專利名稱：一種高速履帶車輛的車體結構動態應力仿真計算方法
技術領域：
本發明涉及高速履帶車輛承載結構動態應力計算與仿真評估技術領域,特指ー種高速履帶車輛的車體結構動態應カ仿真計算方法。
背景技術：
高速履帶車輛在復雜越野道路行駛的時候，惡劣道路環境的劇烈沖擊和振動是引起高速履帶車輛系統結構振動、導致結構動應カ過大甚至結構破壞的主要原因。然而，長期以來，由于計算方法和手段的局限性，使得車體的結構設計仍然依賴于傳統的經驗設計方法。 自20世紀90年代以來，有限元方法已逐步在高速履帶車輛車體結構的應カ計算中得到應用。但是，基于有限元方法的高速履帶車輛的車體應カ計算主要存在兩個問題一是車體結構承受的邊界載荷很難獲取。由于車體結構連接的復雜性，很難通過試驗測試的手段準確得到車體結構的所有邊界載荷條件，尤其在設計階段，由于沒有試驗樣車，只能采用同類型車輛的邊界載荷，由此得到的分析計算結果顯然無法滿足實際的設計要求。ニ是車輛系統動態特性與車體結構特性的耦合問題。車體結構不僅隨車輛系統經歷大范圍的剛體運動，同時還要承受邊界載荷下的局部變形，這兩種運動的相互耦合，使得僅采用有限元分析的方法無法滿足履帶車輛車體結構動態應カ的分析計算要求。經對現有技術文獻檢索發現，樸明偉，方吉等人在《振動與沖擊》2009年第3期上發表《基于剛柔耦合仿真的集裝箱車體振動疲勞分析》，該文中作者針對集裝箱車體的振動疲勞問題，考慮車輛系統振動對結構應カ及疲勞壽命的影響，提出了ー種基于剛柔耦合仿真技術的振動疲勞分析方法。然而，到目前為止，在高速履帶車輛結構強度的研究領域，在考慮車輛系統動力學與結構動態特性的相互影響并計算結構動態應力等方面，仍未見相關文獻的記載。因此，以高速履帶車輛的車體結構為研究對象，提出ー種耦合動力學及結構動態特性的履帶車輛車體結構動態應カ計算方法，并通過剛柔耦合虛擬樣機及模態應力恢復技術加以實現，對于設計研制階段履帶車輛車體結構設計及動態強度評估具有重要意義。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足提供一套基于高速履帶車輛剛柔耦合整車系統模型及模態應力恢復計算結構動態應力的方法，為高速履帶車輛系統的結構設計與改進提供了有效的技術手段。為實現上述目的，本發明的ー種高速履帶車輛的車體結構動態應カ仿真計算方法，包括如下步驟
第一歩構建基于模態綜合方法的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型，其實施步驟如下
I)、根據結構尺寸參數建立高速履帶車輛的CAD模型；2)、根據高速履帶車輛的設計資料和CAD模型，在建立高速履帶車輛的推進子系統模型基礎上構建推進系統多剛體模型；
3)、根據高速履帶車輛的設計資料和CAD模型，在建立高速履帶車輛的懸架子系統模型基礎上構建懸架系統多剛體模型；
4)、根據高速履帶車輛的設計資料和CAD模型，構建車體有限元模型，基于模態綜合方法以生成車體結構的模態質量矩陣、模態剛度矩陣、模態阻尼矩陣和模態應力矩陣的模態中性文件的形式構建車體柔性體模型；
5)、根據車體柔性體模型與推進系統多剛體模型、懸架系統多剛體模型的連接關系，在車體柔性體模型外部的連接單元處定義約束關系，實現車體柔性體模型與推進系統多剛體模型、懸架系統多剛體模型的連接，構建含車體柔性體的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型。第二步基于模態應力恢復方法的車體結構動態應力計算，其實施步驟如下
1)、在進行有限元模態綜合過程中，利用彈性力學幾何方程
{e} = [B]{U}和物理方程{β卜[E]{e}計算柔性體模態應力矩陣[Φβ
= [Ε][Β][Φ];式
中，E為柔性體應變矢量，σ為柔性體應力矢量，B為柔性體應變矩陣，!1為節點自由度向量，E為柔性體彈性矩陣Φ為柔性體模態矩陣；
2)、構建三維仿真路叫俁型；
3)、基于高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型進行動力學仿真，計算三維仿真路面環境下車輛整車系統的結構動態響應；
