新材料兩棲車身關重位置動剛度分析優化

孫旭光,李 釗,孫曉策,邱思聰,張瑞亮,李強強,周中鋒

(1.中國北方車輛研究所 系統總體技術部,北京 100072;2.太原理工大學 機械與運載工程學院,太原 030002;3.江麓機電集團有限公司產品研究院,湖南 湘潭 411100)

0 引言

結構動剛度是指結構受到動態載荷激勵下抵抗變形的能力,是評價結構動力特性的一個關重要素。國內外學者對商用車輛結構動剛度開展了較多研究[1-3],但針對大型箱式承載結構的裝甲車輛研究較少。特別是作為兩棲裝甲車輛全壽命周期內一個重要承載體的車身結構,不僅要承受路面、動力傳動、推進裝置、懸掛裝置等多源激勵、任務載荷共同作用,使用工況非常惡劣,還需具有一定的防護能力,是一種較為復雜的承載系統。其中,座圈作為炮塔載荷的主要安裝與承載結構,其動剛度的優劣是影響射擊效能的重要因素。

動剛度是彈性結構固有的、整體的特性[4]。通過分析結構在某一易受影響的頻率范圍內動剛度的特性,就可以預判結構在此頻段內在外部或內部各種激勵源作用下實際動態剛度響應,以此指導結構設計的方向。因此,動剛度分析是結構動態設計的重要方法。兩棲車輛是一種既具有路上機動能力,又具有水上航行能力,同時具有自行實施由陸入水、由水登陸能力的特種車輛,其在國防和民生領域均有重要應用價值[5-6]。隨著現代戰爭對兩棲車輛機動性和快速部署能力要求的不斷提高,“輕量化”成為兩棲裝備設計的重要目標。為實現設計輕量化,某兩棲車輛采用鈦合金材料作為車身主要結構材料。與傳統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%,但強度與均質裝甲鋼相當甚至更高;鈦合金韌性優于多數鋁合金,且具有抗腐蝕能力強、磁性低、抗高低溫等優異的綜合性能。鈦合金裝甲防護材料已逐步被應用于裝甲車輛的結構防護上。由于車身采用輕量化新質裝甲材料,其車體裝甲板厚度較傳統裝甲鋼顯著減小。作為承受內外部載荷、保持空間物理形態的基本平臺和實現機動、防護等主要功能的載體,車身一種承載式車身,而新材料薄車體強度余量小、振動特性和沖擊變形狀態更復雜。本研究中針對某兩棲車輛新質材料白車身炮塔座圈典型部位開展了動剛度數值分析與測試研究,并對典型部位的動剛度進行了強化,目的是降低兩棲車輛關鍵部位振動量級,降低整車振動噪音等人機環參數、降低傳遞到火炮系統的高頻振動能量。

1 動剛度分析基本理論

裝甲車輛車身動剛度的分析通常主要關注安裝點、連接附點處的動剛度,比如車身與發動機懸置安裝點、傳動懸置安裝點、懸掛系統平衡軸支座、噴水推進裝置安裝點、炮塔座圈等關重位置的局部動剛度,考慮的是在所關注的頻率范圍內該接附點局部區域的剛度水平[7-8],剛度過低必然引起過大的振動與噪聲,對車輛性能有較大影響。

動剛度亦指計算結構在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應,也稱為頻率響應。本文中車身動剛度分析采用原點動剛度分析方法,原點動剛度IPI(input point inertance,IPI)類似原點(或稱驅動點)頻響函數,是指同一位置、同一方向上的激勵力與位移之比[7]。即表示加速度響應與輸入力的傳遞函數。根據原點剛度分析理論,對于單向自由度結構,其微分方程為

(1)

位移響應為

x=X0ej(ωt-φ)

(2)

對于N向自由度結構,式中m、c、k、x、f對應的是質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、響應向量和力向量。將位移響應、速度響應、加速度響應代入微分方程,可以得到結構的動態剛度為

(3)

