新材料兩棲車(chē)身關(guān)重位置動(dòng)剛度分析優(yōu)化

孫旭光,李 釗,孫曉策,邱思聰,張瑞亮,李強(qiáng)強(qiáng),周中鋒

(1.中國(guó)北方車(chē)輛研究所 系統(tǒng)總體技術(shù)部,北京 100072;2.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,太原 030002;3.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司產(chǎn)品研究院,湖南 湘潭 411100)

0 引言

結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度是指結(jié)構(gòu)受到動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下抵抗變形的能力,是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一個(gè)關(guān)重要素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)商用車(chē)輛結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度開(kāi)展了較多研究[1-3],但針對(duì)大型箱式承載結(jié)構(gòu)的裝甲車(chē)輛研究較少。特別是作為兩棲裝甲車(chē)輛全壽命周期內(nèi)一個(gè)重要承載體的車(chē)身結(jié)構(gòu),不僅要承受路面、動(dòng)力傳動(dòng)、推進(jìn)裝置、懸掛裝置等多源激勵(lì)、任務(wù)載荷共同作用,使用工況非常惡劣,還需具有一定的防護(hù)能力,是一種較為復(fù)雜的承載系統(tǒng)。其中,座圈作為炮塔載荷的主要安裝與承載結(jié)構(gòu),其動(dòng)剛度的優(yōu)劣是影響射擊效能的重要因素。

動(dòng)剛度是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性[4]。通過(guò)分析結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)動(dòng)剛度的特性,就可以預(yù)判結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種激勵(lì)源作用下實(shí)際動(dòng)態(tài)剛度響應(yīng),以此指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向。因此,動(dòng)剛度分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要方法。兩棲車(chē)輛是一種既具有路上機(jī)動(dòng)能力,又具有水上航行能力,同時(shí)具有自行實(shí)施由陸入水、由水登陸能力的特種車(chē)輛,其在國(guó)防和民生領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值[5-6]。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)兩棲車(chē)輛機(jī)動(dòng)性和快速部署能力要求的不斷提高,“輕量化”成為兩棲裝備設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)輕量化,某兩棲車(chē)輛采用鈦合金材料作為車(chē)身主要結(jié)構(gòu)材料。與傳統(tǒng)裝甲鋼或裝甲鋁材料相比,鈦合金材料密度不到裝甲鋼的60%,但強(qiáng)度與均質(zhì)裝甲鋼相當(dāng)甚至更高;鈦合金韌性?xún)?yōu)于多數(shù)鋁合金,且具有抗腐蝕能力強(qiáng)、磁性低、抗高低溫等優(yōu)異的綜合性能。鈦合金裝甲防護(hù)材料已逐步被應(yīng)用于裝甲車(chē)輛的結(jié)構(gòu)防護(hù)上。由于車(chē)身采用輕量化新質(zhì)裝甲材料,其車(chē)體裝甲板厚度較傳統(tǒng)裝甲鋼顯著減小。作為承受內(nèi)外部載荷、保持空間物理形態(tài)的基本平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)、防護(hù)等主要功能的載體,車(chē)身一種承載式車(chē)身,而新材料薄車(chē)體強(qiáng)度余量小、振動(dòng)特性和沖擊變形狀態(tài)更復(fù)雜。本研究中針對(duì)某兩棲車(chē)輛新質(zhì)材料白車(chē)身炮塔座圈典型部位開(kāi)展了動(dòng)剛度數(shù)值分析與測(cè)試研究,并對(duì)典型部位的動(dòng)剛度進(jìn)行了強(qiáng)化,目的是降低兩棲車(chē)輛關(guān)鍵部位振動(dòng)量級(jí),降低整車(chē)振動(dòng)噪音等人機(jī)環(huán)參數(shù)、降低傳遞到火炮系統(tǒng)的高頻振動(dòng)能量。

1 動(dòng)剛度分析基本理論

裝甲車(chē)輛車(chē)身動(dòng)剛度的分析通常主要關(guān)注安裝點(diǎn)、連接附點(diǎn)處的動(dòng)剛度,比如車(chē)身與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)、傳動(dòng)懸置安裝點(diǎn)、懸掛系統(tǒng)平衡軸支座、噴水推進(jìn)裝置安裝點(diǎn)、炮塔座圈等關(guān)重位置的局部動(dòng)剛度,考慮的是在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)該接附點(diǎn)局部區(qū)域的剛度水平[7-8],剛度過(guò)低必然引起過(guò)大的振動(dòng)與噪聲,對(duì)車(chē)輛性能有較大影響。

