基于力學(xué)性能安全的ATV 桁架式車身輕量化設(shè)計

摘 要：針對特種全地形車（ATV）桁架式車身安全與輕量化需求，該文提出協(xié)同靜動態(tài)力學(xué)性能輕量化方法，開展某特種ATV 桁架式車身輕量化設(shè)計。通過有限元分析獲取車身結(jié)構(gòu)靜動態(tài)力學(xué)特性，建立基于力學(xué)性能安全的ATV 桁架式車身輕量化優(yōu)化模型；結(jié)合靈敏度分析和主效應(yīng)分析提取桁架式車身關(guān)鍵設(shè)計變量，開展試驗設(shè)計獲取輕量化設(shè)計樣本點，構(gòu)建最小二乘法（LSR） - 徑向基函數(shù)（RBF）混合代理模型，提出協(xié)同靜動態(tài)力學(xué)性能輕量化優(yōu)化策略，通過序列二次規(guī)劃（SQP）算法優(yōu)化獲取ATV 桁架式車身輕量化設(shè)計方案。結(jié)果表明，在保證靜動態(tài)力學(xué)性能條件下，該方法能有效降低ATV 桁架式車身質(zhì)量3.82%。

關(guān)鍵詞： 特種全地形車（ATV）；桁架式車身；輕量化；耐撞性

中圖分類號： U 463.82 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.003

特種車輛因具有高機動性和安全性，廣泛應(yīng)用于國防軍事工業(yè)[1]。較重的車身會導(dǎo)致燃油經(jīng)濟性和操控性能不佳，增加生產(chǎn)制造成本[2]。輕量化武器裝備是保障全域機動性、實現(xiàn)遠距離快速投送、降低后勤保障壓力等要求的重要基礎(chǔ)[3]。輕量化優(yōu)化設(shè)計可以在車身減重的同時有效提升特種全地形車（all-terrainvehicle，ATV） 車輛整體性能。為實現(xiàn)特種ATV 越野性能強、機動性高、承載能力大和抗沖擊能力強等要求，輕量化成為設(shè)計階段的必要流程。桁架式車身具有受力明顯、協(xié)調(diào)性好、易于加工等特點，是特種ATV 最常用車身結(jié)構(gòu)之一，但這種結(jié)構(gòu)承載力有限、變形能力較差，導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中的抗沖擊性能較弱。因此，基于桁架式車身靜動力學(xué)性能安全開展輕量化設(shè)計對提高特種ATV 機動性能與作戰(zhàn)能力具有重要意義。

ATV常在惡劣的地形條件下運行，要關(guān)注更多力學(xué)性能下的約束條件[4]。M. Lázaro等[5]認為剛度是衡量ATV安全的標準之一，采用有限元法分析巴哈ATV底盤彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，對ATV底盤優(yōu)化設(shè)計。可以看出，在ATV車身性能安全分析指標中，車身剛度為基本設(shè)計要求。ATV行駛過程中處于高頻振動，可能會給武器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和車身性能帶來不利影響[6]。考慮到ATV車身穩(wěn)定性及避免產(chǎn)生共振，金兆輝等[7]以ATV車架為研究對象，從ATV車架模態(tài)、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度以及極限工況下最大位移和最大應(yīng)力分析并評價ATV車架設(shè)計可行性。ATV應(yīng)用場景常存在碰撞，當(dāng)車身結(jié)構(gòu)滿足靜態(tài)力學(xué)性能安全時，但不一定能夠適用于碰撞場景，協(xié)同耐撞性分析與設(shè)計對提高ATV全域作戰(zhàn)能力具有重要意義。R. Soundararajan等[8]在ATV車架設(shè)計中考慮正面碰撞、側(cè)面碰撞、后方碰撞及側(cè)翻沖擊下的總變形量和等效應(yīng)力作為ATV設(shè)計的安全性能指標。戰(zhàn)場環(huán)境的多樣化對ATV靜動態(tài)力學(xué)性能提出更多要求，協(xié)同靜動態(tài)力學(xué)性能是分析與設(shè)計輕型特種ATV的基本要求。

