基于Hypermesh的某履带车车身有限元分析及结构拓扑优化①

张 琼， 孙全兆， 刘国锋

(1.安徽三联学院，安徽 合肥 230001；2.南京理工大学，江苏 南京 210000)

0 引 言

履带车是一种较为传统的交通工具，由于其具有较高的稳定性并能较好地适应于承载力较差的路面，因此履带车在坦克上应用较为广泛。

随着现代科学技术的发展，对履带车的要求逐渐向轻量化、大威力、高灵敏性方向发展。但是在履带车的研制过程中，由于车体为薄壳件，同时工作环境较为恶劣，在车体受到较大的外部冲击载荷时，往往会出现不同程度的应力集中和刚度不足的情况[1]。履带车自身较为笨重，又使得其机动性和灵敏性降低，因此，迫切需要在设计中满足车身的刚强度要求，又要尽量减少车身重量[2]。

文中以某款军履带车为研究对象，针对履带车在不同冲击载荷作用下发生非线性大变形的情况，采用大型复杂结构非线性有限元法进行分析，利用HyperMesh模块对车体进行六面体单元网格划分，建立静力学模型分析车体的刚强度[3,4]，并对薄弱部分进行结构改进，采用多个工况下拓扑模型对车体实现了轻量化设计。

1 履带车有限元模型的建立

1.1 模型简化及设计框架搭建

(1)分析履带车在静止状态下受冲击载荷的作用，因此建立的有限元模型为静态模型；(2)冲击载荷作用时，后坐力通过身管，尾座，摇架传递给车身；(3)工况按照射击最小仰角0°，和最大仰角70°进行分析对比。

根据拓扑优化HyperMesh模块的功能，采用图1的设计框架构建拓扑结构优化的过程。

图1 拓扑优化框架

1.2 载荷计算

火炮发射时，反后坐装置会产生一定的后坐阻力(包括制退机力和复进机力等)用来阻止后坐部分向后运动。将可将身管、尾座、摇架、炮塔作为一个整体，炮身在冲击载荷作用下产生的后坐力为FR，这部分力可由FORTRAN语言编程计算获得。自身重会对炮塔产生一个向下的重力G，以重力加速度g的形式在ABAQUS中施加。各载荷作用形式如图2所示。

图2 炮塔受力模型

2 全车静态有限元模型的建立

利用有限元软件Hypermesh建立全车网格模型进行仿真分析,其中应对三维模型进行适当简化，去除对强度影响不大的部件以及圆孔、倒角等特征。全车有限元模型建立是一个较为复杂的工作过程，首先网格划分主要采用正六面体单元，少数关键连接需要采用手动划分单元并用三角形和四面体单元进行处理，保证单元划分的精度，以便进行有限元计算的顺利运行，全车有限元离散模型如图3所示。

图3 全车有限元离散模型

2.1 炮塔和车体连接处理

炮塔和车体之间的连接是使用特殊连接单元单元形式，将炮塔下的座圈与车体顶部座圈连接起来，如图4所示。

图4 炮塔和车体连接处理

2.2 载荷及边界条件施加

履带车静态计算时，将平衡机作为内力处理，这样可以将火炮发射时产生的后坐力简化成具有等效刚度的非线性弹簧。采用特殊单元代替反后坐力的施加，如图5所示。

图5 反后坐力载荷施加

同时在炮身后坐过程中，在反后坐装置的缓冲作用下，后坐力传到车体上的力会大大减小，但是由于火药气体压力作用又会产生一个轴向的炮膛合力。此载荷在身管的横截面上均匀分布，载荷施加如图6所示。

图6 炮膛合力

静态刚强度分析状态，履带车处于静止在水平地面上，边界条件选择土壤模型的底部节点，土壤特性通过有限元软件进行设置。主要以合肥某沙土为实验对象，进行三轴剪切试验，得到土壤特性参数，并将参数输入到Abaqus/CAE软件中的本构模型中。按照六个自由度全部约束的方案，得到边界条件如图7所示。

图7 边界条件

2.3 车体静态有限元分析

根据履带车的工作状态取静态(0°-0°工况)进行应力分析得到图8所示的应力应变云图。

图8 应力、应变云图

根据图中可得车体上刚强度最大值及出现位置见表1所示。

表1 静态车体刚强度最大值

从上述典型工况的分析结果可以得到静态下履带车在发射过程中应力应变最大值发生在车体的不同位置，但根据实验得到的数据均能满足静态下履带车体的强度和刚度要求。

3 车身拓扑优化设计

3.1 建立车体优化模型

采用有限元软件HyperMesh软件中的拓扑优化功能对车体进行模型导入，由于软件单元类型的不同，使得模型建立的时候一些特殊单元的处理方式发生变化[5]。坐圈和车体之间的Tie单元变成焊接单元，用来模拟两者单元节点之间的连接。如图9所示。

图9 坐圈处的“焊接”连接单元

文中使用的履带车车体的重量是4.89t，建立优化模型前首先要考虑将车体中非主要承载区域作为设计变量来处理，再进行模型的构建。通过分析可优化的重量范围2.58t左右。在HyperMesh软件界面上手动选择需要优化的区域，提交至OptiStruct中通过14步的迭代结果，得到车体拓扑优化结果如图10所示。

图10 拓扑优化结果

3.2 优化后车体刚强度分析

对优化后的车体进行模型重构，拓扑结果中车体结构中无材料的部分可做适当的减薄处理，重建后的车体重量为4.26t。优化后的车体还要保证能够满足静态刚强度要求。将优化后的模型导入OptiStruct中进行计算，得到应力应变云图如图11所示。

图11 拓扑优化后应力应变云图

根据图中可得拓扑优化后车体上刚强度最大值及出现位置见表2所示。

表2 拓扑优化后车体刚强度最大值

4 结 论

文中主要针对履带车车体进行静态有限元刚强度分析，并基于有限元软件HyperMesh对车体进行拓扑优化，从而达到在保证履带车静态刚强度的前提下减轻车体的重量。通过应力应变云图可以得到车体静态刚强度满足实验结果，进而拓扑计算得到可将车体减重0.63t，减重率为12.9%。最后将减重后的车体进行验算，通过分析验算后的应力应变云图及最大值出现在位置，得到拓扑优化后的车体刚强度能够满足实验要求。