發射載荷作用下履帶車底盤靜態強度分析

張瓊，楊國來，葛建立，陳強

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

對于履帶車的薄殼結構的車體，在設計中往往出現不同程度的應力集中和剛度不足，從而導致車體性能降低。底盤是履帶車行動系統的一個重要組成部分，某些底盤設計理念過于簡化將難以得到準確的結果。為了滿足履帶底盤的剛強度要求，必須通過有限元的結構設計進行改進。柳高潔［1］針對某底盤的單扭桿懸掛結構采用ABAQUS中的彈簧阻尼連接器模擬，對結構進行動力學仿真及優化;余紅英［2，3］等對某自行火炮車體進行有限元剛強度分析，其中對底盤進行有限元分析時將懸掛系統用單自由度的彈簧單元進行模擬，分析了不同射角時發射載荷作用下車體的應力和應變;王長武［4］通過參數化建立履帶板殼單元，以達到有限元建模縮短時間，降低工作量的目的。目前，在底盤剛強度有限元分析中的扭桿懸掛模型的建立還沒有太多介紹。

本文主要對基于懸掛結構的底盤剛強度進行建模及分析，通過扭桿懸掛的經典算式和有限元仿真對比分析扭桿懸掛有限元模型的可行性，并對比兩種底盤有限元模型計算結果，獲得了靜態發射載荷作用下底盤的應力。

1 扭桿懸掛系統的剛度特性

某履帶式底盤采用不同軸雙扭力桿式懸掛系統，其工作原理［5］為:通過扭桿懸掛端支座和扭桿固定端支座安裝在車架縱梁上，車輛在路面行駛或發射過程中由于底盤具有垂直方向的運動自由度，負重輪也會產生垂直方向的運動，與之相連的平衡肘將發生擺動，進而帶動扭桿發生扭轉，則軸向扭轉剛度起彈性元件的作用。為了精確地描述發射過程中懸掛系統的彈性特征涉及到履帶式底盤強度分析的準確程度，因此在建模時采用經典算式和有限元兩種方法，并對其計算結果進行比較。

1.1 扭桿懸掛剛度的經典計算方法

扭桿式懸掛垂直方向等效剛度的經典算式［6］為:

式中，θ為扭力桿的最大扭轉角度，J為扭力桿的極慣矩:J=πd4/32，d，l分別為扭力桿的工作直徑和工作長度;G為扭力桿材料的剪切彈性模量，R為平衡肘臂長，α為平衡肘靜止時的傾角。經典算式中各參數表示如圖1所示。

圖1 負重輪與平衡肘關系

1.2 基于有限元法的扭桿懸掛剛度計算

根據扭桿懸掛的結構特點建立其有限元模型，如圖2所示。

圖2 扭桿懸掛有限元模型

將相關參數代入式（1），計算得到扭桿懸掛的等效剛度為k=318 050.9 N/m。

2 底盤及土壤有限元模型

本文建立了底盤的兩種有限元模型，即:1）基于扭力桿的底盤模型;2）用兩個自由度的彈簧模擬扭力桿的底盤模型。分別計算這兩種模型在發射載荷下靜態的應力及應變分布規律，分析結果并得到其中一種有限元模型的可行性。

2.1 基于扭力桿的底盤模型

1）有限元離散模型的建立

在建模過程中，根據整個底盤的結構特點，可以將此系統分為四個部分:車體部分、懸掛系統、履帶部分以及土壤。通過模塊化思想簡便而又精確地對三維實體模型進行離散，在座圈、車體側板之間的筋板采用shell-to-solid耦合法連接，用以解決殼單元和實體單元之間過渡問題。建立了與三維實體模型吻合度較高的有限元模型，其中包括履帶板、銷連接、扭力桿、扭力桿套、平衡肘的三維有限元模型以及土壤的非線性有限元模型，圖3為整個系統的有限元模型。

圖3 底盤及土壤有限元模型

履帶車模型所采用的單元類型有三種:三維板殼單元、三維實體單元、桿單元。履帶板和連接銷采用三維實體單元SOILD建模，與實際模型相吻合，此部分與文獻［4］中將履帶板用板殼單元建模不同，這種處理能夠精確模擬各輪與履帶板、履帶板與土壤以及履帶板與銷之間各部分的關系。履帶有限元離散模型如圖4所示。

