專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速履帶車(chē)輛承載結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算與仿真評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域,特指ー種高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)カ仿真計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
高速履帶車(chē)輛在復(fù)雜越野道路行駛的時(shí)候，惡劣道路環(huán)境的劇烈沖擊和振動(dòng)是引起高速履帶車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)、導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)カ過(guò)大甚至結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，由于計(jì)算方法和手段的局限性，使得車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然依賴(lài)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。 自20世紀(jì)90年代以來(lái)，有限元方法已逐步在高速履帶車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)カ計(jì)算中得到應(yīng)用。但是，基于有限元方法的高速履帶車(chē)輛的車(chē)體應(yīng)カ計(jì)算主要存在兩個(gè)問(wèn)題一是車(chē)體結(jié)構(gòu)承受的邊界載荷很難獲取。由于車(chē)體結(jié)構(gòu)連接的復(fù)雜性，很難通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的手段準(zhǔn)確得到車(chē)體結(jié)構(gòu)的所有邊界載荷條件，尤其在設(shè)計(jì)階段，由于沒(méi)有試驗(yàn)樣車(chē)，只能采用同類(lèi)型車(chē)輛的邊界載荷，由此得到的分析計(jì)算結(jié)果顯然無(wú)法滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)要求。ニ是車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與車(chē)體結(jié)構(gòu)特性的耦合問(wèn)題。車(chē)體結(jié)構(gòu)不僅隨車(chē)輛系統(tǒng)經(jīng)歷大范圍的剛體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要承受邊界載荷下的局部變形，這兩種運(yùn)動(dòng)的相互耦合，使得僅采用有限元分析的方法無(wú)法滿足履帶車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)カ的分析計(jì)算要求。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，樸明偉，方吉等人在《振動(dòng)與沖擊》2009年第3期上發(fā)表《基于剛?cè)狁詈戏抡娴募b箱車(chē)體振動(dòng)疲勞分析》，該文中作者針對(duì)集裝箱車(chē)體的振動(dòng)疲勞問(wèn)題，考慮車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)カ及疲勞壽命的影響，提出了ー種基于剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)的振動(dòng)疲勞分析方法。然而，到目前為止，在高速履帶車(chē)輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究領(lǐng)域，在考慮車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的相互影響并計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力等方面，仍未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)的記載。因此，以高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，提出ー種耦合動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的履帶車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)カ計(jì)算方法，并通過(guò)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)及模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)研制階段履帶車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度評(píng)估具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一套基于高速履帶車(chē)輛剛?cè)狁詈险?chē)系統(tǒng)模型及模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的方法，為高速履帶車(chē)輛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了有效的技術(shù)手段。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的ー種高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)カ仿真計(jì)算方法，包括如下步驟
第一歩構(gòu)建基于模態(tài)綜合方法的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，其?shí)施步驟如下
I)、根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)建立高速履帶車(chē)輛的CAD模型；2)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料和CAD模型，在建立高速履帶車(chē)輛的推進(jìn)子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型；
3)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料和CAD模型，在建立高速履帶車(chē)輛的懸架子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建懸架系統(tǒng)多剛體模型；
4)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料和CAD模型，構(gòu)建車(chē)體有限元模型，基于模態(tài)綜合方法以生成車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)質(zhì)量矩陣、模態(tài)剛度矩陣、模態(tài)阻尼矩陣和模態(tài)應(yīng)力矩陣的模態(tài)中性文件的形式構(gòu)建車(chē)體柔性體模型；
5)、根據(jù)車(chē)體柔性體模型與推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型、懸架系統(tǒng)多剛體模型的連接關(guān)系，在車(chē)體柔性體模型外部的連接單元處定義約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)車(chē)體柔性體模型與推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型、懸架系統(tǒng)多剛體模型的連接，構(gòu)建含車(chē)體柔性體的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?。第二步基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算，其實(shí)施步驟如下
