基于行駛仿真試驗的履帶式車輛行星架結構優化

劉　喆　陶鳳和　賈長治

軍械工程學院，石家莊，050003

?

基于行駛仿真試驗的履帶式車輛行星架結構優化

劉喆陶鳳和賈長治

軍械工程學院，石家莊，050003

摘要：行星架是履帶式車輛側減速器的重要傳動機構，由于測試手段及試驗方法的限制，行星架在設計時采用靜強度設計理論，故無法準確反映其在不同的復雜任務工況下的動態特性，給動載荷作用下構件的壽命預測分析帶來了極大困難，結果導致構件的實際壽命與設計壽命有較大差距。針對該情況，基于ADAMS.ATV建立了履帶式車輛側減速器虛擬行駛試驗平臺，仿真獲得了行星架在不同工況條件下承受的動態載荷譜。基于MSC.Fatigue軟件建立了側減速器的疲勞分析模型，獲得了行星架的疲勞壽命，進而通過改變行星架的結構，仿真預測其疲勞壽命隨行星架不同結構參數的變化規律，為行星架的結構優化做了一定的探索研究。

關鍵詞：履帶式車輛；行駛仿真；行星架；疲勞壽命預測；結構優化

0引言

履帶式車輛具有機動性強、越野性強和自身防護性強的特點，可以在惡劣的戰爭環境中迅速構筑發射陣地形成殺傷力，并且快速撤離，在現代軍事領域發揮著重要的作用。而側減速器因其傳動比大、結構緊湊、傳動效率高、承載能力大等優點被廣泛應用于履帶式車輛的底盤系統中，在履帶式車輛的傳動系統中占有很重要的地位[1-2]。

根據對配備履帶式車輛的部隊的調查可知，履帶式車輛側減速器在使用的過程中出現故障的幾率較高，且一旦出現故障，履帶式車輛傳動系統動力將無法順利傳遞，這嚴重影響履帶式車輛的可靠性及整體性能的發揮。對目前履帶式車輛側減速器出現的故障進行分析可得，行星架出現的主要失效形式為疲勞斷裂，而對其進行失效機理分析時發現，行星架在疲勞斷裂時所承受的載荷要遠遠小于設計的靜態載荷，這就是靜強度設計存在的突出問題。這種問題存在的根本原因是靜強度設計不能準確地反應機械構件在實際中承受的動態載荷，從而導致構件的實際壽命和設計壽命存在較大差距，嚴重影響了履帶式車輛的可靠性，因此準確地預測履帶式車輛機械構件的實際壽命是亟待解決的嚴重問題。

由于測試手段和實驗方法的限制，目前對履帶式車輛中機械構件隨機動載荷確定的研究工作尚不完善，無法準確全面地對履帶式車輛隨機動載荷進行測定，傳統的載荷確定方法采用試驗進行測試，但試驗的周期長，試驗所測數據量大，數據處理工作繁重，資源消耗大，效果慢，這就導致很多設計單位不會投入人力物力資源在試驗上，僅通過靜態設計就確定機械構件的結構尺寸并進行設計生產，最終導致機械構件在實際使用過程中故障較多，實際壽命和設計壽命差距較大。

隨著計算機仿真和系統建模等技術的日趨成熟及完善，解決傳統設計方法上的弊端以及求解更多復雜問題成為可能。本文通過構建某履帶式車輛行駛仿真平臺，獲得履帶式車輛側減速器行星架在不同工況條件下的動載荷，對其疲勞壽命進行仿真預測，進而優化行星架結構。

1基于ADMAS.ATV行駛仿真試驗

MSC.ADAMS軟件是由美國MSC公司開發的虛擬樣機仿真軟件，領先的“虛擬樣機”技術使其成為目前在CAE領域中使用范圍最廣、應用行業最多的機械系統動力學仿真軟件。虛擬樣機技術由于其優越性已越來越多地應用于機械、造船等領域，并取得了豐碩成果。將仿真技術普遍引入武器裝備的設計和研制領域，可以縮短研制周期和降低研制成本，可以極大提高裝備設計和研制的效率。ATV工具箱是ADAMS用于履帶/輪胎式車輛的專用工具箱，能研究車輛模型在各種路面、不同的車速和使用條件下的動力學性能，是分析軍用或商用履帶/輪胎式車輛各種動力學性能的理想工具。