動(dòng)剛度亦指計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對(duì)每一個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng),也稱(chēng)為頻率響應(yīng)。本文中車(chē)身動(dòng)剛度分析采用原點(diǎn)動(dòng)剛度分析方法,原點(diǎn)動(dòng)剛度IPI(input point inertance,IPI)類(lèi)似原點(diǎn)(或稱(chēng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn))頻響函數(shù),是指同一位置、同一方向上的激勵(lì)力與位移之比[7]。即表示加速度響應(yīng)與輸入力的傳遞函數(shù)。根據(jù)原點(diǎn)剛度分析理論,對(duì)于單向自由度結(jié)構(gòu),其微分方程為

(1)

位移響應(yīng)為

x=X0ej(ωt-φ)

(2)

對(duì)于N向自由度結(jié)構(gòu),式中m、c、k、x、f對(duì)應(yīng)的是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、響應(yīng)向量和力向量。將位移響應(yīng)、速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)代入微分方程,可以得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度為

(3)

此時(shí)的剛度為激勵(lì)頻率的函數(shù)。其中F(ω)和X(ω)分別為f(t)和x(t)的傅里葉變換,ω為圓頻率。從式(3)可以看出動(dòng)剛度為復(fù)值函數(shù)隨頻率變化,當(dāng)激勵(lì)頻率為0時(shí),動(dòng)剛度等于靜剛度,當(dāng)激勵(lì)頻率為結(jié)構(gòu)共振頻率時(shí),動(dòng)剛度最低,主要受阻尼影響,當(dāng)激勵(lì)頻率在共振頻率以上,則主要受頻率和質(zhì)量的影響,并且隨頻率的平方成正比。

采用原點(diǎn)動(dòng)剛度分析方法(IPI)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度分析時(shí),Inertance按照機(jī)械術(shù)語(yǔ)即指導(dǎo)納,IPI即表示結(jié)構(gòu)加速度導(dǎo)納,表示加速度響應(yīng)與輸入力的傳遞函數(shù),來(lái)求解各個(gè)加載點(diǎn)的動(dòng)剛度值,原點(diǎn)加速度導(dǎo)納可以表達(dá)為

(4)

2 動(dòng)剛度數(shù)值仿真分析

2.1 白車(chē)身有限元模型的建立

基于Hypermesh數(shù)值CAE軟件,構(gòu)建某兩棲車(chē)輛車(chē)身結(jié)構(gòu)狀態(tài)及特性的有限元模型,作為計(jì)算分析及識(shí)別參數(shù)依據(jù),車(chē)身結(jié)構(gòu)主要是由不同厚度的新質(zhì)鈦合金板焊接制成,材料厚度較小,主要采用殼單元進(jìn)行離散化,由于車(chē)身結(jié)構(gòu)尺寸較大,考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能,以20 mm的單位尺寸對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的控制。在安裝、連接及接附點(diǎn)等關(guān)重位置,包括發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)、傳動(dòng)箱懸置安裝點(diǎn)、平衡肘支座以及炮塔座圈等結(jié)構(gòu)處采用三維實(shí)體單元離散化處理。

車(chē)身有限元模型如圖1所示,該車(chē)身為整體焊接結(jié)構(gòu),焊縫采用剛性單元RBE2模擬[9]。整個(gè)車(chē)身有限元模型共有453 213個(gè)單元,其中殼單元280 964個(gè),四面體單元138 674個(gè),六面體單元為15 659個(gè),剛性單元RBE2為17 916個(gè)。整個(gè)模型共有節(jié)點(diǎn)366 827個(gè)。HyperWorks中的結(jié)構(gòu)求解器OptiStruct對(duì)大應(yīng)變,大位移以及接觸等非線性問(wèn)題具有良好的處理能力[3,10-11],本文中利用該求解器對(duì)上述車(chē)身有限元模型進(jìn)行動(dòng)剛度計(jì)算。