1)、在進(jìn)行有限元模態(tài)綜合過(guò)程中，利用彈性力學(xué)幾何方程
{e} = [B]{U}和物理方程{β卜[E]{e}計(jì)算柔性體模態(tài)應(yīng)力矩陣[Φβ
= [Ε][Β][Φ];式
中，E為柔性體應(yīng)變矢量，σ為柔性體應(yīng)力矢量，B為柔性體應(yīng)變矩陣，!1為節(jié)點(diǎn)自由度向量，E為柔性體彈性矩陣Φ為柔性體模態(tài)矩陣；
2)、構(gòu)建三維仿真路叫俁型；
3)、基于高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，計(jì)算三維仿真路面環(huán)境下車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；
4)、通過(guò)模態(tài)應(yīng)力和模態(tài)坐標(biāo)的線性疊加計(jì)算得到柔性體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，
W= [Φ0 ]'{q>,由柔性體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算得到車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程。其中，所述高速履帶車(chē)輛的推進(jìn)子系統(tǒng)模型分別為主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、托帶輪和履帶。其中，所述高速履帶車(chē)輛的懸架子系統(tǒng)模型分別為平衡肘、扭力軸、減振器和限制器。其中，生成模態(tài)中性文件的步驟包括劃分有限元網(wǎng)格，定義材料屬性，定義外部節(jié)點(diǎn)，定義多點(diǎn)約束單元，建立超單元，選擇Soll03求解器，設(shè)置輸出單位，選擇模態(tài)參數(shù)及選擇輸出信息。本發(fā)明的有益效果采用模態(tài)綜合技術(shù)建立了集成多剛體懸架系統(tǒng)及推進(jìn)系統(tǒng)模型和車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型的高速履帶車(chē)輛剛?cè)狁詈蠌?fù)雜動(dòng)力學(xué)模型，準(zhǔn)確反映了車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)之間的耦合動(dòng)力學(xué)特性；本發(fā)明提供了能夠在高速履帶車(chē)輛設(shè)計(jì)研制階段獲取結(jié)構(gòu)邊界載荷，同時(shí)獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的仿真計(jì)算方法，為高速履帶車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了有效手段。


圖I為本發(fā)明的流程方框圖。圖2為本發(fā)明的有高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)模型的構(gòu)架框圖。圖3為生成模態(tài)中性文件的流程方框圖。
圖4為E級(jí)隨機(jī)路面的道路縱剖面圖。圖5為E級(jí)隨機(jī)路面的三維路面模型圖。圖6為E級(jí)隨機(jī)路面條件下車(chē)體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖I所示，本發(fā)明的ー種高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)カ仿真計(jì)算方法，包括構(gòu)建基于模態(tài)綜合方法的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ秃突谀B(tài)應(yīng)カ恢復(fù)方法的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)カ計(jì)算兩大實(shí)施步驟。其中，
第一歩構(gòu)建基于模態(tài)綜合方法的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀８咚俾膸к?chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ桶ㄍ七M(jìn)系統(tǒng)多剛體模型、懸架系統(tǒng)多剛體模型和車(chē)體柔性體模 型。在計(jì)算機(jī)中利用ADAMS軟件在ADAMS/ATV模塊中構(gòu)建推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型和懸架系統(tǒng)多剛體模型，同時(shí)采用Nastran軟件建立基于模態(tài)綜合方法的車(chē)體柔性體模型，再構(gòu)建含車(chē)體柔性體的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?。其具體實(shí)施步驟如下
I)、根據(jù)設(shè)計(jì)資料中的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)建立高速履帶車(chē)輛的CAD模型；所述設(shè)計(jì)資料包括懸掛特性參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和材料特性參數(shù)，通過(guò)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)可建立高速履帶車(chē)輛的CAD模型。2)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料參數(shù)和CAD模型，在建立高速履帶車(chē)輛的推進(jìn)子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型；所述推進(jìn)子系統(tǒng)模型分別為主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、托帶輪和履帯。3)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料參數(shù)和CAD模型，在建立高速履帶車(chē)輛的懸架子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建懸架系統(tǒng)多剛體模型；所述的懸架子系統(tǒng)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(chē)輛的推進(jìn)系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2。4)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)參數(shù)和CAD模型，構(gòu)建車(chē)體有限元模型，再通過(guò)計(jì)算機(jī)的Nastran軟件建立基于模態(tài)綜合方法的車(chē)體柔性體模型，所述車(chē)體柔性體模型以生成包含車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)質(zhì)量矩陣、模態(tài)剛度矩陣、模態(tài)阻尼矩陣和模態(tài)應(yīng)カ矩陣的模態(tài)中性文件的形式構(gòu)建；如圖3所示，基于Nastran軟件生成模態(tài)中性文件的步驟包括劃分有限元網(wǎng)格，定義材料屬性，定義外部節(jié)點(diǎn)，定義多點(diǎn)約束單元(MPC)，建立超単元，選擇Soll03求解器，設(shè)置輸出単位，選擇模態(tài)參數(shù)及選擇輸出信息。通過(guò)上述步驟，可以生成包含車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)質(zhì)量矩陣、模態(tài)剛度矩陣、模態(tài)阻尼矩陣和模態(tài)應(yīng)カ矩陣的模態(tài)中性文件。其中，定義外部節(jié)點(diǎn)、MPC單元及超單元主要用于構(gòu)建ADAMS中柔性體與其它剛性體的外部連接單元。模態(tài)參數(shù)的選擇是通過(guò)在Nastran中定義SPOINT和SEQSET卡片進(jìn)行。選擇輸出信息通過(guò)Nastran中的Output卡片定義,考慮到采用模態(tài)應(yīng)カ恢復(fù)方法計(jì)算動(dòng)力學(xué)環(huán)境下車(chē)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，在模態(tài)中性文件需要包含節(jié)點(diǎn)應(yīng)力(gpstress)和單元應(yīng)力(stress)的信息。車(chē)體結(jié)構(gòu)由裝甲板、加強(qiáng)筋板及立柱組成，主要采用兩種不同的材料，加強(qiáng)筋板及立柱采用16Mn鋼，裝甲板采用高壓5鋼。車(chē)體結(jié)構(gòu)的材料物理特性參數(shù)如表I所示。