基于ATV工具箱建立履帶式車輛行駛動力學模型，通過仿真計算可以獲取大量與履帶式車輛結構設計和動態性能密切相關的數據，這為最終實現履帶式車輛的虛擬制造、優化設計以及性能預測提供一條行之有效的技術途徑[3-4]。

圖1所示為所建立履帶式車輛底盤系統的ATV模型，我們在此基礎上對履帶式車輛通過施加載荷、約束、運動等方式拓展履帶式車輛系統模型，為對其進行行駛仿真試驗打下基礎[5]。

圖1　建立的履帶式車輛ATV模型簡圖

輪軸受到的路面激勵信號由安裝于第二負重輪軸的加速度傳感器獲得。履帶式車輛在秋后耕地上以8.1 m/s左右的速度勻速行駛。通過加速度測試系統記錄測得的振動信號，將測得的履帶式車輛主動輪和第二負重輪垂直加速度的時域信號導入計算機，用LabView軟件對測量得到的信號進行采集和處理，得到了履帶式車輛路面不平度和負重輪行駛軌跡，如圖2所示。

圖2　路面不平度和負重輪行駛軌跡比較圖

通過查閱履帶車輛設計手冊，發動機在額定功率下的轉速為1200~1300 r/min，為使結果具有可比性，校核時統一采用1250 r/min即7500°/s。將建立的履帶車輛傳動系統在最常用的二擋條件下進行運動仿真，虛擬樣機輸出轉速為690°/s，而設計傳動比為10.9，即設計輸出轉速為688°/s，誤差為0.29%，初步驗證了履帶式車輛虛擬樣機與真實履帶式車輛試驗的一致性。履帶式車輛虛擬樣機可以在一定程度上近似反映履帶式車輛的真實系統，在虛擬行駛仿真模型上添加不同任務的運行參數和路面譜進行虛擬行駛仿真，模擬實際情況的運行，然后測量出行星架承受的動載荷譜，得到的數據可以用于其疲勞壽命的分析和預測。

2履帶式車輛側減速器虛擬樣機及疲勞壽命分析流程

2.1側減速器的FMECA分析表

履帶式車輛側減速器采用2K-H(A)型側減速器(圖3)。由某履帶式車輛側減速器暴露的故障來看，主要故障模式是側減速器各組成部件出現疲勞裂紋、斷裂。本文對某履帶式車輛側減速器在應用過程中出現的故障進行調查統計，通過對履帶式車輛側減速器關重件零件進行故障模式影響及危害度分析(FMECA)，整理出相應的履帶式車輛側減速器FMECA分析表，如表1所示，FMECA是通過對產品組成單元潛在的各種故障模式及其功能的影響進行分析，進而得出產品的關重件對產品可靠性影響的一種分析方法。

圖3　2K-H(A)型行星排結構簡圖

零件名稱功能故障模式故障原因故障影響行星架支撐行星輪軸、傳遞運動行星架軸頸裂紋、斷裂熱處理硬度偏低,圓角半徑小傳動終止行星輪軸支撐行星輪變形、斷裂熱處理硬度偏低,圓角半徑小,載荷沖擊大運動卡滯、載荷分配不均行星齒輪傳遞動力輪齒磨損失效潤滑油液中含雜質、構件本身尺寸有誤差動力傳遞不順暢、整體壽命降低

由表1可以看出，履帶式車輛側減速器在使用過程中關重件為行星架和行星輪軸，這些關重件直接決定了整個側減速器可靠性及壽命，因此本文以行星架為例來進行疲勞壽命的預測分析研究。

2.2側減速器虛擬樣機

虛擬樣機技術是進行虛擬樣機設計和仿真分析的有效手段[5-6]。本文利用建模軟件Pro/E建立了側減速器各個零部件的三維實體模型，通過Pro/E與MSC.ADAMS的接口程序MECHANISM/Pro將建立好的側減速器三維實體模型傳入MSC.ADAMS軟件中，根據側減速器的工作原理和設計要求添加必要的約束，建立了某履帶式車輛的側減速器系統的虛擬樣機，如圖4所示。