圖1 某兩棲車(chē)輛白車(chē)身有限元模型

2.2 動(dòng)剛度仿真方法與結(jié)果分析

前述理論推導(dǎo)給出了車(chē)身動(dòng)剛度的理論分析?？梢钥闯?原點(diǎn)的頻響函數(shù)(即原點(diǎn)動(dòng)剛度)包括了原點(diǎn)在內(nèi)的局部、半全局、全局在內(nèi)的全部結(jié)構(gòu)響應(yīng)。因此,原點(diǎn)動(dòng)剛度和整個(gè)車(chē)身的結(jié)構(gòu)特性都有關(guān),同時(shí)和接附點(diǎn)位置也有很大關(guān)系,它是車(chē)身性能的一個(gè)縮影,并非只和原點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相關(guān)?；谠c(diǎn)動(dòng)剛度理論和波在固體中的傳播理論,結(jié)合裝甲車(chē)輛車(chē)身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),如果此點(diǎn)的原點(diǎn)動(dòng)剛度不滿(mǎn)足要求,首先要分析不滿(mǎn)足要求的頻率段,按照波在固體中的傳播波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系,從結(jié)構(gòu)全局的角度優(yōu)化車(chē)身設(shè)計(jì)。本研究中炮塔座圈關(guān)鍵位置動(dòng)剛度選擇如圖2所示分析點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖2 炮塔座圈動(dòng)剛度分析點(diǎn)位置

針對(duì)構(gòu)建的車(chē)身有限元模型,在炮塔座圈選定位置點(diǎn)加載單位簡(jiǎn)諧激振力,獲取該點(diǎn)的加速度響應(yīng),通過(guò)計(jì)算加速度頻率響應(yīng)函數(shù),得到該點(diǎn)的IPI曲線,如圖3所示。

圖3 炮塔座圈關(guān)重點(diǎn)仿真分析IPI結(jié)果

3 動(dòng)剛度測(cè)試分析

3.1 動(dòng)剛度測(cè)試分析系統(tǒng)

車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度測(cè)試數(shù)據(jù)的采集及頻響函數(shù)分析是通過(guò)模態(tài)剛度測(cè)試試驗(yàn)開(kāi)展。通過(guò)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)施加一定的動(dòng)態(tài)激勵(lì),采集關(guān)鍵點(diǎn)位的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及激振力信號(hào),根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào),用參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)剛度參數(shù)。動(dòng)剛度測(cè)試系統(tǒng)主要由激勵(lì)系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)四部分組成。激勵(lì)系統(tǒng)采用力錘激勵(lì);響應(yīng)系統(tǒng)采用三向加速度傳感器;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用LMS SCADAS Mobile多通道數(shù)據(jù)采集器;動(dòng)剛度分析系統(tǒng)采用LMS Test Lab13A軟件系統(tǒng)。用到的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

表1 主要測(cè)試設(shè)備

3.2 動(dòng)剛度測(cè)試方法與結(jié)果分析

動(dòng)剛度測(cè)試對(duì)象為某兩棲車(chē)輛白車(chē)身,測(cè)試過(guò)程中尾甲板上的車(chē)門(mén)未拆卸。為更好地模擬白車(chē)身不受約束時(shí)的自由狀態(tài),采用空氣彈簧四點(diǎn)支撐模擬車(chē)身自由邊界條件,彈簧支撐及測(cè)試系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 車(chē)身四點(diǎn)支撐及測(cè)試系統(tǒng)連接圖

車(chē)身座圈動(dòng)剛度測(cè)試試驗(yàn)使用力錘作為激勵(lì)源,分析帶寬為400 Hz,其頻響函數(shù)有10個(gè)以上的共振峰,采樣頻率設(shè)置為800 Hz,頻率分辨率0.39 Hz,在該采樣時(shí)間內(nèi),響應(yīng)信號(hào)能夠完全衰減。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,需進(jìn)行量程調(diào)整,避免過(guò)載及欠載,每次激勵(lì)平均5次[12]。

通過(guò)力錘對(duì)炮塔座圈位置點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì),同時(shí)采集該點(diǎn)的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù),得到該點(diǎn)的原點(diǎn)加速度頻率響應(yīng)函數(shù)曲線,即IPI曲線,如圖5所示。根據(jù)兩棲車(chē)輛工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)定以1 500 N/mm為代表的動(dòng)剛度參考曲線與IPI曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖5 炮塔座圈關(guān)重點(diǎn)IPI測(cè)試結(jié)果

