面向空投著陸沖擊過程的裝甲車車體動態響應研究

摘? 要：空降車輛的抗著地沖擊性能，是關系到該車輛能否滿足空投要求的一項重要性能，采用實物空投試驗的方法費時、費力，且受自然條件影響較大，無法對各種工況進行驗證，為解決此問題，本文利用遠程控制理論原理，在測得實車空投沖擊數據的基礎上，采用將結構動力學理論與非線性有限元方法相結合的方法，采用解耦解法，基于ANSYS Workbench軟件的瞬態分析模塊，對某輪式空降戰車車體的空投著地沖擊的響應和車輛的模態進行了分析，求解出車體各部分的靜態和動態載荷。評估車體結構的剛強度，對車體剛強度不足之處提出改進意見并驗證。

關鍵詞：裝甲車車體;著陸沖擊;瞬態分析

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0177-03

Abstract：Ground impact resistance of airborne vehicle is an important performance related to whether the vehicle can meet the requirements of air dropping. The method of physical air dropping test is time-consuming and laborious，and is greatly influenced by natural conditions，so it is impossible to verify various working conditions. In order to solve this problem，this paper based on the measured data of real vehicle air dropping impact，the structural power is adopted by using the theory of remote control. Combining theory with non-linear finite element method，using decoupling method and transient analysis module based on ANSYS Workbench software，the response of a wheeled airborne combat vehicle to the ground impact and the modal of the vehicle are analyzed，and the static and dynamic loads of each part of the vehicle body are solved. Evaluate the rigidity and strength of the car body structure，put forward the improvement suggestions and validate the shortcomings of the rigidity and strength of the car body.

Keywords：armored vehicle body;landing impact;transient analysis

0? 引? 言

輪式空投裝甲車由于具有極為出色的機動性，目前為各國所重視[1]。而空投裝備在研制過程中，需要對整車的剛強度設計進行評估，作為整車的主要承載部件，車體的剛強度評估尤為重要，其剛強度是否滿足空投著地沖擊的可靠性及耐久性要求，將直接影響到整個空投任務的成敗。因此輪式空投裝甲車車體著陸沖擊作用過程中的動態響應分析極為重要[2]。

目前，空投裝甲車著地沖擊作用下的動態響應分析方法有兩種：

（1）實車著地沖擊試驗;

（2）理論分析及數值仿真[2，3]。

借助于仿真方法可對車體乃至其他部件的剛強度及模態進行分析，滿足了快速研發的要求[4]。

對空投裝甲車車體進行動態響應分析的方法主要分為兩種：耦合解法和解耦解法。相對耦合解法，解耦解法只要將氣囊對車體的作用力進行合理而準確的簡化，就可以獲得較為準確的動力響應結果。采用該方法的優點在于合理地降低了求解的難度，更為直接而有效[7-9]。

針對上述問題，本文采用求解難度較小的解耦解法，通過前期得到的載荷模型，基于成熟的ANSYS Workbench平臺，建立車體的瞬態分析模型，得到車體的著陸沖擊過程的動態響應，從而評估車體的剛強度，對其結構優化提供依據。

1? 車體著陸沖擊過程分析

車體著陸沖擊過程是在很短的時間內，劇烈碰撞動態載荷作用下發生的復雜非線性動態響應過程。因此，對于車體在載荷下的瞬態動力學過程進行數值仿真，得到系統在著陸沖擊瞬間的應力與變形的數值算法一般都是釆用積分求解算法。

在慣性系中，著陸沖擊瞬間的運動方程可以表示為：

其中，[M]為車體的質量矩陣，[C]為車體的阻尼矩陣，[K]為車體的剛度矩陣，{a}為加速度矢量，{v}為速度矢量，g0gggggg為位移矢量，{Fex}為包括沖擊力在內的外力矢量。令{Fin}=[C]{v}+[K]g0gggggg，并設{Fre}={Fex}+{Fin}，則車體沖擊瞬間的運動方程可以表示為：

若采用集中質量，即質量矩陣[M]變為對角陣，則各個方向的運動方程是相互獨立的，即：

綜合比較現有的分析軟件，決定采用ANSYS Work-bench的瞬態分析模塊作為仿真平臺。

2? 車體著陸沖擊過程仿真

2.1? 車體模型的建立

車體三維幾何模型是通過Pro/Engineer軟件建立的，直接進行有限元分析計算量過大，因此，對三維模型進行了簡化，并將處理后的三維模型導入ANSYS Workbench軟件中。

