高速行驶工况下履带车辆车体刚强度分析

马星国，王旭旭，尤小梅，叶 明，龚雪莲

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159;2.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072)

有限元技术越来越多地被应用到新车型的履带车辆车体结构设计中.对于履带车辆的复杂车体结构和机械性能，有限元仿真软件可以根据不同的求解目的、求解方式以及不同研究对象的使用习惯建立不同的求解模型，达到对其性能的综合评价［1］.

履带车辆在行驶过程中，路面不平度的激励对车辆形成冲击.履带车辆以最大速度行驶是其运动状态中较为复杂且受冲击最大的工况［2］.本文分析履带车辆以最大速度75 km·h－1行驶在坚实路面工况下所受的牵引力和发动机冲击载荷，研究复杂结构模型的简化方法和不同载荷的施加方法，建立履带车辆复杂车体结构的有限元力学模型，进行模态分析计算和刚强度分析计算，并对两种分析计算所得结果进行分析，验证履带车辆整车刚强度是否满足设计要求.

1 车体结构有限元模型的建立

在一个有限元分析过程中，通常前处理都要占据百分之七八十的时间［3］.建立适当的有限元模型，是解决相应工程问题的主要步骤，有限元模型的精度会直接影响求解的精度和结果的合理性［4］.

履带车辆车体结构十分复杂，故先在Pro/E软件中对车体模型进行初步简化，将简化后的模型导入Hypermesh软件中，得到如图1所示的车体几何模型.

图1 车体几何模型Fig.1 Geometry model of tracked vehicle body

在Hypermesh软件中对三维几何模型进一步简化，简化遵循以下原则:

(1)车体模型的倒角对整体强度影响不大，一般是将其简化，提高计算效率.

(2)采取整体抽取中面方式进行简化.对不同厚度的结构抽取中面时出现的两中面不重合现象，可移动其中一个中面与另一个中面重合.但在分析时，需分别设置两个中面的不同厚度.

(3)车体甲板用其中面进行简化，在划分单元时给定板厚，外观尺寸、角度保持不变.

(4)扭杆支架、主动轮支架、诱导轮支架、发动机支撑等保持真实的三维实体结构，并与车体二维网格进行有限元节点匹配连接.

(5)车体内纵梁、横梁、立柱及各类筋板全部用面进行简化，在划分单元时给定板厚，外观尺寸和角度保持不变.

(6)忽略焊缝对车体结构强度的影响，焊接位置直接几何连接.

(7)实体单元和壳单元之间采取节点匹配或者建立刚性连接区域.

简化完成的三维模型如图2所示.

图2 简化后的车体几何模型Fig.2 Simplified geometry model of tracked vehicle body

整车三维几何模型简化完成后，在Hypermesh软件中进行网格划分，采用壳单元SHELL181和实体单元SOLID185单元类型，得到的整车车体结构有限元网格模型如图3所示.

图3 车体结构有限元网格模型Fig.3 Finite elementmesh model of tracked vehicle body

2 履带车辆车体模态分析

为了评估车体的振动特性，在不计车体内部各设备或部件的情况下，将在Hypermesh软件中建立的车体有限元模型(不施加任何约束和载荷)导入ANSYS软件中计算自由模态，得到车体结构的固有频率和振型.对振动贡献大的主要是低阶模态，故计算车体结构的前15阶模态，各阶振动频率如表1所示.除去前6阶刚体振型，车体第7阶到第10阶振型如图4～7所示.

表1 整车车体各阶振动频率Tab.1 Vibration frequency of tracked vehicle body

从第7阶到第10阶振型，可以看出结构刚度不足位置主要是前上盖板靠近车首部位、发动机桁架以及炮台座圈部位，这三处结构有待优化.

图4 车体第7阶振型Fig.4 The 7th vibration mode

图5 车体第8阶振型Fig.5 The 8th vibration mode

3 冲击载荷作用下结构分析

3.1 加载各设备或部件重量

履带车辆以最大速度行驶时，考虑车体及各设备或部件重力影响，本文采用直接施加重力加速度，来模拟车体本身的重力作用.在各设备或部件质心位置建立单元质量点，在质量点与各自承载面之间建立刚性区域，并在各质量点施加大小为其重量的集中载荷，方向垂直向下.加载各设备或部件重量后的有限元模型如图8所示.

