基于Hypermesh的某履帶車車身有限元分析及結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化①

張 瓊， 孫全兆， 劉國鋒

(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，對履帶車的要求逐漸向輕量化、大威力、高靈敏性方向發(fā)展。但是在履帶車的研制過程中，由于車體為薄殼件，同時工作環(huán)境較為惡劣，在車體受到較大的外部沖擊載荷時，往往會出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中和剛度不足的情況[1]。履帶車自身較為笨重，又使得其機動性和靈敏性降低，因此，迫切需要在設(shè)計中滿足車身的剛強度要求，又要盡量減少車身重量[2]。

文中以某款軍履帶車為研究對象，針對履帶車在不同沖擊載荷作用下發(fā)生非線性大變形的情況，采用大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線性有限元法進行分析，利用HyperMesh模塊對車體進行六面體單元網(wǎng)格劃分，建立靜力學(xué)模型分析車體的剛強度[3,4]，并對薄弱部分進行結(jié)構(gòu)改進，采用多個工況下拓撲模型對車體實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

1 履帶車有限元模型的建立

1.1 模型簡化及設(shè)計框架搭建

(1)分析履帶車在靜止?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，后坐力通過身管，尾座，搖架傳遞給車身；(3)工況按照射擊最小仰角0°，和最大仰角70°進行分析對比。

根據(jù)拓撲優(yōu)化HyperMesh模塊的功能，采用圖1的設(shè)計框架構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。

圖1 拓撲優(yōu)化框架

1.2 載荷計算

火炮發(fā)射時，反后坐裝置會產(chǎn)生一定的后坐阻力(包括制退機力和復(fù)進機力等)用來阻止后坐部分向后運動。將可將身管、尾座、搖架、炮塔作為一個整體，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語言編程計算獲得。自身重會對炮塔產(chǎn)生一個向下的重力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 全車靜態(tài)有限元模型的建立

利用有限元軟件Hypermesh建立全車網(wǎng)格模型進行仿真分析,其中應(yīng)對三維模型進行適當(dāng)簡化，去除對強度影響不大的部件以及圓孔、倒角等特征。全車有限元模型建立是一個較為復(fù)雜的工作過程，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劃分單元并用三角形和四面體單元進行處理，保證單元劃分的精度，以便進行有限元計算的順利運行，全車有限元離散模型如圖3所示。

圖3 全車有限元離散模型

2.1 炮塔和車體連接處理

炮塔和車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體頂部座圈連接起來，如圖4所示。

圖4 炮塔和車體連接處理

2.2 載荷及邊界條件施加

履帶車靜態(tài)計算時，將平衡機作為內(nèi)力處理，這樣可以將火炮發(fā)射時產(chǎn)生的后坐力簡化成具有等效剛度的非線性彈簧。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

同時在炮身后坐過程中，在反后坐裝置的緩沖作用下，后坐力傳到車體上的力會大大減小，但是由于火藥氣體壓力作用又會產(chǎn)生一個軸向的炮膛合力。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)剛強度分析狀態(tài)，履帶車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，土壤特性通過有限元軟件進行設(shè)置。主要以合肥某沙土為實驗對象，進行三軸剪切試驗，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 車體靜態(tài)有限元分析

根據(jù)履帶車的工作狀態(tài)取靜態(tài)(0°-0°工況)進行應(yīng)力分析得到圖8所示的應(yīng)力應(yīng)變云圖。

圖8 應(yīng)力、應(yīng)變云圖

根據(jù)圖中可得車體上剛強度最大值及出現(xiàn)位置見表1所示。

表1 靜態(tài)車體剛強度最大值

從上述典型工況的分析結(jié)果可以得到靜態(tài)下履帶車在發(fā)射過程中應(yīng)力應(yīng)變最大值發(fā)生在車體的不同位置，但根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)均能滿足靜態(tài)下履帶車體的強度和剛度要求。

3 車身拓撲優(yōu)化設(shè)計

3.1 建立車體優(yōu)化模型

采用有限元軟件HyperMesh軟件中的拓撲優(yōu)化功能對車體進行模型導(dǎo)入，由于軟件單元類型的不同，使得模型建立的時候一些特殊單元的處理方式發(fā)生變化[5]。坐圈和車體之間的Tie單元變成焊接單元，用來模擬兩者單元節(jié)點之間的連接。如圖9所示。

圖9 坐圈處的“焊接”連接單元

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

圖10 拓撲優(yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化后車體剛強度分析

對優(yōu)化后的車體進行模型重構(gòu)，拓撲結(jié)果中車體結(jié)構(gòu)中無材料的部分可做適當(dāng)?shù)臏p薄處理，重建后的車體重量為4.26t。優(yōu)化后的車體還要保證能夠滿足靜態(tài)剛強度要求。將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入OptiStruct中進行計算，得到應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖11所示。

圖11 拓撲優(yōu)化后應(yīng)力應(yīng)變云圖

根據(jù)圖中可得拓撲優(yōu)化后車體上剛強度最大值及出現(xiàn)位置見表2所示。

表2 拓撲優(yōu)化后車體剛強度最大值

4 結(jié) 論

文中主要針對履帶車車體進行靜態(tài)有限元剛強度分析，并基于有限元軟件HyperMesh對車體進行拓撲優(yōu)化，從而達到在保證履帶車靜態(tài)剛強度的前提下減輕車體的重量。通過應(yīng)力應(yīng)變云圖可以得到車體靜態(tài)剛強度滿足實驗結(jié)果，進而拓撲計算得到可將車體減重0.63t，減重率為12.9%。最后將減重后的車體進行驗算，通過分析驗算后的應(yīng)力應(yīng)變云圖及最大值出現(xiàn)在位置，得到拓撲優(yōu)化后的車體剛強度能夠滿足實驗要求。