此時的剛度為激勵頻率的函數。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)可以看出動剛度為復值函數隨頻率變化,當激勵頻率為0時,動剛度等于靜剛度,當激勵頻率為結構共振頻率時,動剛度最低,主要受阻尼影響,當激勵頻率在共振頻率以上,則主要受頻率和質量的影響,并且隨頻率的平方成正比。

采用原點動剛度分析方法(IPI)進行結構動剛度分析時,Inertance按照機械術語即指導納,IPI即表示結構加速度導納,表示加速度響應與輸入力的傳遞函數,來求解各個加載點的動剛度值,原點加速度導納可以表達為

(4)

2 動剛度數值仿真分析

2.1 白車身有限元模型的建立

基于Hypermesh數值CAE軟件,構建某兩棲車輛車身結構狀態及特性的有限元模型,作為計算分析及識別參數依據,車身結構主要是由不同厚度的新質鈦合金板焊接制成,材料厚度較小,主要采用殼單元進行離散化,由于車身結構尺寸較大,考慮計算機運算性能,以20 mm的單位尺寸對幾何模型進行網格劃分,并在網格劃分的過程中對網格質量進行相應的控制。在安裝、連接及接附點等關重位置,包括發動機懸置安裝點、傳動箱懸置安裝點、平衡肘支座以及炮塔座圈等結構處采用三維實體單元離散化處理。

車身有限元模型如圖1所示,該車身為整體焊接結構,焊縫采用剛性單元RBE2模擬[9]。整個車身有限元模型共有453 213個單元,其中殼單元280 964個,四面體單元138 674個,六面體單元為15 659個,剛性單元RBE2為17 916個。整個模型共有節點366 827個。HyperWorks中的結構求解器OptiStruct對大應變,大位移以及接觸等非線性問題具有良好的處理能力[3,10-11],本文中利用該求解器對上述車身有限元模型進行動剛度計算。

圖1 某兩棲車輛白車身有限元模型

2.2 動剛度仿真方法與結果分析

前述理論推導給出了車身動剛度的理論分析。可以看出,原點的頻響函數(即原點動剛度)包括了原點在內的局部、半全局、全局在內的全部結構響應。因此,原點動剛度和整個車身的結構特性都有關,同時和接附點位置也有很大關系,它是車身性能的一個縮影,并非只和原點的結構相關。基于原點動剛度理論和波在固體中的傳播理論,結合裝甲車輛車身設計經驗,如果此點的原點動剛度不滿足要求,首先要分析不滿足要求的頻率段,按照波在固體中的傳播波長和頻率的關系,從結構全局的角度優化車身設計。本研究中炮塔座圈關鍵位置動剛度選擇如圖2所示分析點進行分析。

圖2 炮塔座圈動剛度分析點位置

針對構建的車身有限元模型,在炮塔座圈選定位置點加載單位簡諧激振力,獲取該點的加速度響應,通過計算加速度頻率響應函數,得到該點的IPI曲線,如圖3所示。

圖3 炮塔座圈關重點仿真分析IPI結果

3 動剛度測試分析

3.1 動剛度測試分析系統

車身結構動剛度測試數據的采集及頻響函數分析是通過模態剛度測試試驗開展。通過對車身結構施加一定的動態激勵,采集關鍵點位的振動響應信號及激振力信號,根據力及響應信號,用參數識別方法獲取模態剛度參數。動剛度測試系統主要由激勵系統、響應系統、數據采集系統和分析系統四部分組成。激勵系統采用力錘激勵;響應系統采用三向加速度傳感器;數據采集系統采用LMS SCADAS Mobile多通道數據采集器;動剛度分析系統采用LMS Test Lab13A軟件系統。用到的主要實驗設備如表1所示。

表1 主要測試設備

3.2 動剛度測試方法與結果分析

動剛度測試對象為某兩棲車輛白車身,測試過程中尾甲板上的車門未拆卸。為更好地模擬白車身不受約束時的自由狀態,采用空氣彈簧四點支撐模擬車身自由邊界條件,彈簧支撐及測試系統連接如圖4所示。

