专利名称：一种高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法
技术领域：
本发明涉及高速履带车辆承载结构动态应力计算与仿真评估技术领域,特指ー种高速履带车辆的车体结构动态应カ仿真计算方法。
背景技术：
高速履带车辆在复杂越野道路行驶的时候，恶劣道路环境的剧烈冲击和振动是引起高速履带车辆系统结构振动、导致结构动应カ过大甚至结构破坏的主要原因。然而，长期以来，由于计算方法和手段的局限性，使得车体的结构设计仍然依赖于传统的经验设计方法。 自20世纪90年代以来，有限元方法已逐步在高速履带车辆车体结构的应カ计算中得到应用。但是，基于有限元方法的高速履带车辆的车体应カ计算主要存在两个问题一是车体结构承受的边界载荷很难获取。由于车体结构连接的复杂性，很难通过试验测试的手段准确得到车体结构的所有边界载荷条件，尤其在设计阶段，由于没有试验样车，只能采用同类型车辆的边界载荷，由此得到的分析计算结果显然无法满足实际的设计要求。ニ是车辆系统动态特性与车体结构特性的耦合问题。车体结构不仅随车辆系统经历大范围的刚体运动，同时还要承受边界载荷下的局部变形，这两种运动的相互耦合，使得仅采用有限元分析的方法无法满足履带车辆车体结构动态应カ的分析计算要求。经对现有技术文献检索发现，朴明伟，方吉等人在《振动与冲击》2009年第3期上发表《基于刚柔耦合仿真的集装箱车体振动疲劳分析》，该文中作者针对集装箱车体的振动疲劳问题，考虑车辆系统振动对结构应カ及疲劳寿命的影响，提出了ー种基于刚柔耦合仿真技术的振动疲劳分析方法。然而，到目前为止，在高速履带车辆结构强度的研究領域，在考虑车辆系统动力学与结构动态特性的相互影响并计算结构动态应力等方面，仍未见相关文献的记载。因此，以高速履带车辆的车体结构为研究对象，提出ー种耦合动力学及结构动态特性的履带车辆车体结构动态应カ计算方法，并通过刚柔耦合虚拟样机及模态应力恢复技术加以实现，对于设计研制阶段履带车辆车体结构设计及动态强度评估具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一套基于高速履带车辆刚柔耦合整车系统模型及模态应力恢复计算结构动态应力的方法，为高速履带车辆系统的结构设计与改进提供了有效的技术手段。为实现上述目的，本发明的ー种高速履带车辆的车体结构动态应カ仿真计算方法，包括如下步骤
第一歩构建基于模态综合方法的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型，其实施步骤如下
I)、根据结构尺寸參数建立高速履带车辆的CAD模型；2)、根据高速履带车辆的设计资料和CAD模型，在建立高速履带车辆的推进子系统模型基础上构建推进系统多刚体模型；
3)、根据高速履带车辆的设计资料和CAD模型，在建立高速履带车辆的悬架子系统模型基础上构建悬架系统多刚体模型；
4)、根据高速履带车辆的设计资料和CAD模型，构建车体有限元模型，基于模态综合方法以生成车体结构的模态质量矩阵、模态刚度矩阵、模态阻尼矩阵和模态应力矩阵的模态中性文件的形式构建车体柔性体模型；
5)、根据车体柔性体模型与推进系统多刚体模型、悬架系统多刚体模型的连接关系，在车体柔性体模型外部的连接单元处定义约束关系，实现车体柔性体模型与推进系统多刚体模型、悬架系统多刚体模型的连接，构建含车体柔性体的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型。第二步基于模态应力恢复方法的车体结构动态应力计算，其实施步骤如下
1)、在进行有限元模态综合过程中，利用弹性力学几何方程
{e} = [B]{U}和物理方程{β卜[E]{e}计算柔性体模态应力矩阵[Φβ
= [Ε][Β][Φ];式
中，E为柔性体应变矢量，σ为柔性体应力矢量，B为柔性体应变矩阵，!1为节点自由度向量，E为柔性体弹性矩阵Φ为柔性体模态矩阵；
2)、构建三维仿真路叫俣型；
3)、基于高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型进行动力学仿真，计算三维仿真路面环境下车辆整车系统的结构动态响应；
4)、通过模态应力和模态坐标的线性叠加计算得到柔性体的动态应力，
