[发明专利]一种高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法

说明书

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，特指一种高速履带车辆的车体结构动态应力仿真计算方法。

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、导致结构动应力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力计算中得到应用。但是，基于有限元方法的高速履带车辆的车体应力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。二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力的分析计算要求。

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力及疲劳寿命的影响，提出了一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领域，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，提出一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力计算方法，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。

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                                                和物理方程计算柔性体模态应力矩阵；式中，为柔性体应变矢量，为柔性体应力矢量,B为柔性体应变矩阵，为节点自由度向量，E为柔性体弹性矩阵，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，，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。