云圖可以看出，車體整體受力狀態(tài)良好.車體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在下底板與右主動(dòng)輪支架接觸的位置，此處的最大應(yīng)力值為163.028 MPa.該位置的材料為Q235，許用應(yīng)力為235 MPa，強(qiáng)度滿足要求.

4 結(jié)論

(1)從模態(tài)分析結(jié)果可知，車體結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求.但是對(duì)于最大變形的部位(前上蓋板靠近車首部位、發(fā)動(dòng)機(jī)桁架以及炮臺(tái)座圈部位)應(yīng)通過(guò)添加筋板或增加筋板厚度進(jìn)行加強(qiáng)，以提高整車剛度特性.

(2)從結(jié)構(gòu)分析結(jié)果看，車體的應(yīng)力水平?jīng)]有超過(guò)各部件所使用材料的許用應(yīng)力，履帶車輛整車強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

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