圖4　側減速器虛擬樣機

2.3側減速器疲勞壽命預測流程

用傳統的壽命預測方法對履帶式車輛側減速器中關重件進行壽命預測不但任務量大，而且預測結果不準確，本文采用基于接口的仿真技術對側減速器系統關重件的疲勞壽命進行分析預測，仿真分析的流程如圖5所示。

圖5　側減速器關重件疲勞壽命預測流程圖

由圖5基于接口的側減速器關重件疲勞壽命預測的流程圖可知，要求出構件危險部位的疲勞壽命需要提供3個必要條件：構件危險部位的名義應力譜、危險部位所承受的動載荷譜和構件材料的S-N曲線。在應用仿真技術以及相關的技術資料獲得這3個條件后，便可以通過軟件之間的數據接口將這些必要條件結合起來，在疲勞壽命仿真分析軟件MSC.Fatigue中對構件的危險部位進行疲勞壽命仿真預測。

3履帶式車輛行星架疲勞壽命預測仿真研究

3.1行星架有限元分析

將建立的行星架模型通過數據接口導入MSC.Patran中，設置模型的材料屬性和物理屬性，劃分網格并定義邊界條件，施加載荷進行有限元分析。

按表2中的行星架基本參數對模型進行設置；本文采用直接劃分三角形單元的方法對行星架模型進行網格劃分，為了保證有限元分析計算精度，設置網格大小為0.2 mm(圖6)；行星架在運動時通過花鍵和傳動軸連接，帶動行星齒輪轉動傳遞運動，行星齒輪軸提供約束反力，在行星架內部產生壓應力，將花鍵槽端面進行固定，在行星齒輪孔處沿傳動軸軸線切線方向施加載荷。行星架有限元分析的應力應變云圖見圖7、圖8。

表2　行星架基本參數

圖7　行星架應力分布云圖

圖8　行星架應變分布云圖

3.2行駛仿真試驗獲得的行星架所承受動載荷

基于ADAMS.ATV行駛仿真試驗得到不同任務工況行駛載荷，也就獲得了側減速器輸出軸在行駛過程中所承受的動載荷，將此載荷作用到側減速器虛擬樣機軸頸部位，并進行側減速器的動力學仿真分析，獲得了側減速器各部件所承受載荷。

圖9為側減速器在某任務工況行駛時行星架軸頸所承受隨機動載荷的DAC格式文件圖[7-9]。各任務工況分類參見文獻[9]，這里不再贅述。

3.3材料的S-N曲線

查閱資料得知側減速器行星架的材料為45CrNiMoVA，其表面采用了氧化處理，熱處理硬度大于等于HB280。抗拉壓強度極限為1175 MPa，彈性模量為207 GPa。根據45CrNiMoVA材料的疲勞特性曲線，創建行星架的疲勞特性數據，得到行星架材料的S-N曲線，如圖10所示。

3.4行星架疲勞壽命預測仿真分析

(a)B級路面2擋行駛工況

(b)C級路面3擋行駛工況

(c)D級路面2擋行駛工況

(d)E級路面2擋行駛工況圖9　不同任務工況行星架所承受動載荷

圖10　行星架的S-N曲線

根據圖9提供的不同任務剖面下自行火炮側減速器行星架所承受的動載荷，結合前面分析得到的材料的S-N曲線，在側減速器行星架應力模型上，設定Goodman平均應力修正，提交MSC.Fatigue軟件，分別添加不同任務剖面下的DAC格式動載荷文件來對行星架的疲勞壽命進行分析預測，不同任務剖面的動載荷作用下行星架的疲勞壽命云圖見圖11。

(a)　B級路面2擋(b)　C級路面3擋　行駛工況　行駛工況

(c)　D級路面2擋(d)　E級路面2擋　行駛工況　行駛工況圖11　不同任務工況下行星架疲勞壽命預測

從壽命云圖上可以看出，行星架疲勞壽命的危險點都在軸頸處，這和前面故障模式分析中的故障數據一致，一定程度上說明了仿真分析結果的正確性。

3.5疲勞損傷壽命仿真結果分析

將圖11中的疲勞壽命預測結果進行分析比較，對比結果如表3所示，表3中，s為行駛路面距離。

表3　不同任務剖面的行星架疲勞壽命預測對比

表3中所提供的不同任務工況下不同行星架對應的行駛路程的計算公式為

(1)

