基于CAE技術的車體動力學仿真分析

張麗娜，華順剛

（大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024）

目前計算機工程分析技術，在機械、造船、航空航天、汽車等各個領域得到了廣泛應用。在機械工程領域中，為了保證機械系統能夠高效安全地運行，結構零部件必須滿足一定的剛度強度要求，因此對機械系統主要零部件進行動力學分析計算，可以保證和提高構件的剛度強度及穩定性。

目前應用CAE技術進行機械系統剛度強度分析的常用方法，包括有限元法和多體動力學仿真分析方法等。有限元方法，將結構離散化生成有限元網格，通過設置單元屬性及邊界條件，建立合理的結構數學模型進行結構動力學求解，得到結構的固有特性、動態應力與應變結果等，可為結構的設計優化提供依據[1～2]；多體動力學仿真分析，考慮各部件之間的相互作用，以及零件的變形與彈性[3]，建立整機剛柔混合多體動力學模型進行系統動力學分析，可得到各構件的作用載荷，全面地描述系統工作的全過程，預測整個系統的運動與響應情況[4～5]。

本文以火炮發射工況為例，對車體進行了有限元模態疊加法瞬態動力學分析以及剛柔混合多體動力學仿真分析。

1 機械零部件有限元瞬態動力學分析和多體動力學仿真

1.1 有限元瞬態動力學分析

有限元瞬態動力學分析，用于確定在隨時間變化載荷作用下結構的動力學響應，利用該方法可以計算獲得在穩態載荷、瞬態載荷和簡諧載荷隨意組合作用下結構的應力、應變等隨時間的變化。

瞬態動力學的基本運動方程是：

其中，

[M]為質量矩陣；

[C]為阻尼矩陣；

[K]為剛度矩陣；

有限元瞬態動力學分析有3種求解方法：完全法、縮減法以及模態疊加法[6]。

完全法采用完整的系數矩陣計算瞬態響應，是3種方法中功能最強的，允許包括各類非線性特性，但其也是3種方法中開銷最大的；

縮減法采用主自由度及縮減矩陣來壓縮問題規模，該方法比完全法快且開銷小，但在整個瞬態分析過程中，時間步長必須保持恒定，不允許用自動時間步長，且唯一允許的非線性是簡單的點-點接觸；

模態疊加法利用由模態分析得到的振型（特征值）乘上因子并求和來計算結構的響應，對于很多問題模態疊加法比縮減法或完全法更快、開銷更小，但是不能施加非零強制位移，且不能采用自動時間步長。其中模態疊加法瞬態動力學分析的流程如圖1所示。

圖1 模態疊加法瞬態動力學分析流程圖

1.2 多體動力學仿真分析

通常機械系統是一個復雜的多構件耦合的機構，各部件之間聯系緊密。為了全面分析系統的總體性能，得到更準確的分析結果，可以將各零部件組裝，并考慮各個部件之間的相互作用，以及零部件的彈性建立剛柔混合的虛擬樣機模型，針對其在實際應用中的各種工況，進行動力學仿真分析，預測產品的整體性能，進而改進產品設計、提高產品性能。

對機械系統進行剛柔混合虛擬樣機多體動力學仿真分析的流程如圖2所示。

圖2 多體動力學仿真分析流程圖

2 火炮發射工況車體有限元瞬態動力學分析

車載火炮武器發射是一個短暫而又復雜的過程，瞬間產生很大的沖擊載荷[7]。車體是車輛的重要組成部分，其結構性能直接影響到整車的安全性和機動性，具有防護、安裝機件、承受沖擊載荷等重要功能[8]。

在火炮發射過程中，車身作為一個受力部件，在強度和剛度方面必須保證達到一定的要求，在保證其工作壽命和使用要求的同時，還需要保證乘員的安全，因此有必要對火炮發射過程中車體的剛度強度進行分析。

本文采用有限元模態疊加法，對火炮在不同方向射角α 及高低射角β 發射工況下的車體，進行了瞬態動力學分析，步驟如下：

（1）在三維CAD 軟件中創建車輛零部件幾何模型；

（2）抽取車體中面模型導入有限元軟件中，在相應位置處添加支撐梁單元得到車體有限元模型；

（3）對車體進行模態求解，求解過程中我們采用默認的Block Lanczos 方法，并在懸掛系統處添加位移約束，重力加速度及所需的單元載荷；

（4）利用模態求解結果，并施加后坐力載荷進行模態疊加法瞬態分析，對于隨時間變化的后坐力，采用分步加載方式；

（5）擴展模態疊加解，得到結構分析結果文件；

（6）在后處理器中觀察結果，得到各載荷步下車體的應力、應變結果。

為了接近實際，提高有限元分析計算的準確性，在邊界條件處理中，我們采用彈簧單元combin14 并賦予相應的彈性和阻尼系數來模擬懸掛系統。

對于車體所承受的配重力，我們采用了兩種處理方式：對于配重比較大的載荷（如發動機、減速器配重等）將其簡化為面壓力；對于配重較小的載荷（如隨車工具、前蓋等），我們建立剛性區域，將配重分散在幾個節點上加載。

對于瞬態分析中所需的面載荷及重力加速度，我們在模態分析中施加。程序會計算出一個載荷向量并將其寫入振型文件，這些載荷會在模態分析中忽略，在瞬態分析中調用載荷向量即可。