圖4 車身四點支撐及測試系統連接圖

車身座圈動剛度測試試驗使用力錘作為激勵源,分析帶寬為400 Hz,其頻響函數有10個以上的共振峰,采樣頻率設置為800 Hz,頻率分辨率0.39 Hz,在該采樣時間內,響應信號能夠完全衰減。數據采集過程中,需進行量程調整,避免過載及欠載,每次激勵平均5次[12]。

通過力錘對炮塔座圈位置點進行激勵,同時采集該點的加速度響應數據,得到該點的原點加速度頻率響應函數曲線,即IPI曲線,如圖5所示。根據兩棲車輛工程設計經驗,設定以1 500 N/mm為代表的動剛度參考曲線與IPI曲線進行對比。

圖5 炮塔座圈關重點IPI測試結果

對比分析車身動剛度測試試驗與車身動剛度數值模擬結果的IPI曲線,炮塔座圈關重位置點的IPI曲線的走勢和數值模擬結果基本一致,不合格動剛度點出現的頻率段基本相同,由此可以驗證所構建的車身有限元模型的準確性,進一步優化結構設計。

由加速度頻響函數曲線得到動剛度曲線如圖6所示[9]。圖6中,炮塔座圈關重點的Z向動剛度在30～54 Hz的頻率段沒有達到設定的目標值,結合白車身的模態固有頻率分析可以發現,此頻率范圍接近該兩棲車白車身的第一階模態固有頻率32 Hz、第二階模態固有頻率44 Hz及第四階固有頻率52 Hz,故該頻率段內動剛度值較低是因為車體受到的激勵引起了車體的低階整體模態的共振[13-14]。

圖6 動剛度測試結果曲線

由此可知,炮塔座圈關重點Z向動剛度在與白車身模態在3個固有頻率存在多個共振峰,共振發生時,對結構施加很小的激勵能量,結構就會產生非常大的振動(變形),因而在共振峰處,結構很容易被激勵起來,結構的變形大,抵抗變形的能力弱,造成動剛度小[15]。需要結合車身設計經驗,從局部、整體角度綜合考量對結構進行優化設計。

4 車身關重位置動剛度強化

4.1 車身關重位置結構強化設計

炮塔座圈作為炮塔載荷的主要安裝與承載結構,其動態剛度的優劣影響振動從底盤到武器系統的傳遞。因此,需開展提升炮塔座圈關鍵位置結構動剛度的研究。結合兩棲車輛車身設計經驗,從以下兩方面進行改進設計:一是炮塔座圈平面板式結構改進設計為階梯狀或槽型結構;二是在平面板式結構改進設計為弧面結構或通過加強筋增加支撐結構[16-17]等措施來增加該處的動剛度。此外,從車身全局考慮,通過增加垂直向炮塔座圈支撐來增加車身動剛度。優化前后的結構有限元對比如圖7所示。

圖7 強化結構示意圖

4.2 結構強化后動剛度數值分析

對強化改善后的車身結構進行動剛度的數值模擬分析,得到炮塔座圈關重位置的加速度頻率響應函數IPI曲線如圖8所示,轉換成動剛度曲線的結果如圖9所示。

圖8 結構強化后的IPI數值模擬結果

圖9 結構強化后的動剛度曲線

將結構強化改善后的IPI數值模擬結果(見圖8)與結構強化改善前(見圖3)進行對比可知,結構強化改善后的Z向動剛度值已經達到了設計要求,理論上可以保障兩棲車輛射擊性能的發揮,為兩棲車輛方案設計提供了技術支持和理論依據。

5 結論

通過對某兩棲車輛白車身炮塔座圈關鍵位置點進行動剛度的數值模擬和測試分析,驗證了有限元模型的可靠性,對車身結構關重位置結構進行了優化設計。結果表明炮塔座圈關重位置點在30～54 Hz頻率段由于接近兩棲車輛白車身的一階和二階車體的整體低階模態固有頻率,容易引起嚴重的共振,Z向動剛度值較低,影響車輛振動特性與可靠性,對車輛火炮射擊的精度有較大影響。通過結構優化設計后,座圈關重位置Z向動剛度值得到很大改善,為兩棲車輛新質材料白車身設計提供了重要的理論依據。