一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法与流程

本发明属于车辆结构设计技术领域，具体涉及一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法。

背景技术：

活动横梁是履带式战车车体结构的重要组成部分，是整个车辆结构的主要的承载部件之一。履带式战车分为三部分，动力舱、战斗舱和乘员舱。其中，动力舱内装载动力系统、传动系统、辅助系统等，目前大部分车辆动力传动一体化，占据相当大的空间。由于动力舱安装、维修和保养的要求，动力舱上部需要预留开口，实现动力传动一体吊装，这样动力舱开口就会很大。但是动力舱不能设计和开口同样大的盖板，这样会增加战车重量，更不方便平时的拆装和维护。所以，在动力舱盖板设计时，通常对盖板进行分块，使每块的重量在维修人员可以承受的范围。这样每块盖板之间就需要设计横梁结构，支撑盖板重量。而横梁结构需满足承载的前提下，必须满足以下几个条件：(1)可以随时拆除以方便动力传动装置吊装。(2)横梁和盖板之间需设计密封结构，防止雨水渗入动力舱。(3)横梁需满足刚强度要求，一方面防止发生疲劳破坏，另一方面防止在动载荷作用下发生塑性变形，使盖板和横梁之间产生间隙，影响盖板的密封性。(4)横梁设计需满足整车安装要求，不能占用其他分系统或者部件的空间。(5)总体设计对活动横梁重量有很严格的限制。所以，高强度和轻质量之间的矛盾是目前活动横梁结构设计的主要难题。

集安装要求、强度设计要求、密封要求为一体的活动横梁设计方法有望解决这一问题。这种设计方法充分利用了横梁结构在不同承载、不同材料、不同截面尺寸的强度特性，在不降低整体结构强度、不影响结构安装的基础上，可大大降低结构质量。这种结构设计方法，其核心技术在于基于多目标的多参数优化技术，最终实现横梁质量、截面尺寸、横梁材料、强度和刚度这五个因素的最优匹配，针对这种类型的横梁结构设计方法，目前在军用车上还未应用。

基于以上要求，现有履带式战车活动横梁结构的轻量化设计应该具备以下特点：

1、活动横梁结构尽可能设计为一体化结构。这样可以增加整体结构的刚强度，不用在中间连接部位设计动力舱底部和横梁之间的支撑立柱，从而占据舱内空间。设计横梁之间的过渡连接结构，只在横梁结构的边界点进行螺栓固定，这样设计既方便拆装，同时在满足刚强度前提下实现减轻横梁整体质量。

2、横梁结构所采用的材料应为目前现成批产的型材；

3、横梁结构在进行刚强度校核时采用的有限元模型应该以壳单元为主，减小节点单元的同时，又可设定截面尺寸和材料属性为设计变量，方便后续进行多目标优化。

4、使用专业成熟的优化软件自动完成优化计算；

5、整个设计流程建模速度快、便于修改、计算时耗低。

基于上述几个特点要求，需要提出一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法，根据设计流程可快速实现活动横梁轻量化设计，实现横梁质量、截面尺寸、横梁材料、强度和刚度这五个设计因素最优匹配。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法，实现横梁质量、截面尺寸、横梁材料、强度和刚度这五个设计因素最优匹配。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法，包括以下步骤：

(1)建立履带式战车活动横梁结构初始三维模型

根据总体布置，按照盖板开口要求和厚度尺寸构建活动横梁结构初始三维模型，所述模型包括基础结构模型和加强结构模型，基础模型两端左右两侧预留螺栓孔，基础模型顶部预留螺栓孔，用于安装压板严紧左右两侧盖板；

(2)根据构建的横梁结构初始三维模型，建立活动横梁的壳单元有限元模型

所述壳单元采用四节点无中点数学模型，把截面尺寸参数化表示，采用a、b、c、d、e、f、g七个参数表征截面尺寸信息，并形成脚本文件，其中a、b、c、d、e、f、g七个参数依次表示基础结构中间厚度、基础结构两侧高度、基础结构两侧厚度、基础结构两侧宽度、加强结构内部宽度、加强结构外部高度、加强结构外部宽度；