W= [Φ0 ]'{q>,由柔性体的动态应力计算得到车辆整车系统节点的动态应力时间历程。其中，所述高速履带车辆的推进子系统模型分别为主动轮、负重轮、诱导轮、托带轮和履带。其中，所述高速履带车辆的悬架子系统模型分别为平衡肘、扭力轴、减振器和限制器。其中，生成模态中性文件的步骤包括划分有限元网格，定义材料属性，定义外部节点，定义多点约束单元，建立超单元，选择Soll03求解器，设置输出单位，选择模态参数及选择输出信息。本发明的有益效果采用模态综合技术建立了集成多刚体悬架系统及推进系统模型和车体结构有限元模型的高速履带车辆刚柔耦合复杂动力学模型，准确反映了车辆系统动力学与结构动力学之间的耦合动力学特性；本发明提供了能够在高速履带车辆设计研制阶段获取结构边界载荷，同时获取结构动态应力的仿真计算方法，为高速履带车辆系统结构设计与改进提供了有效手段。
图I为本发明的流程方框图。图2为本发明的有高速履带车辆整车系统模型的构架框图。图3为生成模态中性文件的流程方框图。
图4为E级随机路面的道路纵剖面图。图5为E级随机路面的三维路面模型图。图6为E级随机路面条件下车体结构关键节点的动态应力时间历程曲线图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细的描述。如图I所示，本发明的ー种高速履带车辆的车体结构动态应カ仿真计算方法，包括构建基于模态综合方法的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型和基于模态应カ恢复方法的车体结构动态应カ计算两大实施步骤。其中，
第一歩构建基于模态综合方法的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型。高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型包括推进系统多刚体模型、悬架系统多刚体模型和车体柔性体模 型。在计算机中利用ADAMS软件在ADAMS/ATV模块中构建推进系统多刚体模型和悬架系统多刚体模型，同时采用Nastran软件建立基于模态综合方法的车体柔性体模型，再构建含车体柔性体的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型。其具体实施步骤如下
I)、根据设计资料中的结构尺寸參数建立高速履带车辆的CAD模型；所述设计资料包括悬挂特性參数、质量特性參数、结构尺寸參数和材料特性參数，通过车辆的结构尺寸參数可建立高速履带车辆的CAD模型。2)、根据高速履带车辆的设计资料參数和CAD模型，在建立高速履带车辆的推进子系统模型基础上构建推进系统多刚体模型；所述推进子系统模型分别为主动轮、负重轮、诱导轮、托带轮和履帯。3)、根据高速履带车辆的设计资料參数和CAD模型，在建立高速履带车辆的悬架子系统模型基础上构建悬架系统多刚体模型；所述的悬架子系统模型分别为平衡肘、扭カ轴、减振器和限制器。上述高速履带车辆的推进系统和悬架系统的框架结构參见图2。4)、根据高速履带车辆的设计參数和CAD模型，构建车体有限元模型，再通过计算机的Nastran软件建立基于模态综合方法的车体柔性体模型，所述车体柔性体模型以生成包含车体结构的模态质量矩阵、模态刚度矩阵、模态阻尼矩阵和模态应カ矩阵的模态中性文件的形式构建；如图3所示，基于Nastran软件生成模态中性文件的步骤包括划分有限元网格，定义材料属性，定义外部节点，定义多点约束单元(MPC)，建立超単元，选择Soll03求解器，设置输出単位，选择模态參数及选择输出信息。通过上述步骤，可以生成包含车体结构的模态质量矩阵、模态刚度矩阵、模态阻尼矩阵和模态应カ矩阵的模态中性文件。其中，定义外部节点、MPC单元及超单元主要用于构建ADAMS中柔性体与其它刚性体的外部连接单元。模态參数的选择是通过在Nastran中定义SPOINT和SEQSET卡片进行。选择输出信息通过Nastran中的Output卡片定义,考虑到采用模态应カ恢复方法计算动力学环境下车体结构的动态应力，在模态中性文件需要包含节点应力(gpstress)和单元应力(stress)的信息。车体结构由装甲板、加强筋板及立柱组成，主要采用两种不同的材料，加强筋板及立柱采用16Mn钢，装甲板采用高压5钢。车体结构的材料物理特性參数如表I所示。