輕量化技術(shù)是實現(xiàn)設(shè)計輕型車身設(shè)計的主要手段。針對白車身輕量化問題，左文杰[9] 等以白車身厚度為變量，考慮車身剛度、強度與頻率約束等基本力學(xué)性能，使用序列線性規(guī)劃方法進行非線性優(yōu)化實現(xiàn)白車身減重。為特種ATV 能適應(yīng)快速全域的機動作戰(zhàn)，對ATV 車架輕量化設(shè)計得到學(xué)者的關(guān)注。龍江啟等[10]提出基于剛度和模態(tài)靈敏度的ATV 車架輕量化方法，采用相對靈敏度方法篩選設(shè)計變量，以質(zhì)量最小為目標，一階模態(tài)頻率、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度為約束，實現(xiàn)ATV 車架輕量化。李作軒等[11] 提出基于多工況關(guān)聯(lián)的車身結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化，利用設(shè)計變量縮減策略，并引入Gauss 代理模型結(jié)合遺傳算法實現(xiàn)特種無人車輛車身結(jié)構(gòu)減重。特種ATV 作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，應(yīng)用場景存在強正面對抗，帶來強沖擊載荷。特種ATV 車身結(jié)構(gòu)減重后對車身結(jié)構(gòu)安全和車內(nèi)人員安全造成威脅，輕量化的同時需考慮其碰撞力學(xué)性能安全。現(xiàn)有特種ATV車身輕量化設(shè)計較少，大多數(shù)考慮各工況下車身強度或剛度等基本力學(xué)性能安全特性進行減重優(yōu)化，較少協(xié)同碰撞力學(xué)性能安全實現(xiàn)車身減重。

針對以上問題，本文提出一種協(xié)同靜動態(tài)力學(xué)性能安全的輕量化優(yōu)化方法，旨在保證特種ATV桁架式車身在確保靜動態(tài)力學(xué)性能安全前提下，實現(xiàn)特種ATV桁架式車身輕量化。通過分析某特種ATV車身結(jié)構(gòu)靜動態(tài)力學(xué)特性，建立基于靜動態(tài)力學(xué)性能安全的ATV桁架式車身輕量化優(yōu)化模型；結(jié)合靈敏度分析和主效應(yīng)分析篩選響應(yīng)車身各力學(xué)特性的關(guān)鍵設(shè)計變量，開展試驗設(shè)計獲取輕量化設(shè)計樣本；構(gòu)建最小二乘法（least square method，LSR）-徑向基函數(shù)（radial basisfunction，RBF）混合代理模型預(yù)測車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)，采用序列二次規(guī)劃算法（sequential quadraticprogramming，SQP）求解協(xié)同靜動態(tài)力學(xué)性能的輕量化問題，獲取并驗證ATV桁架式車身輕量化設(shè)計方案。

1 ATV 桁架式車身結(jié)構(gòu)及優(yōu)化模型定義

1.1 車身結(jié)構(gòu)與有限元建模

某特種ATV 承載式車身由獨立桁架與蒙皮焊接而成，如圖1 所示，前端為車身主要吸能結(jié)構(gòu)，車身總體外形尺寸為L×W×H = 3 920 mm×1 657 mm×1 249 mm。設(shè)計駕乘人數(shù)為6 人，分布形式呈3 排2 列。其中蒙皮采用DP980 高強度鋼，厚度為d1 = 2 mm ；桁架采用Q345 材料，厚度為d2 = 2 mm。2 種材料密度ρ、泊松比v、彈性模量E 以及屈服強度σs 如表1 所示。

利用有限元前處理軟件HYPERMESH對車身結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格離散，建立車身有限元模型。其中，蒙皮和桁架均采用SHELL單元模擬，車身網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，整車共225 146個單元。各桁架間及蒙皮與桁架間均采用熔化極活性氣體保護電弧焊，以斷續(xù)焊接為主，外部滿焊為密封。不考慮焊縫位置的應(yīng)力分布，有限元建模時忽略焊縫，各桁架間及蒙皮與桁架間采用節(jié)點耦合的方式進行連接。