4)、通過模態應力和模態坐標的線性疊加計算得到柔性體的動態應力，
W= [Φ0 ]'{q>,由柔性體的動態應力計算得到車輛整車系統節點的動態應力時間歷程。其中，所述高速履帶車輛的推進子系統模型分別為主動輪、負重輪、誘導輪、托帶輪和履帶。其中，所述高速履帶車輛的懸架子系統模型分別為平衡肘、扭力軸、減振器和限制器。其中，生成模態中性文件的步驟包括劃分有限元網格，定義材料屬性，定義外部節點，定義多點約束單元，建立超單元，選擇Soll03求解器，設置輸出單位，選擇模態參數及選擇輸出信息。本發明的有益效果采用模態綜合技術建立了集成多剛體懸架系統及推進系統模型和車體結構有限元模型的高速履帶車輛剛柔耦合復雜動力學模型，準確反映了車輛系統動力學與結構動力學之間的耦合動力學特性；本發明提供了能夠在高速履帶車輛設計研制階段獲取結構邊界載荷，同時獲取結構動態應力的仿真計算方法，為高速履帶車輛系統結構設計與改進提供了有效手段。


圖I為本發明的流程方框圖。圖2為本發明的有高速履帶車輛整車系統模型的構架框圖。圖3為生成模態中性文件的流程方框圖。
圖4為E級隨機路面的道路縱剖面圖。圖5為E級隨機路面的三維路面模型圖。圖6為E級隨機路面條件下車體結構關鍵節點的動態應力時間歷程曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。如圖I所示，本發明的ー種高速履帶車輛的車體結構動態應カ仿真計算方法，包括構建基于模態綜合方法的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型和基于模態應カ恢復方法的車體結構動態應カ計算兩大實施步驟。其中，
第一歩構建基于模態綜合方法的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型。高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型包括推進系統多剛體模型、懸架系統多剛體模型和車體柔性體模 型。在計算機中利用ADAMS軟件在ADAMS/ATV模塊中構建推進系統多剛體模型和懸架系統多剛體模型，同時采用Nastran軟件建立基于模態綜合方法的車體柔性體模型，再構建含車體柔性體的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型。其具體實施步驟如下
I)、根據設計資料中的結構尺寸參數建立高速履帶車輛的CAD模型；所述設計資料包括懸掛特性參數、質量特性參數、結構尺寸參數和材料特性參數，通過車輛的結構尺寸參數可建立高速履帶車輛的CAD模型。2)、根據高速履帶車輛的設計資料參數和CAD模型，在建立高速履帶車輛的推進子系統模型基礎上構建推進系統多剛體模型；所述推進子系統模型分別為主動輪、負重輪、誘導輪、托帶輪和履帯。3)、根據高速履帶車輛的設計資料參數和CAD模型，在建立高速履帶車輛的懸架子系統模型基礎上構建懸架系統多剛體模型；所述的懸架子系統模型分別為平衡肘、扭カ軸、減振器和限制器。上述高速履帶車輛的推進系統和懸架系統的框架結構參見圖2。4)、根據高速履帶車輛的設計參數和CAD模型，構建車體有限元模型，再通過計算機的Nastran軟件建立基于模態綜合方法的車體柔性體模型，所述車體柔性體模型以生成包含車體結構的模態質量矩陣、模態剛度矩陣、模態阻尼矩陣和模態應カ矩陣的模態中性文件的形式構建；如圖3所示，基于Nastran軟件生成模態中性文件的步驟包括劃分有限元網格，定義材料屬性，定義外部節點，定義多點約束單元(MPC)，建立超単元，選擇Soll03求解器，設置輸出単位，選擇模態參數及選擇輸出信息。通過上述步驟，可以生成包含車體結構的模態質量矩陣、模態剛度矩陣、模態阻尼矩陣和模態應カ矩陣的模態中性文件。其中，定義外部節點、MPC單元及超單元主要用于構建ADAMS中柔性體與其它剛性體的外部連接單元。模態參數的選擇是通過在Nastran中定義SPOINT和SEQSET卡片進行。選擇輸出信息通過Nastran中的Output卡片定義,考慮到采用模態應カ恢復方法計算動力學環境下車體結構的動態應力，在模態中性文件需要包含節點應力(gpstress)和單元應力(stress)的信息。車體結構由裝甲板、加強筋板及立柱組成，主要采用兩種不同的材料，加強筋板及立柱采用16Mn鋼，裝甲板采用高壓5鋼。車體結構的材料物理特性參數如表I所示。