2.2? 模型前處理

在DesignModeler模塊中進行必要的前處理，其主要內容是創建約束和載荷施加的點和面。

2.3? 車體有限元網格劃分

車體結構主要是由高強度鋼板、加強筋、角鋼和矩形截面梁焊接組成的，車體模型構件根據其特征可分為三類，一類是剛強度鋼板結構，選取四節點的shell63單元;第二類是復雜加強筋結構，選取帶中間節點的四面體單元solid187;而第三類結構是簡單加強筋結構，選取六面體單元solid185。

2.4? 車體瞬態分析模型建立

由于車體和加強筋是通過焊接方式連接，所以設置接觸是十分必要的，為了簡化模型，接觸類型設置為綁定。

約束類型為固定約束，固定點為車體前方與后方各兩個固定點。載荷可分為底甲板對車體的沖擊力和與車體連接的部件在著陸沖擊過程中產生的慣性力兩類，為了簡化模型，按照位置分布與重要程度，將部件簡化為發動機、散熱器、油箱、底部集合和上裝五部分。

2.5? 車體載荷模型建立

前期試驗數據主要包括車體著陸沖擊過程中各點的加速度數據，其數據采集頻率為100Hz，而著陸沖擊過程約3.5s，波形近似于三角波。

2.6? 瞬態分析設置

在ANSYS Workbench中初設條件設置即初始速度及溫度，初始速度設置為0;載荷步設置共設置35個載荷步，每步結束時間為0.1s。

2.7? 后處理

全部設置完成后開始求解，求解過程共歷時1358s，求解完成后導出變形云圖和等效應力云圖，由分析結果可知著陸沖擊過程中最大變形發生在車體散熱器安裝處，最大位移值為27.588mm。由分析結果可知著陸沖擊過程中最大應力發生在炮塔立柱底部，最大為578.24MPa。

2.8? 仿真結果分析

分析車體的變形云圖與等效應力云圖可知，最大變形發生在車體散熱器安裝處，變形較大，著陸沖擊過程中可能發生損壞，由于該處未設置支撐或加強，故符合實際情況;最大等效應力發生在炮塔立柱下方，發生了應力集中，等效應力值超過了材料的許用應力，在實際著陸沖擊過程中可能發生斷裂。車體變形云圖如圖1所示。

3? 面向車體著陸沖擊過程的優化設計

由車體著陸沖擊仿真結果可知，散熱器安裝處與炮塔立柱下方分別存在變形過大與應力集中的現象，所以針對所存在的問題對其結構進行了優化，優化方式為增加加強筋。如圖2所示，在散熱器安裝處增加了加強筋，在炮塔立柱下方增加了加強筋，連接方式都為焊接。

分析仿真結果可得到以下結論：

（1）優化后的車體結構最大變形發生在散熱器安裝處，位移值為6.008mm，較優化前結構，變形減小77.9%，同時，最大變形滿足了工作要求。

（2）優化后的車體結構最大等效應力發生在炮塔安裝處，應力值為375MPa，較優化前，減小了35.1%，優化了原先結構的應力集中現象，最大等效應力值符合材料的許用應力，優化后的結構達到了裝甲車車體空投著陸沖擊的強度。

（3）仿真結果與實際情況符合，優化結果對輪式空投裝甲車的設計有很大的參考價值。

4? 結? 論

通過輪式空投裝甲車車體著陸沖擊過程的分析，利用ANSYS Workbench中的瞬態分析模塊，對著陸沖擊工況下的輪式空投裝甲車車體的虛擬樣機進行了瞬態分析，得到車體著陸沖擊時變形及應力分布。通過分析仿真結果，對車體薄弱處進行了優化，優化后的模型仿真結果達到了實際工況要求。本文所得研究方法可為空投車輛的優化設計工作提供一定的參考，能夠加快研制進度，大大節省試驗費用。

參考文獻：

[1] 劉煥松.俄羅斯BMD系列空降戰車 [J].國外坦克，2004（12）：33-35.

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作者簡介：馮宇（1978.10-），男，漢族，河北人，干部，本科，研究方向：輪式車輛總體設計。