(3)建立活动横梁的求解模型

根据建立的活动横梁的壳单元有限元模型，根据实际工况施加载荷和约束，基于垂向冲击工况，约束活动横梁的几个固定连接螺栓位置，施加6个自由度的全约束，同时施加盖板的5倍重量载荷垂直均布作用在横梁上，提取最大等效应力值σmax1；基于制动冲击载荷工况，约束活动横梁的几个固定连接螺栓位置，施加6个自由度的全约束，同时施加盖板的1.5倍重量水平载荷集中作用在横梁上，1倍重量载荷垂直均布作用在横梁上，提取最大等效应力值σmax2；根据活动横梁疲劳应力极限试验数值，保证这两个值σmax1、σmax2都小于活动横梁所用材料的疲劳屈服极限，即屈服极限σs的一定百分比；

(4)参数灵敏度分析

对活动横梁截面a、b、c、d、e、f、g七个参数进行灵敏度分析，得出7个参数对最大等效应力σmax1和σmax2的灵敏度，按照灵敏度大小对7个参数进行排序，对于灵敏度小于5％的参数不列入优化变量，此处设7个参数灵敏度均大于或等于5％；

(5)建立活动横梁优化模型

在isight软件中构建活动横梁的优化模型，以活动横梁总质量m为优化目标，以a、b、c、d、e、f、g七个参数以及四种材料参数密度ρ、弹性模量e’、泊松比γ为优化变量，以振动冲击和制动冲击下的最大应力σmax、最大变形smax为约束条件，建立优化模型，优化模型为：

其中ρ、e’、γ四个矩阵中的元素分别表示活动横梁结构采用四种不同材料时对应的密度、弹性模量、泊松比；

(6)优化分析

根据优化模型和初始输入，进行优化求解计算，最后根据多目标优化结果，由车体结构设计人员筛选出三组合适的匹配方案，然后确定一组最佳匹配方案，基于该方案重新建立活动横梁的三维模型，然后对活动横梁和安装螺栓进行有限元刚强度校核，验证优化分析的准确性；若有误，则为活动横梁的七个参数重新赋予初值，更改初始三维模型，若无误，则继续进行活动横梁的工程设计。

优选地，在优化分析之后还包括步骤：针对多种截面形状活动横梁，重复步骤(1)到(6)，然后再进行综合对比，当总体布置或者车体尺寸变化较大时，则重新对活动横梁进行初始设计，同样重复步骤(1)到(6)。

优选地，第一步中，在盖板和横梁之间粘贴密封胶条。

优选地，第二步中所得活动横梁截面尺寸信息为下表：

表1

优选地，第五步中，ρ、e’、γ四个矩阵中的元素分别表示活动横梁结构采用高强钢、铝合金、钛合金、镁合金四种不同材料时对应的密度、弹性模量、泊松比。

优选地，疲劳屈服极限为屈服极限σs的75％。

(三)有益效果

本发明提出一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法，根据设计流程可快速实现活动横梁轻量化设计，实现横梁质量、截面尺寸、横梁材料、强度和刚度这五个设计因素最优匹配，给活动横梁在方案设计和工程设计阶段提供最重要的参考。

附图说明

图1是本发明的履带式车辆动力舱活动横梁轻量化设计流程图；

图2是本发明的活动横梁初始三维模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种履带式战车活动横梁轻量化设计方法，包括以下步骤：

(1)建立履带式战车活动横梁结构初始三维模型

根据总体布置，按照盖板开口要求和厚度尺寸构建活动横梁结构初始三维模型，活动横梁模型包括基础结构模型和加强结构模型，如图2所示，基础模型两端左右两侧预留螺栓孔，满足横梁的安装固定要求。基础模型顶部预留螺栓孔，用于安装压板严紧左右两侧盖板，盖板和横梁之间粘贴密封胶条，防止雨水渗入，同时防止因为间隙产生振动，使横梁发生疲劳破坏和塑性变形。