式中，S′為載荷時間歷程所對應行駛路程，km；S″為零部件疲勞壽命對應行駛里程，km；N為疲勞壽命循環次數。

如表3所示，在履帶式車輛行駛仿真試驗中，通過所提供的不同任務工況，確定所承受的隨機動載荷，通過疲勞損傷仿真分析，可以得到行星架發生疲勞破壞時對應的行駛里程。根據履帶式車輛的實際行駛工況[10]，依據履帶式車輛駕駛員經驗分別初步賦予不同任務剖面的權重系數，結果如表4所示。

表4　不同任務工況的加權系數分配比例

由表4可知，履帶式車輛側減速器行星架的疲勞壽命為5769.255 km。由可靠性數據收集與分析可知，本文所研究的履帶式車輛行星架在行駛于7889 km和7651 km時在行星架軸頸處出現過裂紋斷裂的失效現象。而設計定型試驗中用于測試的路面相對平坦，本文中行駛仿真的路面是隨機產生的，形成的載荷突變更多，故基于行駛仿真試驗的行星架的疲勞壽命比設計定型試驗統計的數據稍小是合理的。

3.6行星架結構優化分析

本文采用機械系統結構優化理論，將有限元分析技術應用到行星架的結構優化中，通過比較不同結構的行星架在相同任務下的壽命預測結果，指出行星架的疲勞壽命隨結構參數的變化規律，進而指導行星架的結構設計。

行星架在任一工況條件下所承受的載荷主要是扭矩，在扭矩一定時，行星孔數目越多，每個行星孔分擔的扭矩載荷就越小，在同樣的使用頻率和強度下發生疲勞破壞的可能性就越小，其疲勞壽命就越長。圖12所示為運用有限元方法建立的不同行星孔數的行星架模型，圖13所示為不同大小倒角4個行星孔的行星架有限元模型。

圖12　不同行星孔數行星架有限元網格劃分

圖13　軸頸處不同大小倒角的4孔行星架有限元網格劃分

從前述的分析可知，行星架應力集中的位置在軸頸處，發生疲勞破壞的位置也在軸頸處，故軸頸處的應力集中和行星架的疲勞壽命之間也具有一定的關系。

故本文以行星孔的數目和軸頸處倒角的大小為兩個變量，研究行星架在兩變量控制下的疲勞壽命變化規律，進而指導其行星架的結構設計。

運用有限元分析的方法對建立的不同結構行星架的疲勞壽命進行仿真預測，預測結果如表5所示。

表5　不同結構行星架疲勞壽命預測對比　km

由表5可以得出結論，在同樣的工況條件下運行，承受同樣的動態載荷，隨著軸頸處倒角的增大，行星架的疲勞壽命呈遞增趨勢；同時隨著行星孔數目的增加，行星架的疲勞壽命呈遞增趨勢。故從單目標的結構優化結果分析可知，倒角越大，行星孔數目越多，危險點處的結構應力越小，整個結構的疲勞壽命越長。同時，查閱機械設計手冊，滿足一定的結構參數要求的情況下，行星架的行星孔數目必須小于6，倒角大小由制造工藝一般小于等于5 mm，故要使行星架結構疲勞壽命達到最大，其結構優化結果行星孔數目為5，軸頸處倒角大小為5 mm。

4結論

(1)基于行駛仿真試驗獲得履帶式車輛側減速器關重件薄弱環節在不同任務工況所承受的交變動態載荷譜，解決了對關重件進行疲勞壽命仿真預測時動載荷獲取的難題。

(2)對側減速器關重件進行動載荷作用疲勞壽命預測分析，獲得不同任務工況下行星架的疲勞壽命，并與行星架實際使用壽命相對比，有較好的一致性，證明基于行駛仿真試驗預測疲勞壽命的方法是可行的。

(3)本文運用有限元仿真的方法對不同結構行星架的疲勞壽命進行仿真預測，仿真預測結果為行星架的動態優化及結構改進提供了科學的理論依據，因此具有十分重要的實用意義。

參考文獻：

[1]Brophy P．Qualitative Approaches to Measuring the Performance of Emerging Library Services[J]． Performance Measurement and Metrics，2008,9(1):7-17.