圖4 履帶板有限元模型

土壤模型采用Druker-Prager非線性本構模型;車體頂甲板和底板之間的支撐槽鋼采用T3D2桿單元建模;車體部分多數采用三維板殼單元建模。此模型總共劃分728 515個單元，817 955個節點。

2）邊界條件及載荷施加

對于車體的邊界條件，主要考慮履帶車在靜止時刻發射載荷作用下的剛度和強度。即靜態模型，也就是說負重輪和履帶板相對靜止在土壤上，因此對土壤底面施加三個方向自由度的約束。懸掛部分的相互連接關系處理為:扭力桿的一端與一側的扭力桿套固定，另一端為自由端，將其與另一側扭力桿套之間約束為相對轉動關系，與平衡肘的約束為兩者固定，保證兩者具有相同的轉動效果，即當負重輪有垂直方向的位移時，平衡肘的一端發生相對轉動，進而帶動扭力桿的一端相對固定端發生扭轉。

履帶的連接關系作如下處理:每個板塊按照三維實體進行離散，相鄰兩塊板間通過連接銷模擬相互轉動關系。由于系統進行靜態分析，因此每條履帶與負重輪、拖帶輪、主動輪以及誘導輪通過Tie連接單元連接起來。

在發射載荷作用下，底盤的回轉部分受到后坐阻力、翻轉力矩、重力和慣性力矩的作用。將某一時刻下整個車體作為一個平衡體，根據作用力與反作用力原理，將此作用力轉化到車體頂板座圈處，即可分解成沿x，y，z三個方向的作用力和力矩［3］。因此，有限元分析中將分析得到的載荷值分別施加到車體頂板座圈中心處，即在座圈中心處建立載荷作用點，該作用點與座圈上側各節點通過剛性單元均布連接，并在該作用點上施加各個方向的力與力矩。

2.2 用單自由度彈簧模擬扭力桿的底盤模型

在扭桿懸掛離散模型的基礎上，將扭力桿的自由端與其相連的平衡肘的固定約束改為兩者相對轉動約束，將彈簧一端固定在車體側甲板上，另一端固定在平衡肘臂下側的圓孔內，彈簧的傾斜度數為45°，這樣彈簧便隨著負重輪的上下移動具有一個沿彈簧軸向拉伸或者壓縮的位移自由度。同理，邊界條件以及載荷施加均與基于扭力桿有限元模型相同。

3 計算結果及分析

通過對以上兩種有限元模型進行有限元計算，得到三種模型的應力應變云圖，計算結果整理于表1和表2中。

表1 兩種有限元模型應力結果

表2 兩種有限元模型變形結果

對計算結果進行分析，得到如下結論:

基于扭力桿的有限元模型和用單個自由度彈簧模擬扭力桿的有限元模型的計算結果基本一致;并且應力與應變的最大值滿足要求，發生部位也基本一致。

4 結語

本文建立了履帶底盤的結構靜力學模型，通過扭桿懸掛經典理論計算的扭轉剛度與有限元計算值基本一致，為底盤結構的整體有限元建模提供了依據。建立了兩種底盤有限元模型，得到底盤的應力和變形分布規律，找到了應力和變形最大值對應的部位，可為底盤結構設計提供一定的參考依據。

［1］柳高潔.自行火炮結構動力學分析及優化設計研究［D］.南京:南京理工大學，2009.

［2］余紅英，黃晉英，潘宏俠.某自行火炮車體有限元剛強度分析［J］.華北工學院學報，2003，24（2）:116-119.

［3］侯寶林，顧克秋，錢林方.火炮發射時車體變形與應力的有限元分析［J］.火炮發射與控制學報，2000（3）:22-24.

［4］王長武.自行火炮非線性有限元模擬及仿真可視化技術研究［D］.南京:南京理工大學，2002.

［5］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，2006.

［6］丁法乾.履帶式裝甲車輛懸掛系統動力學［M］.北京:國防工業出版社，2004.

［7］K-J Mun，T-J Kim and Y-S Kim.Analysis of the roll properties of a tubular-type torsion beam suspension［D］.Journal of Automobile Engineering，2010，224:1.