权利要求
1.一种高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法，其特征在于包括如下步骤 第一步构建基于模态综合方法的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型，其实施步骤如下 1)、根据结构尺寸参数建立高速履带车辆的CAD模型； 2)、根据高速履带车辆的设计资料和CAD模型，在建立高速履带车辆的推进子系统模型基础上构建推进系统多刚体模型； 3)、根据高速履带车辆的设计资料和CAD模型，在建立高速履带车辆的悬架子系统模型基础上构建悬架系统多刚体模型； 4)、根据高速履带车辆的设计资料和CAD模型，构建车体有限元模型，基于模态综合方法以生成车体结构的模态质量矩阵、模态刚度矩阵、模态阻尼矩阵和模态应力矩阵的模态中性文件的形式构建车体柔性体模型； 5)、根据车体柔性体模型与推进系统多刚体模型、悬架系统多刚体模型的连接关系，在车体柔性体模型外部的连接单元处定义约束关系，实现车体柔性体模型与推进系统多刚体模型、悬架系统多刚体模型的连接，构建含车体柔性体的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型。
2.第二步基于模态应力恢复方法的车体结构动态应力计算，其实施步骤如下 1)、在进行有限元模态综合过程中，利用弹性力学几何方程_ =同{11}和物理方程计算柔性体模态应力矩阵Φ,] = [Ε][Β][Φ];式中E力柔性体应变矢量，O为柔性体应力矢量，B为柔性体应变矩阵，u为节点自由度向量，E为柔性体弹性矩阵，Φ为柔性体模态矩阵； 2)、构建三维仿真路面模型； 3)、基于高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型进行动力学仿真，计算在三维仿真路面行驶环境下车辆整车系统的结构动态响应，所述结构动态响应包括模态坐标；4)、通过步骤I)中柔性体模态应力矩阵计算出的模态应力和步骤3)中的模态坐标的线性叠加计算得到柔性体的动态应力，{**}= ]'{q},由柔性体的动态应力计算得到车辆整车系统节点的动态应力时间历程
3.根据权利要求I所述的高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法，其特征在于所述高速履带车辆的推进子系统模型分别为主动轮、负重轮、诱导轮、托带轮和履带。
4.根据权利要求I所述的高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法，其特征在于所述高速履带车辆的悬架子系统模型分别为平衡肘、扭力轴、减振器和限制器。
5.根据权利要求I所述的高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法，其特征在于生成模态中性文件的步骤包括划分有限元网格，定义材料属性，定义外部节点，定义多点约束单元，建立超单元，选择Soll03求解器，设置输出单位，选择模态参数及选择输出信肩、O
全文摘要
本发明涉及高速履带车辆承载结构动态应力计算与仿真评估技术领域，特指一种高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法,包括构建基于模态综合方法的高速履带车辆整车系统刚柔耦合模型和基于模态应力恢复方法的车体结构动态应力计算两大实施步骤,采用模态综合技术建立了集成多刚体悬架系统及推进系统模型和车体结构有限元模型的高速履带车辆刚柔耦合复杂动力学模型，准确反映了车辆系统动力学与结构动力学之间的耦合动力学特性；本发明提供了一种能够在高速履带车辆设计研制阶段获取结构边界载荷，同时获取结构动态应力的仿真计算方法，为高速履带车辆系统结构设计与改进提供了有效手段。
文档编号G06F17/50GK102855363SQ20121036300
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者王红岩, 芮强, 王钦龙, 薛劲橹 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院