图7 车体第10阶振型Fig.7 The 10th vibration mode

3.2 加载牵引力和发动机冲击载荷

牵引力作用方式如图9所示.

图9 牵引力作用示意图Fig.9 Schematic diagram of traction force

履带车辆在以最大速度行驶时，发动机功率达到最大，此时车体除了受重力作用之外，还受到最大牵引力的作用，同时还受到因发动机振动而产生的冲击载荷作用.

3.2.1 加载最大牵引力

考虑两个主动轮所受牵引力，将主动轮轴心与其在车体上的安装位置之间建立刚性区域，牵引力作用在轴心，单面轮子上的牵引力大小为149 058 N，方向与车辆行驶方向相反.

考虑两个诱导轮受到履带张紧力，力作用于诱导轮轴心处，近似认为F2=F3，根据力的分解，单面轮子上沿车辆行驶方向的力为149 058+149 058·cos 31°N，垂直向下方向的力为149 058sin 31°N.

3.2.2 加载发动机8倍冲击载荷

考虑到履带车辆高速行驶时发动机冲击载荷对车体结构的影响.本文在发动机质心位置建立单元质量点，并根据业内规范在该单元质量点施加8倍发动机重量的垂直载荷，大小为109.76 kN，方向垂直向下.冲击载荷的加载方式如图10所示.

图10 发动机冲击载荷加载方式Fig.10 Action of engine’s impact loading

3.3 冲击载荷作用下静力分析计算

在建立好的有限元模型上施加位移约束和集中载荷，并在Hypermesh软件中设置好求解卡片后导入ANSYS软件中进行计算，得到如图11所示的位移云图和如图12所示的应力云图.

图11 车体位移云图Fig.11 Displacement nephogram

从车体位移云图可以看出，车体最大变形位置出现在上盖板前部靠近车首位置，与模态分析中第6阶振型刚度不足位置相同，最大变形值为0.565 232mm.

图12 车体应力云图Fig.12 Stress nephogram

从应力云图可以看出，车体整体受力状态良好.车体的最大应力出现在下底板与右主动轮支架接触的位置，此处的最大应力值为163.028 MPa.该位置的材料为Q235，许用应力为235 MPa，强度满足要求.

4 结论

(1)从模态分析结果可知，车体结构刚度满足设计要求.但是对于最大变形的部位(前上盖板靠近车首部位、发动机桁架以及炮台座圈部位)应通过添加筋板或增加筋板厚度进行加强，以提高整车刚度特性.

(2)从结构分析结果看，车体的应力水平没有超过各部件所使用材料的许用应力，履带车辆整车强度满足设计要求.

［1］张琼.冲击载荷作用下履带车刚强度分析及优化［D］.南京:南京理工大学，2013.

ZHANG Qiong.Analysis of stiffness and strength and optimization for tracked vehicle in the impacting load［D］.Nanjing:Nanjing U-niversity of Science and Technology，2013.

［2］李军，张洪康，孟红，等.履带车辆行驶平顺性仿真分析研究［J］.车辆与动力技术，2003(4):42 －45.

LI Jun，ZHANG Hongkang，MENG Hong，et al.Research of tracked vehicle compliance simulation［J］.Vehicle and Power Technology，2003(4):42 －45.

［3］王彤曼，贾文华，张在梅，等.基于ANSYS的施工升降机井架结构的有限元分析［J］.科技致富向导，2012，17:245 －246.

WANG Tongman，JIAWenhua，ZHANG Zaimei，et al.Finite element analysis of derrick structure construction by ANSYS［J］.Guide of Sci-tech Magazine，2012，17:245 －246.

［4］贺李平，龙凯，肖介平.ANSYS13.0与 Hypermesh11.0联合仿真有限元分析［M］.北京:机械工业出版社，2012.

HE Liping，LONG Kai，XIAO Jieping.Finite elementanalysis simulation combined with ANSYS 13.0 and Hypermesh 11.0［M］.Beijing:China Machine Press，2012.