(2)构建以壳单元为主要的活动横梁有限元模型

根据构建的初始活动横梁三维模型，建立活动横梁的壳单元有限元模型。为了提高计算效率，壳单元采用四节点无中点数学模型，把截面尺寸参数化表示，如图2所示，采用a、b、c、d、e、f、g七个参数表征截面尺寸信息，并形成脚本文件，方便后续的设计优化，其中a、b、c、d、e、f、g七个参数依次表示基础结构中间厚度、基础结构两侧高度、基础结构两侧厚度、基础结构两侧宽度、加强结构内部宽度、加强结构外部高度、加强结构外部宽度。如表1所示。

表1活动横梁截面尺寸信息

(3)建立活动横梁的求解模型

根据建立的活动横梁有限元初始模型，根据实际工况施加载荷和约束，基于垂向冲击工况，约束活动横梁的几个固定连接螺栓位置，施加6个自由度的全约束，同时施加盖板的5倍重量载荷垂直均布作用在横梁上，提取最大等效应力值σmax1。基于制动冲击载荷工况，约束活动横梁的几个固定连接螺栓位置，施加6个自由度的全约束，同时施加盖板的1.5倍重量水平载荷集中作用在横梁上，1倍重量载荷垂直均布作用在横梁上，提取最大等效应力值σmax2。根据活动横梁疲劳应力极限试验数值，保证这两个值σmax1、σmax2都小于活动横梁所用材料的疲劳屈服极限(即屈服极限σs的75％)。

(4)参数灵敏度分析

对活动横梁截面a、b、c、d、e、f、g七个参数进行灵敏度分析，得出7个参数对最大等效应力σmax1和σmax2的灵敏度，按照灵敏度大小对7个参数进行排序。

(5)建立活动横梁优化模型

在isight软件中构建活动横梁的优化模型，以活动横梁总质量m为优化目标，以a、b、c、d、e、f、g七个参数以及四种材料参数密度ρ、弹性模量e’、泊松比γ为优化变量，以振动冲击和制动冲击下的最大应力σmax、最大变形smax为约束条件，建立优化模型，优化模型如下式所示。

上式的ρ、e’、γ四个矩阵中的元素分别表示活动横梁结构采用高强钢、铝合金、钛合金、镁合金四种不同材料时对应的密度、弹性模量、泊松比。

(6)优化分析

根据优化模型和初始输入，进行优化求解计算，活动横梁优化模型可以适当减少优化目标和优化参数，以加快优化速度。最后根据多目标优化结果，由车体结构设计人员筛选出三组合适的匹配方案，然后综合整车要求、总体布置、工艺实现、经济成本等其它因素，确定一组最佳匹配方案，基于该方案重新建立活动横梁的三维模型，然后对活动横梁和安装螺栓进行有限元刚强度校核，验证优化分析的准确性。若有误，则为活动横梁的七个参数重新赋予初值，更改初始三维模型，若无误，则可继续进行活动横梁的工程设计。

(7)方案优选

针对多种截面形状活动横梁，请重复步骤(1)到(6)，然后再进行综合对比，权衡分析。若当总体布置或者车体尺寸变化较大时，则需重新对活动横梁进行初始设计，同样请重复步骤(1)到(6)。

下面针对某履带式车辆动力舱活动横梁设计为例，简单说明该方法的实现步骤。

(1)设计活动横梁的初始三维模型，截面尺寸采用以往设计参数，如图2所示。

(2)接着建立以壳单元为主的有限元模型，横梁的截面尺寸、厚度和材料属性三个变量进行参数化表示。

(3)建立垂向冲击和制动冲击两种分析工况并进行分析，保存结果文件。

(4)根据结果对参数化变量进行灵敏度分析，按照大小进行排序。

(5)在isight软件中建立优化模型，以车体质量最小、变形最小为目标，以截面参数和材料参数为设计变量，以冲击和制动分析工况中的最大应力为约束，建立优化模型，并求解计算。

(6)选择符合设计和约束的三个方案，综合其它因素进行权衡分析与决策。

(7)对所选匹配方案进行刚强度校验。

若符合要求，按照方案进行工程化设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。