面向空投著陸沖擊過程的裝甲車車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

摘? 要：空降車輛的抗著地沖擊性能，是關(guān)系到該車輛能否滿足空投要求的一項(xiàng)重要性能，采用實(shí)物空投試驗(yàn)的方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且受自然條件影響較大，無法對(duì)各種工況進(jìn)行驗(yàn)證，為解決此問題，本文利用遠(yuǎn)程控制理論原理，在測(cè)得實(shí)車空投沖擊數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論與非線性有限元方法相結(jié)合的方法，采用解耦解法，基于ANSYS Workbench軟件的瞬態(tài)分析模塊，對(duì)某輪式空降戰(zhàn)車車體的空投著地沖擊的響應(yīng)和車輛的模態(tài)進(jìn)行了分析，求解出車體各部分的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。評(píng)估車體結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，對(duì)車體剛強(qiáng)度不足之處提出改進(jìn)意見并驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：裝甲車車體;著陸沖擊;瞬態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)動(dòng)性，目前為各國所重視[1]。而空投裝備在研制過程中，需要對(duì)整車的剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，作為整車的主要承載部件，車體的剛強(qiáng)度評(píng)估尤為重要，其剛強(qiáng)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(gè)空投任務(wù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)分析極為重要[2]。

目前，空投裝甲車著地沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析方法有兩種：

（1）實(shí)車著地沖擊試驗(yàn);

（2）理論分析及數(shù)值仿真[2，3]。

借助于仿真方法可對(duì)車體乃至其他部件的剛強(qiáng)度及模態(tài)進(jìn)行分析，滿足了快速研發(fā)的要求[4]。

對(duì)空投裝甲車車體進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的方法主要分為兩種：耦合解法和解耦解法。相對(duì)耦合解法，解耦解法只要將氣囊對(duì)車體的作用力進(jìn)行合理而準(zhǔn)確的簡(jiǎn)化，就可以獲得較為準(zhǔn)確的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果。采用該方法的優(yōu)點(diǎn)在于合理地降低了求解的難度，更為直接而有效[7-9]。

針對(duì)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(tái)，建立車體的瞬態(tài)分析模型，得到車體的著陸沖擊過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而評(píng)估車體的剛強(qiáng)度，對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

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(shí)間內(nèi)，劇烈碰撞動(dòng)態(tài)載荷作用下發(fā)生的復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。因此，對(duì)于車體在載荷下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到系統(tǒng)在著陸沖擊瞬間的應(yīng)力與變形的數(shù)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(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

其中，[M]為車體的質(zhì)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，j5i0abt0b為位移矢量，{Fex}為包括沖擊力在內(nèi)的外力矢量。令{Fin}=[C]{v}+[K]j5i0abt0b，并設(shè){Fre}={Fex}+{Fin}，則車體沖擊瞬間的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

若采用集中質(zhì)量，即質(zhì)量矩陣[M]變?yōu)閷?duì)角陣，則各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方程是相互獨(dú)立的，即：

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

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(jìn)行有限元分析計(jì)算量過大，因此，對(duì)三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并將處理后的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中。

2.2? 模型前處理

在DesignModeler模塊中進(jìn)行必要的前處理，其主要內(nèi)容是創(chuàng)建約束和載荷施加的點(diǎn)和面。

2.3? 車體有限元網(wǎng)格劃分

車體結(jié)構(gòu)主要是由高強(qiáng)度鋼板、加強(qiáng)筋、角鋼和矩形截面梁焊接組成的，車體模型構(gòu)件根據(jù)其特征可分為三類，一類是剛強(qiáng)度鋼板結(jié)構(gòu)，選取四節(jié)點(diǎn)的shell63單元;第二類是復(fù)雜加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，選取帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元solid187;而第三類結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，選取六面體單元solid185。

2.4? 車體瞬態(tài)分析模型建立

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

約束類型為固定約束，固定點(diǎn)為車體前方與后方各兩個(gè)固定點(diǎn)。載荷可分為底甲板對(duì)車體的沖擊力和與車體連接的部件在著陸沖擊過程中產(chǎn)生的慣性力兩類，為了簡(jiǎn)化模型，按照位置分布與重要程度，將部件簡(jiǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)、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(yàn)數(shù)據(jù)主要包括車體著陸沖擊過程中各點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)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(tài)分析設(shè)置

在ANSYS Workbench中初設(shè)條件設(shè)置即初始速度及溫度，初始速度設(shè)置為0;載荷步設(shè)置共設(shè)置35個(gè)載荷步，每步結(jié)束時(shí)間為0.1s。

2.7? 后處理

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

2.8? 仿真結(jié)果分析

分析車體的變形云圖與等效應(yīng)力云圖可知，最大變形發(fā)生在車體散熱器安裝處，變形較大，著陸沖擊過程中可能發(fā)生損壞，由于該處未設(shè)置支撐或加強(qiáng)，故符合實(shí)際情況;最大等效應(yīng)力發(fā)生在炮塔立柱下方，發(fā)生了應(yīng)力集中，等效應(yīng)力值超過了材料的許用應(yīng)力，在實(shí)際著陸沖擊過程中可能發(fā)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(yōu)化設(shè)計(jì)

由車體著陸沖擊仿真結(jié)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(yīng)力集中的現(xiàn)象，所以針對(duì)所存在的問題對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化方式為增加加強(qiáng)筋。如圖2所示，在散熱器安裝處增加了加強(qiáng)筋，在炮塔立柱下方增加了加強(qiáng)筋，連接方式都為焊接。

分析仿真結(jié)果可得到以下結(jié)論：

（1）優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在散熱器安裝處，位移值為6.008mm，較優(yōu)化前結(jié)構(gòu)，變形減小77.9%，同時(shí)，最大變形滿足了工作要求。

（2）優(yōu)化后的車體結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力發(fā)生在炮塔安裝處，應(yīng)力值為375MPa，較優(yōu)化前，減小了35.1%，優(yōu)化了原先結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力值符合材料的許用應(yīng)力，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)達(dá)到了裝甲車車體空投著陸沖擊的強(qiáng)度。

（3）仿真結(jié)果與實(shí)際情況符合，優(yōu)化結(jié)果對(duì)輪式空投裝甲車的設(shè)計(jì)有很大的參考價(jià)值。

4? 結(jié)? 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(tài)分析模塊，對(duì)著陸沖擊工況下的輪式空投裝甲車車體的虛擬樣機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)分析，得到車體著陸沖擊時(shí)變形及應(yīng)力分布。通過分析仿真結(jié)果，對(duì)車體薄弱處進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的模型仿真結(jié)果達(dá)到了實(shí)際工況要求。本文所得研究方法可為空投車輛的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供一定的參考，能夠加快研制進(jìn)度，大大節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用。

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作者簡(jiǎn)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(shè)計(jì)。