基于力學(xué)性能安全的ATV 桁架式車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)特種全地形車(chē)（ATV）桁架式車(chē)身安全與輕量化需求，該文提出協(xié)同靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能輕量化方法，開(kāi)展某特種ATV 桁架式車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元分析獲取車(chē)身結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，建立基于力學(xué)性能安全的ATV 桁架式車(chē)身輕量化優(yōu)化模型；結(jié)合靈敏度分析和主效應(yīng)分析提取桁架式車(chē)身關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取輕量化設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)，構(gòu)建最小二乘法（LSR） - 徑向基函數(shù)（RBF）混合代理模型，提出協(xié)同靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能輕量化優(yōu)化策略，通過(guò)序列二次規(guī)劃（SQP）算法優(yōu)化獲取ATV 桁架式車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，在保證靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能條件下，該方法能有效降低ATV 桁架式車(chē)身質(zhì)量3.82%。

關(guān)鍵詞： 特種全地形車(chē)（ATV）；桁架式車(chē)身；輕量化；耐撞性

中圖分類(lèi)號(hào)： U 463.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.003

特種車(chē)輛因具有高機(jī)動(dòng)性和安全性，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事工業(yè)[1]。較重的車(chē)身會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性能不佳，增加生產(chǎn)制造成本[2]。輕量化武器裝備是保障全域機(jī)動(dòng)性、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離快速投送、降低后勤保障壓力等要求的重要基礎(chǔ)[3]。輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在車(chē)身減重的同時(shí)有效提升特種全地形車(chē)（all-terrainvehicle，ATV） 車(chē)輛整體性能。為實(shí)現(xiàn)特種ATV 越野性能強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高、承載能力大和抗沖擊能力強(qiáng)等要求，輕量化成為設(shè)計(jì)階段的必要流程。桁架式車(chē)身具有受力明顯、協(xié)調(diào)性好、易于加工等特點(diǎn)，是特種ATV 最常用車(chē)身結(jié)構(gòu)之一，但這種結(jié)構(gòu)承載力有限、變形能力較差，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中的抗沖擊性能較弱。因此，基于桁架式車(chē)身靜動(dòng)力學(xué)性能安全開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)對(duì)提高特種ATV 機(jī)動(dòng)性能與作戰(zhàn)能力具有重要意義。

ATV常在惡劣的地形條件下運(yùn)行，要關(guān)注更多力學(xué)性能下的約束條件[4]。M. Lázaro等[5]認(rèn)為剛度是衡量ATV安全的標(biāo)準(zhǔn)之一，采用有限元法分析巴哈ATV底盤(pán)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)ATV底盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以看出，在ATV車(chē)身性能安全分析指標(biāo)中，車(chē)身剛度為基本設(shè)計(jì)要求。ATV行駛過(guò)程中處于高頻振動(dòng)，可能會(huì)給武器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和車(chē)身性能帶來(lái)不利影響[6]。考慮到ATV車(chē)身穩(wěn)定性及避免產(chǎn)生共振，金兆輝等[7]以ATV車(chē)架為研究對(duì)象，從ATV車(chē)架模態(tài)、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度以及極限工況下最大位移和最大應(yīng)力分析并評(píng)價(jià)ATV車(chē)架設(shè)計(jì)可行性。ATV應(yīng)用場(chǎng)景常存在碰撞，當(dāng)車(chē)身結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足靜態(tài)力學(xué)性能安全時(shí)，但不一定能夠適用于碰撞場(chǎng)景，協(xié)同耐撞性分析與設(shè)計(jì)對(duì)提高ATV全域作戰(zhàn)能力具有重要意義。R. Soundararajan等[8]在ATV車(chē)架設(shè)計(jì)中考慮正面碰撞、側(cè)面碰撞、后方碰撞及側(cè)翻沖擊下的總變形量和等效應(yīng)力作為ATV設(shè)計(jì)的安全性能指標(biāo)。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的多樣化對(duì)ATV靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提出更多要求，協(xié)同靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是分析與設(shè)計(jì)輕型特種ATV的基本要求。

輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)輕型車(chē)身設(shè)計(jì)的主要手段。針對(duì)白車(chē)身輕量化問(wèn)題，左文杰[9] 等以白車(chē)身厚度為變量，考慮車(chē)身剛度、強(qiáng)度與頻率約束等基本力學(xué)性能，使用序列線性規(guī)劃方法進(jìn)行非線性?xún)?yōu)化實(shí)現(xiàn)白車(chē)身減重。為特種ATV 能適應(yīng)快速全域的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)，對(duì)ATV 車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)得到學(xué)者的關(guān)注。龍江啟等[10]提出基于剛度和模態(tài)靈敏度的ATV 車(chē)架輕量化方法，采用相對(duì)靈敏度方法篩選設(shè)計(jì)變量，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，一階模態(tài)頻率、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度為約束，實(shí)現(xiàn)ATV 車(chē)架輕量化。李作軒等[11] 提出基于多工況關(guān)聯(lián)的車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化，利用設(shè)計(jì)變量縮減策略，并引入Gauss 代理模型結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)特種無(wú)人車(chē)輛車(chē)身結(jié)構(gòu)減重。特種ATV 作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，應(yīng)用場(chǎng)景存在強(qiáng)正面對(duì)抗，帶來(lái)強(qiáng)沖擊載荷。特種ATV 車(chē)身結(jié)構(gòu)減重后對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)安全和車(chē)內(nèi)人員安全造成威脅，輕量化的同時(shí)需考慮其碰撞力學(xué)性能安全。現(xiàn)有特種ATV車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)較少，大多數(shù)考慮各工況下車(chē)身強(qiáng)度或剛度等基本力學(xué)性能安全特性進(jìn)行減重優(yōu)化，較少協(xié)同碰撞力學(xué)性能安全實(shí)現(xiàn)車(chē)身減重。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種協(xié)同靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能安全的輕量化優(yōu)化方法，旨在保證特種ATV桁架式車(chē)身在確保靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能安全前提下，實(shí)現(xiàn)特種ATV桁架式車(chē)身輕量化。通過(guò)分析某特種ATV車(chē)身結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，建立基于靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能安全的ATV桁架式車(chē)身輕量化優(yōu)化模型；結(jié)合靈敏度分析和主效應(yīng)分析篩選響應(yīng)車(chē)身各力學(xué)特性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取輕量化設(shè)計(jì)樣本；構(gòu)建最小二乘法（least square method，LSR）-徑向基函數(shù)（radial basisfunction，RBF）混合代理模型預(yù)測(cè)車(chē)身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)，采用序列二次規(guī)劃算法（sequential quadraticprogramming，SQP）求解協(xié)同靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的輕量化問(wèn)題，獲取并驗(yàn)證ATV桁架式車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方案。

1 ATV 桁架式車(chē)身結(jié)構(gòu)及優(yōu)化模型定義

1.1 車(chē)身結(jié)構(gòu)與有限元建模

某特種ATV 承載式車(chē)身由獨(dú)立桁架與蒙皮焊接而成，如圖1 所示，前端為車(chē)身主要吸能結(jié)構(gòu)，車(chē)身總體外形尺寸為L(zhǎng)×W×H = 3 920 mm×1 657 mm×1 249 mm。設(shè)計(jì)駕乘人數(shù)為6 人，分布形式呈3 排2 列。其中蒙皮采用DP980 高強(qiáng)度鋼，厚度為d1 = 2 mm ；桁架采用Q345 材料，厚度為d2 = 2 mm。2 種材料密度ρ、泊松比v、彈性模量E 以及屈服強(qiáng)度σs 如表1 所示。

利用有限元前處理軟件HYPERMESH對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格離散，建立車(chē)身有限元模型。其中，蒙皮和桁架均采用SHELL單元模擬，車(chē)身網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，整車(chē)共225 146個(gè)單元。各桁架間及蒙皮與桁架間均采用熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊，以斷續(xù)焊接為主，外部滿(mǎn)焊為密封。不考慮焊縫位置的應(yīng)力分布，有限元建模時(shí)忽略焊縫，各桁架間及蒙皮與桁架間采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式進(jìn)行連接。