權(quán)利要求
1.一種高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算方法，其特征在于包括如下步驟 第一步構(gòu)建基于模態(tài)綜合方法的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，其?shí)施步驟如下 1)、根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)建立高速履帶車(chē)輛的CAD模型； 2)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料和CAD模型，在建立高速履帶車(chē)輛的推進(jìn)子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型； 3)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料和CAD模型，在建立高速履帶車(chē)輛的懸架子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建懸架系統(tǒng)多剛體模型； 4)、根據(jù)高速履帶車(chē)輛的設(shè)計(jì)資料和CAD模型，構(gòu)建車(chē)體有限元模型，基于模態(tài)綜合方法以生成車(chē)體結(jié)構(gòu)的模態(tài)質(zhì)量矩陣、模態(tài)剛度矩陣、模態(tài)阻尼矩陣和模態(tài)應(yīng)力矩陣的模態(tài)中性文件的形式構(gòu)建車(chē)體柔性體模型； 5)、根據(jù)車(chē)體柔性體模型與推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型、懸架系統(tǒng)多剛體模型的連接關(guān)系，在車(chē)體柔性體模型外部的連接單元處定義約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)車(chē)體柔性體模型與推進(jìn)系統(tǒng)多剛體模型、懸架系統(tǒng)多剛體模型的連接，構(gòu)建含車(chē)體柔性體的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?br> 2.第二步基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算，其實(shí)施步驟如下 1)、在進(jìn)行有限元模態(tài)綜合過(guò)程中，利用彈性力學(xué)幾何方程_ =同{11}和物理方程計(jì)算柔性體模態(tài)應(yīng)力矩陣Φ,] = [Ε][Β][Φ];式中E力柔性體應(yīng)變矢量，O為柔性體應(yīng)力矢量，B為柔性體應(yīng)變矩陣，u為節(jié)點(diǎn)自由度向量，E為柔性體彈性矩陣，Φ為柔性體模態(tài)矩陣； 2)、構(gòu)建三維仿真路面模型； 3)、基于高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，計(jì)算在三維仿真路面行駛環(huán)境下車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所述結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)包括模態(tài)坐標(biāo)；4)、通過(guò)步驟I)中柔性體模態(tài)應(yīng)力矩陣計(jì)算出的模態(tài)應(yīng)力和步驟3)中的模態(tài)坐標(biāo)的線性疊加計(jì)算得到柔性體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，{**}= ]'{q},由柔性體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算得到車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算方法，其特征在于所述高速履帶車(chē)輛的推進(jìn)子系統(tǒng)模型分別為主動(dòng)輪、負(fù)重輪、誘導(dǎo)輪、托帶輪和履帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算方法，其特征在于所述高速履帶車(chē)輛的懸架子系統(tǒng)模型分別為平衡肘、扭力軸、減振器和限制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算方法，其特征在于生成模態(tài)中性文件的步驟包括劃分有限元網(wǎng)格，定義材料屬性，定義外部節(jié)點(diǎn)，定義多點(diǎn)約束單元，建立超單元，選擇Soll03求解器，設(shè)置輸出單位，選擇模態(tài)參數(shù)及選擇輸出信肩、O
全文摘要
本發(fā)明涉及高速履帶車(chē)輛承載結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算與仿真評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域，特指一種高速履帶車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算方法,包括構(gòu)建基于模態(tài)綜合方法的高速履帶車(chē)輛整車(chē)系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ秃突谀B(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法的車(chē)體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算兩大實(shí)施步驟,采用模態(tài)綜合技術(shù)建立了集成多剛體懸架系統(tǒng)及推進(jìn)系統(tǒng)模型和車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型的高速履帶車(chē)輛剛?cè)狁詈蠌?fù)雜動(dòng)力學(xué)模型，準(zhǔn)確反映了車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)之間的耦合動(dòng)力學(xué)特性；本發(fā)明提供了一種能夠在高速履帶車(chē)輛設(shè)計(jì)研制階段獲取結(jié)構(gòu)邊界載荷，同時(shí)獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的仿真計(jì)算方法，為高速履帶車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了有效手段。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102855363SQ20121036300
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者王紅巖, 芮強(qiáng), 王欽龍, 薛勁櫓 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院