[2]吳大林，馬吉勝，李亞東,等．一類自行火炮行走部分建模與仿真研究[J]．系統仿真學報, 2004, 16(11): 1153-1155.

Wu Dalin, Ma Jisheng, Li Yadong, et al. Model and Simulation of a Self-propelled Gun Chassis[J]. Acta Simulata Systematica Sinica, 2014, 16(11): 1153-1155.

[3]Rubinstein D,Hitron R. A Detailed Multi-body Model for Dynamic Simulation of Off-road Tracked Vehicles[J]. Journal of Terra Mechanics, 2004, 41: 163-173.

[4]Currana G， Gomisa S， Castagnea J， et al. Edgar Ntegrated Digital Design for Manufacture for Reduced Life Cycle Cost[J]. Int. J. Production Economics，2007， 109：27-40.

[5]朱紅建．汽車鋼圈疲勞壽命強度的有限元分析與壽命預測[J]．新技術新工藝, 2011(6): 121-123.

Zhu Hongjian. Finite Element Analysis & Life Forecast for the Fatigue Intensity of Automobile Rims[J]. New Technology & New Process, 2011(6): 121-123.

[6]張慶霞．履帶式車輛傳動件疲勞壽命分析與結構改進研究[D]．石家莊：軍械工程學院，2007.

[7]賈長治，殷軍輝，薛文星．MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[8]杜秀菊，賈長治，董兆偉,等. 基于接口的協同仿真技術在動態優化設計中的應用[J].機械工程學報，2008, 44(8): 123-131.

Du Xiuju, Jia Changzhi, Dong Zhaowei, et al. Application of Collaborative Simulation Based on Interfaces Used in Dynamic Optimization Design[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(8): 123-131.

[9]杜秀菊．某型履帶式車輛傳動系統動力學仿真及壽命預測分析[D]．石家莊：軍械工程學院，2006.

[10]黃澤好，魯旭升，徐文強．基于模態應力恢復的全地形車車架疲勞壽命預測[J]．重慶理工大學學報(自然科學版), 2012, 26(3): 69-73.

Huang Zehao, Lu Xusheng, Xu Wenqiang.Fatigue Life Prediction for All-terrain Vehicle Frame Based on Modal Stress Recovery[J]. Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science), 2012, 26(3): 69-73.

(編輯袁興玲)

Planetary Cage Structure Optimization of Caterpillar Based on Running Simulation Test

Liu ZheTao FengheJia Changzhi

Mechanical Engineering College,Shijiazhuang,050003

Abstract:Planetary cage was an important part in caterpillar, and it was designed with the static strength theory within limitation of tests and experimental methods. Thus the actual dynamic characteristics of planetary cage could not be embodied, and it brought difficulties to predict life with given dynamic loads and the results were in wide gap between actual life and designed one. A virtual running test platform was built based on ADAMS.ATV, and the dynamic load suffered by planetary cage in different working conditions was obtained. Then the fatigue life of planetary cage was analyzed with fatigue life prediction model of planetary cage established with MSC.Fatigue. The fatigue models of the side reducer were established, and the fatigue life of the planetary cage was obtained, thereby the structure of the planetary cage was improved, the fatigue life of the planetary cage was predicted with the variation of the structural parameters, the planetary cage for structural optimization was explored.

Key words:caterpillar; running simulation; planetary cage; fatigue life prediction; structure optimization

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51175508)；河北省自然科學基金資助項目(E2012506009)

收稿日期：2015-03-18

中圖分類號：TP391.9DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.23.023

作者簡介：劉喆，男，1988年生。軍械工程學院火炮工程系博士研究生。主要研究方向為兵器維修保障與運用工程。發表論文3篇。陶鳳和，男，1963年生。軍械工程學院火炮工程系教授、博士。賈長治，男，1974年生。軍械工程學院火炮工程系副教授、博士后研究人員。