射擊工況下車載榴彈炮底盤疲勞分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

肖 攀，鄭國(guó)峰，林 鑫

(中國(guó)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(jī)地結(jié)合起來(lái)，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(shí)間短，機(jī)動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)快速打擊能力較強(qiáng)等特點(diǎn)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(diǎn)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(duì)重型車在行駛工況下的疲勞壽命研究，國(guó)內(nèi)外較典型的研究有：白素強(qiáng)等[2]通過(guò)采集牽引車輪心六分力信號(hào)，結(jié)合所搭建的整車多體動(dòng)力學(xué)模型，提取車架在比利時(shí)路面工況上疲勞載荷，借助nCode疲勞仿真軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)車架的疲勞壽命仿真分析。張壽元等[3]通過(guò)靜態(tài)剛強(qiáng)度/模態(tài)分析，找出了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷與實(shí)際開裂位置吻合，通過(guò)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(wèn)題并同時(shí)達(dá)到輕量化的效果。唐華平等[4]通過(guò)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(diǎn)，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)模型提取不同工況下疲勞載荷，借助MSC. Fatigue軟件實(shí)現(xiàn)了車架的全壽命分析。Wannenburg等[5]通過(guò)損傷等效的原則，采用與隨機(jī)載荷等效的準(zhǔn)靜態(tài)載荷，實(shí)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(duì)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(wèn)題，但對(duì)基于重型車改裝的榴彈炮車射擊工況的研究，國(guó)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(duì)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(shí)載荷，進(jìn)行不同姿態(tài)射擊工況下底盤系統(tǒng)的疲勞分析。通過(guò)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(gè)駐鋤軸向力信號(hào)，搭建炮車多體動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)載荷迭代/分解技術(shù)，獲取車架各硬點(diǎn)在射擊工況下的時(shí)域信號(hào)，結(jié)合瞬態(tài)響應(yīng)的模態(tài)疊加法，實(shí)現(xiàn)車架的疲勞壽命仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理，并對(duì)強(qiáng)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)對(duì)車架進(jìn)行加強(qiáng)，薄弱點(diǎn)處的應(yīng)力在試驗(yàn)前后有明顯降低，疲勞仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了射擊工況下強(qiáng)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(jìn)行綜合改進(jìn)而設(shè)計(jì)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(gè)上裝的汽車車架，以及在射擊狀態(tài)下將整個(gè)車支撐起來(lái)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(shí)，需要通過(guò)左、右駐鋤以及后支撐將整個(gè)上裝及汽車底盤支撐起來(lái)。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(guò)下架總成傳遞到車架，然后再分別通過(guò)駐鋤和輪胎傳遞到地面上。

在實(shí)際作戰(zhàn)或演訓(xùn)時(shí)，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(diǎn)可知，車架反復(fù)承受了來(lái)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(duì)其疲勞耐久性能進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證。通過(guò)射擊試驗(yàn)去驗(yàn)證車架的疲勞壽命，將耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源。借鑒乘用車上對(duì)車架結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能的分析方法，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合仿真的方法驗(yàn)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(diǎn)，基于多體動(dòng)力學(xué)載荷迭代/分解的需求，確定載荷采集信號(hào)主要有：輪心六分力信號(hào)、輪心三向加速度信號(hào)、車架三向加速度信號(hào)、輪端跳動(dòng)位移信號(hào)、車架應(yīng)變信號(hào)和駐鋤軸向力信號(hào)。

利用eDAQ數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行載荷譜信號(hào)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(shí)際訓(xùn)練或作戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)炮位選定以后，為定位射擊目標(biāo)，通常會(huì)選擇不同的射向或射角進(jìn)行射擊。根據(jù)用戶實(shí)際使用情況統(tǒng)計(jì)，選擇常用的射向與射角進(jìn)行射擊試驗(yàn)。炮位一般選定土質(zhì)較硬且平坦的地方，但實(shí)際訓(xùn)練或作戰(zhàn)時(shí)，會(huì)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(shí)際使用情況，對(duì)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(duì)駐鋤的支撐情況進(jìn)行調(diào)整：

1)左側(cè)駐鋤進(jìn)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(shí)進(jìn)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(hào)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行100 Hz濾波和去毛刺處理后，傳感器處的信號(hào)如圖1所示。圖中曲線分別表示在工況1～ 5時(shí)的信號(hào)采集結(jié)果。

根據(jù)圖1所示的采集信號(hào)，可得到以下結(jié)論：

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

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

表2 傳感器采集的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間

根據(jù)表2可知，信號(hào)響應(yīng)的時(shí)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(hào)和駐鋤軸向力信號(hào)響應(yīng)時(shí)間為2 s，基于應(yīng)變式六分力傳感器采集信號(hào)的響應(yīng)時(shí)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(shí)間長(zhǎng)1 s.而采集的輪心加速度響應(yīng)時(shí)間比車架加速度響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)0.5 s，主要是因?yàn)檐嚰茌d荷經(jīng)過(guò)彈性懸架系統(tǒng)傳遞到軸頭，使得響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

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(hào)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(hào)以外，其他傳感器受到?jīng)_擊載荷后，均無(wú)法歸零。