我們對α=0°、45°、90°，β=0°、60°的各組合情況進行了分析。由有限元分析結果我們可以得到：位于發動機、減速器下方的底面區域，在火炮發射的多種射角下，經常是整個車體的最大應力區域。在后坐力方向改變時，位于炮塔下方的車體底面位置，成為了某一時刻的車體最大應力區域，但應力值均在許用范圍內。當α=90°，β=60°，火炮后坐力達到最大時，車體底面某局部，成為了此時的車體最大應力區域。

3 火炮發射工況車輛多體動力學仿真分析

多體動力學通過建立并分析機械系統的數學模型，得到系統構件的運動學規律和動力學響應?？紤]到車輛的高度耦合性以及車體彈性對整車行駛性能的影響，將車體考慮為柔性體，建立車輛的剛柔混合虛擬樣機模型，進行多體動力學仿真- 分析。

RecurDyn 采用相對坐標系統和完全遞歸算法，非常適合于求解大規模及復雜接觸的多體系統動力學問題。該軟件包含多個專用模塊，我們利用其中的針對高速履帶車輛開發的Track-HM模塊，構建履帶子系統模型，實現高速履帶車輛的運動學、動力學仿真，并通過基于模態縮減技術的R-Flex 剛柔混合建模技術，建立了車輛系統中的柔性車體[9]。

本文車輛剛柔混合虛擬樣機模型建立過程如下：

（1）利用三維CAD 軟件建立車輛零部件幾何模型；

（2）對車體三維模型抽取中面，將中面模型導入有限元分析軟件中建立有限元模型；

（3）在相應位置處添加支撐梁單元，對車體劃分網格后得到車體的有限元模型；

（4）對車體有限元模型進行模態分析以得到柔性車體RFI 文件；

（5）將創建的RFI 文件導入RecurDyn 中；

（6）添加炮塔部分、懸掛系統、行走系統、配重及其他零部件；

（7）建立各零部件之間的連接關系，得到車輛的剛柔混合虛擬樣機模型。

此處的模態求解雖然也在Ansys 中進行，但與之前的模態求解設置不同。此處設置的模態求解數NMODES為無約束模態階數，約束模態階數由定義的接口節點數決定。求解過程中的約束條件通過指定接口節點并運行Ansys 與RecurDyn的接口MAC文件來實現。

由于火炮發射過程中的后坐力變化比較復雜，用RecurDyn 中的函數表達式不容易實現，因此使用用戶子程序，利用高級匯編語言C 來定義。首先編寫用戶自定義子程序代碼，之后生成動態鏈接庫，在Recur-Dyn模型中對已創建的動態鏈接庫DLL 進行調用。

我們對α=0°、45°、90°，β=0°、60°的不同情況，進行了動力學仿真分析，得到了不同射角情況下的部件受力以及柔性車體的應力及應變結果。對結果進行分析，我們得到車體底面經常是車體最大應力區域，后坐力方向改變時，車體最大應力區域也會相應的改變；當高低射角β =60°時，位于炮塔下方的底面區域的應力明顯增大，但均在許用應力范圍內；當方向射角α 改變時，左右兩側扭桿所受扭矩隨方向射角的改變而改變，車體恢復穩定后，左右側扭桿扭矩恢復相同。

比較車體有限元瞬態動力學和車輛剛柔混合虛擬樣機多體動力學兩種方法的結果，可以得到兩種方法下，火炮發射時車體的應力分布相似，但有限元瞬態動力學得到的應力值比多體動力學仿真分析的結果要略大。由于虛擬樣機技術考慮了部件之間的相互聯系，懸掛系統的緩沖作用等，對車體受力分析的邊界條件更接近實際，因此結果更合理。

4 結束語

本文對受沖擊載荷的車體，分別進行了有限元模態疊加法瞬態動力學分析和剛柔混合多體動力學分析，并對其分析的一般方法和步驟進行了總結。并以火炮發射過程為例，利用兩種方法對車體進行了動力學分析，兩種分析方法得到的結果相似。這兩種方法在產品設計過程中，均被廣泛應用，在分析系統結構的固有特性及主要部件的力學性能，深入了解系統內部結構的動力學特性時，可以采用有限元方法；在需要研究系統的總體性能，預測整個工況系統的動態響應情況時，采用多體動力學分析方法。本文的研究為其他機械零部件剛強度分析提供一定的參考。

[1]張衛國，權 龍，程 珩，楊 敬：基于真實載荷的挖掘機工作裝置瞬態動力學分析[J].機械工程學報，2011，47（12）：144-149.

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[3]林建生，王 珊，張寶歡，張 霖.內燃機多連桿機構的多體動力學分析[J].天津大學學報，2007，40（6）：640-643.

[4]王 玉，羊 玢：基于RecurDyn的液壓挖掘機的建模與動態分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2011，25（8）：10-13.

[5]聶旭濤，郭隆德，劉伯林.基于ADAMS 風洞柔壁噴管動力學仿真分析[J].實驗流體力學，2011，25（2）：73-76.

[6]龔曙光.ANSYS 工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社，2003.

[7]馬吉勝.自行火炮發射動力學仿真[J].計算機仿真，2003，20（6）：8-10.

[8]閆清東,張連第,趙毓芹.坦克構造與設計[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[9]焦曉娟，張湝渭，彭斌彬.RecurDyn 多體系統優化仿真技術[M].北京：清華大學出版社，2010.