權利要求
1.一種高速履帶車輛的車體結構動態應力仿真計算方法，其特征在于包括如下步驟 第一步構建基于模態綜合方法的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型，其實施步驟如下 1)、根據結構尺寸參數建立高速履帶車輛的CAD模型； 2)、根據高速履帶車輛的設計資料和CAD模型，在建立高速履帶車輛的推進子系統模型基礎上構建推進系統多剛體模型； 3)、根據高速履帶車輛的設計資料和CAD模型，在建立高速履帶車輛的懸架子系統模型基礎上構建懸架系統多剛體模型； 4)、根據高速履帶車輛的設計資料和CAD模型，構建車體有限元模型，基于模態綜合方法以生成車體結構的模態質量矩陣、模態剛度矩陣、模態阻尼矩陣和模態應力矩陣的模態中性文件的形式構建車體柔性體模型； 5)、根據車體柔性體模型與推進系統多剛體模型、懸架系統多剛體模型的連接關系，在車體柔性體模型外部的連接單元處定義約束關系，實現車體柔性體模型與推進系統多剛體模型、懸架系統多剛體模型的連接，構建含車體柔性體的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型。
2.第二步基于模態應力恢復方法的車體結構動態應力計算，其實施步驟如下 1)、在進行有限元模態綜合過程中，利用彈性力學幾何方程_ =同{11}和物理方程計算柔性體模態應力矩陣Φ,] = [Ε][Β][Φ];式中E力柔性體應變矢量，O為柔性體應力矢量，B為柔性體應變矩陣，u為節點自由度向量，E為柔性體彈性矩陣，Φ為柔性體模態矩陣； 2)、構建三維仿真路面模型； 3)、基于高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型進行動力學仿真，計算在三維仿真路面行駛環境下車輛整車系統的結構動態響應，所述結構動態響應包括模態坐標；4)、通過步驟I)中柔性體模態應力矩陣計算出的模態應力和步驟3)中的模態坐標的線性疊加計算得到柔性體的動態應力，{**}= ]'{q},由柔性體的動態應力計算得到車輛整車系統節點的動態應力時間歷程
3.根據權利要求I所述的高速履帶車輛的車體結構動態應力仿真計算方法，其特征在于所述高速履帶車輛的推進子系統模型分別為主動輪、負重輪、誘導輪、托帶輪和履帶。
4.根據權利要求I所述的高速履帶車輛的車體結構動態應力仿真計算方法，其特征在于所述高速履帶車輛的懸架子系統模型分別為平衡肘、扭力軸、減振器和限制器。
5.根據權利要求I所述的高速履帶車輛的車體結構動態應力仿真計算方法，其特征在于生成模態中性文件的步驟包括劃分有限元網格，定義材料屬性，定義外部節點，定義多點約束單元，建立超單元，選擇Soll03求解器，設置輸出單位，選擇模態參數及選擇輸出信肩、O
全文摘要
本發明涉及高速履帶車輛承載結構動態應力計算與仿真評估技術領域，特指一種高速履帶車輛的車體結構動態應力仿真計算方法,包括構建基于模態綜合方法的高速履帶車輛整車系統剛柔耦合模型和基于模態應力恢復方法的車體結構動態應力計算兩大實施步驟,采用模態綜合技術建立了集成多剛體懸架系統及推進系統模型和車體結構有限元模型的高速履帶車輛剛柔耦合復雜動力學模型，準確反映了車輛系統動力學與結構動力學之間的耦合動力學特性；本發明提供了一種能夠在高速履帶車輛設計研制階段獲取結構邊界載荷，同時獲取結構動態應力的仿真計算方法，為高速履帶車輛系統結構設計與改進提供了有效手段。
文檔編號G06F17/50GK102855363SQ20121036300
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者王紅巖, 芮強, 王欽龍, 薛勁櫓 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院