對(duì)比分析車(chē)身動(dòng)剛度測(cè)試試驗(yàn)與車(chē)身動(dòng)剛度數(shù)值模擬結(jié)果的IPI曲線,炮塔座圈關(guān)重位置點(diǎn)的IPI曲線的走勢(shì)和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,不合格動(dòng)剛度點(diǎn)出現(xiàn)的頻率段基本相同,由此可以驗(yàn)證所構(gòu)建的車(chē)身有限元模型的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由加速度頻響函數(shù)曲線得到動(dòng)剛度曲線如圖6所示[9]。圖6中,炮塔座圈關(guān)重點(diǎn)的Z向動(dòng)剛度在30～54 Hz的頻率段沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值,結(jié)合白車(chē)身的模態(tài)固有頻率分析可以發(fā)現(xiàn),此頻率范圍接近該兩棲車(chē)白車(chē)身的第一階模態(tài)固有頻率32 Hz、第二階模態(tài)固有頻率44 Hz及第四階固有頻率52 Hz,故該頻率段內(nèi)動(dòng)剛度值較低是因?yàn)檐?chē)體受到的激勵(lì)引起了車(chē)體的低階整體模態(tài)的共振[13-14]。

圖6 動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果曲線

由此可知,炮塔座圈關(guān)重點(diǎn)Z向動(dòng)剛度在與白車(chē)身模態(tài)在3個(gè)固有頻率存在多個(gè)共振峰,共振發(fā)生時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)施加很小的激勵(lì)能量,結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生非常大的振動(dòng)(變形),因而在共振峰處,結(jié)構(gòu)很容易被激勵(lì)起來(lái),結(jié)構(gòu)的變形大,抵抗變形的能力弱,造成動(dòng)剛度小[15]。需要結(jié)合車(chē)身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),從局部、整體角度綜合考量對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 車(chē)身關(guān)重位置動(dòng)剛度強(qiáng)化

4.1 車(chē)身關(guān)重位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)

炮塔座圈作為炮塔載荷的主要安裝與承載結(jié)構(gòu),其動(dòng)態(tài)剛度的優(yōu)劣影響振動(dòng)從底盤(pán)到武器系統(tǒng)的傳遞。因此,需開(kāi)展提升炮塔座圈關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的研究。結(jié)合兩棲車(chē)輛車(chē)身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì):一是炮塔座圈平面板式結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為階梯狀或槽型結(jié)構(gòu);二是在平面板式結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為弧面結(jié)構(gòu)或通過(guò)加強(qiáng)筋增加支撐結(jié)構(gòu)[16-17]等措施來(lái)增加該處的動(dòng)剛度。此外,從車(chē)身全局考慮,通過(guò)增加垂直向炮塔座圈支撐來(lái)增加車(chē)身動(dòng)剛度。優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)有限元對(duì)比如圖7所示。

圖7 強(qiáng)化結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后動(dòng)剛度數(shù)值分析

對(duì)強(qiáng)化改善后的車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)剛度的數(shù)值模擬分析,得到炮塔座圈關(guān)重位置的加速度頻率響應(yīng)函數(shù)IPI曲線如圖8所示,轉(zhuǎn)換成動(dòng)剛度曲線的結(jié)果如圖9所示。

圖8 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后的IPI數(shù)值模擬結(jié)果

圖9 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后的動(dòng)剛度曲線

將結(jié)構(gòu)強(qiáng)化改善后的IPI數(shù)值模擬結(jié)果(見(jiàn)圖8)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)化改善前(見(jiàn)圖3)進(jìn)行對(duì)比可知,結(jié)構(gòu)強(qiáng)化改善后的Z向動(dòng)剛度值已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,理論上可以保障兩棲車(chē)輛射擊性能的發(fā)揮,為兩棲車(chē)輛方案設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某兩棲車(chē)輛白車(chē)身炮塔座圈關(guān)鍵位置點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)剛度的數(shù)值模擬和測(cè)試分析,驗(yàn)證了有限元模型的可靠性,對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)關(guān)重位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明炮塔座圈關(guān)重位置點(diǎn)在30～54 Hz頻率段由于接近兩棲車(chē)輛白車(chē)身的一階和二階車(chē)體的整體低階模態(tài)固有頻率,容易引起嚴(yán)重的共振,Z向動(dòng)剛度值較低,影響車(chē)輛振動(dòng)特性與可靠性,對(duì)車(chē)輛火炮射擊的精度有較大影響。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,座圈關(guān)重位置Z向動(dòng)剛度值得到很大改善,為兩棲車(chē)輛新質(zhì)材料白車(chē)身設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。