根據(jù)圖2(a)和圖2(f)可知，經(jīng)過(guò)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(shuō)明經(jīng)過(guò)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(guò)射擊后車架相對(duì)車輪有5 mm的相對(duì)位移，進(jìn)一步驗(yàn)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(hào)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(shí)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(guò)整車多體動(dòng)力學(xué)模型，以采集的載荷作為輸入，通過(guò)迭代的方式提取車架所受到的時(shí)域載荷。利用模態(tài)疊加法對(duì)車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，結(jié)合所提取的時(shí)域信號(hào)，獲得車架在每種射擊工況下的損傷分布。

2.1 基于多體動(dòng)力學(xué)的車架載荷提取

準(zhǔn)確輸入模型的硬點(diǎn)，子系統(tǒng)質(zhì)心、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息，搭建的榴彈炮車多體動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合采集到的射擊工況輪胎及駐鋤的信號(hào)，通過(guò)迭代技術(shù)提取車架所有接口點(diǎn)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(guò)程如圖2所示，迭代過(guò)程的理論基礎(chǔ)參考文獻(xiàn)[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(duì)車架進(jìn)行響應(yīng)分析[9]，再結(jié)合所提取的車架硬點(diǎn)處的時(shí)域信號(hào)，將時(shí)域信號(hào)施加到對(duì)應(yīng)車架硬點(diǎn)處，獲取車架應(yīng)力/應(yīng)變時(shí)間歷程，通過(guò)對(duì)應(yīng)力/應(yīng)變時(shí)間歷程進(jìn)行雨流計(jì)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(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[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(jì)算得到的載荷進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。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(guò)鉚釘實(shí)現(xiàn)連接，在較大載荷作用時(shí)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)出的損傷值統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 射擊工況的車架風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(jì)算得到的各工況下風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的射擊次數(shù)計(jì)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(jì)算出的損傷的壽命有較大的差異。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(dá)到1.56×10-2.根據(jù)式(1)可知，單以0°射向，20°射角，虛支撐進(jìn)行射擊，車架經(jīng)過(guò)65次射擊將發(fā)生疲勞失效。而實(shí)際射擊過(guò)程中，炮車是以不同的射擊姿態(tài)進(jìn)行，且無(wú)法完全保證炮位的支撐狀態(tài)，因此實(shí)際壽命將高于65次。

該風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的出現(xiàn)，給車載榴彈炮帶來(lái)了疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)化處理及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 車架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)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(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)及現(xiàn)有空間，對(duì)車架左側(cè)與右側(cè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處進(jìn)行加固處理，加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將薄弱環(huán)節(jié)采用左右對(duì)稱的L形板結(jié)構(gòu)，貼合底盤縱梁進(jìn)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(qiáng)板采用在縱梁外側(cè)進(jìn)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(jìn)行套裝。

3.2 加強(qiáng)車架結(jié)構(gòu)的仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果，采用相同的載荷輸入，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)化后車架風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)損傷值及疲勞壽命

對(duì)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(dá)到1.56×10-2，經(jīng)優(yōu)化損傷值下降到3.60×10-10，可見(jiàn)優(yōu)化效果明顯。

3.3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證加固方案對(duì)車架大梁有改善效果，并監(jiān)控加固后風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是否轉(zhuǎn)移，對(duì)加強(qiáng)前后的車架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行射擊試驗(yàn)。采用應(yīng)變片采集原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)以及加固板前端的應(yīng)變信號(hào)，通過(guò)3個(gè)方向的應(yīng)變信號(hào)，獲取原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和加固板前端的主應(yīng)力，通過(guò)對(duì)加強(qiáng)前后的車架結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力對(duì)比，驗(yàn)證加強(qiáng)效果。原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，并分別進(jìn)行加強(qiáng)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(yàn)驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)2種工況的射擊試驗(yàn)后，獲取車架原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和加固板前端的相對(duì)應(yīng)變信號(hào)。測(cè)點(diǎn)處的絕對(duì)應(yīng)變信號(hào)為相對(duì)應(yīng)變信號(hào)與靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)點(diǎn)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(hào)，計(jì)算得到原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和加固板前端的相對(duì)主應(yīng)力。為了對(duì)比車架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)效果，將相對(duì)主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。車架加強(qiáng)前后的原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和加固板前端的相對(duì)主應(yīng)力分布情況如圖7所示。

根據(jù)圖7中車架加強(qiáng)前后原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與加固板前端的相對(duì)主應(yīng)力變化情況，可得到以下結(jié)論：

1)加強(qiáng)后的車架原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和加固板前端處相對(duì)主應(yīng)力峰值比加強(qiáng)前有明顯的下降，表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠有效地增強(qiáng)車架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善車架的疲勞性能。

2)對(duì)原風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處相同工況下全支撐與左側(cè)虛支撐的相對(duì)主應(yīng)力對(duì)比可知，虛支撐狀態(tài)下最大相對(duì)主應(yīng)力峰值達(dá)到125 MPa，而在全支撐狀態(tài)下最大相對(duì)主應(yīng)力峰值為80 MPa，說(shuō)明虛支撐狀態(tài)對(duì)車架的受力情況有顯著的影響，會(huì)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(shí)載荷，進(jìn)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(jìn)行了車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理，并對(duì)加強(qiáng)后的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(hào)，可實(shí)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(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)化，并對(duì)強(qiáng)化后的車架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明強(qiáng)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(shí)，虛支撐狀態(tài)對(duì)車架的受力情況有顯著影響，會(huì)導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命降低。