Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2013, 2, 29-34 http://dx.doi.org/10.12677/met.2013.21005 Published Online March 2013 (http://www.hanspub.org/journal/met.html) Fatigue Assessment of Risk Point on Thin-Shelled Hull Based on the Rigid-Flex Coupled Model Xim eng Xu 1, Hongyan Wang2, Wei Zhao1, Bin Su1, Wanli Xu1 1POL Research Institute, General Logistic Department, Bejing 2Vehicle Department of Academy, Armored Force Engineering, Beijing Email: xxmtomas@sina.com.cn Received: Nov. 7th, 2012; revised: Dec. 10th, 2012; accepted: Dec. 22nd, 2012 Abstract: Taking the armored vehicle as example, this paper focused on the fatigue assessment problem occurred in the application of the thin-shelled armored vehicle by using time domain methods. This paper took use of rigid-flex coupled dynamic modeling method to build and verify the vehicle model. Depending on the mission profile, the load time his- tory was gained by simulating. Through analyzing the simulation results, the dangerous points on the hull were figured out. On the basis of accessing the dynamic loads of the dangerous point, through using time domain method, the load spectrum was built up to do the fatigue calculation. The result showed that fatigue problem will occur at the dangerous point when the driving distance was about 37,050 kilometers under the mission profile. Keywords: Thin-Shelled Hull; Time Domain Method; Mission Profile; Fatigue Calculation 基于刚弹耦合模型的薄壳车体危险点疲劳计算 徐曦萌 1,王红岩 2,赵 巍1,粟 斌1,徐万里 1 1总后油料研究所油料应用研究室,北京 2装甲兵工程学院车辆工程室,北京 Email: xxmtomas@sina.com.cn 收稿日期:2012 年11 月7日;修回日期:2012 年12 月10 日;录用日期:2012年12月22 日 摘 要:本文以某型履带式装甲车为例,采用时域方法针对薄壳装甲车体在使用过程中的疲劳寿命问题进行了 分析与计算。本文采用整车刚弹耦合的动力学建模仿真方法,建立并验证了整车刚弹耦合模型,通过模拟薄壳 装甲车辆任务剖面的行驶工况,得出车辆各点载荷的时域信号。综合分析各工况的车辆动力学仿真结果找出了 薄壳车体的疲劳危险点。在获取危险点动态载荷的基础上,采用时域方法进行了疲劳寿命计算,得出任务剖面 下该危险点出现疲劳破坏的里程数约为 37,050 公里。 关键词:薄壳车体;时域方法;任务剖面;疲劳计算 1. 引言 新型轻质合金和薄壳车体结构的装甲车辆极大 的减轻了车身重量,提高了机动性能,但同时也使得 对薄壳车体在动态载荷作用下产生的疲劳寿命问题 进行分析变得尤为重要。 采用实车试验的方法来确定薄壳车体的疲劳寿 命耗时长、费用高,而且必须首先制造出样车才能够 进行。而利用动力学仿真分析软件,建立车辆的动力 学模型,通过对车辆实际使用工况的仿真计算获取动 态载荷并进行疲劳计算,能够极大地缩减时间和费 用,并能够在车辆设计初期得出计算结果,从而为设 计的改进提供依据。 本文以某型履带式装甲车为例,通过建立整车刚 弹耦合动力学模型并对任务剖面内各工况进行仿真 Copyright © 2013 Hanspub 29 基于刚弹耦合模型的薄壳车体危险点疲劳计算 计算,找出了薄壳车体上的疲劳危险点,并运用雨流 计数和载荷外推方法构建载荷谱,以此得出疲劳计算 结果。 2. 整车刚弹耦合动力学建模及模型验证 2.1. 弹性车体有限元建模 利用有限元方法,对薄壳车体进行弹性体建模。 由于车体尺寸较大,结构复杂,这样导致最后模型的 总自由度很大,相应的总体刚度矩阵阶数也很高[1], 使得在现有计算机资源下对其进行分析计算困难,因 此利用子结构方法将整个车体进行划分。 将子结构边界节点的位移和载荷记为 , bb , 内部节点的位移和载荷记为 , bb 。则该子结构的 刚度方程为: KK KK iibi i bib bb (1) 由 ,令 KK bi ib T Kbb b ; 1 KK bbbiii ;对(1)进行运算及简化 得: Kbb b (2) 由(2)式可构建全结构的平衡方程,应用直接求逆 法或对称分解等有限元方法可求出 , bi [2],进而最终 求出每个子结构内单元的应变和应力。车体有限元模 型如图 1所示: 2.2. 整车刚弹耦合模型建模 首先利用 Craig-Bampton 模态综合法进行弹性车体 的动力缩减[3,4],得出模态坐标 q*下的弹性体变形 u: 11 1 MM M iii iiii ii i uq Eq q (3) Figure 1. Finite element model of the vehicle hull 图1. 弹性车体有限元模型 式中 i 为Craig-Bampton 正交模态矩阵。 在此基础上,利用有限元软件生成车体柔性体模 态中性文件,导入车辆多刚体模型,替代刚性车体, 从而得到整车刚弹耦合模型,流程如图 2所示。 最终得出的整车刚弹耦合模型如图 3所示。 2.3. 模型验证 为验证所建立模型的准确性,进行实车道路试 验,通过试验数据与仿真数据的对比分析来验证模型 的准确性[5]。 选取三种典型正弦路面进行试验,设定工况为车 辆以平均车速4 km/h 通过三种正弦路面,照片如图 4 所示,数据采集点的位置和参数如表 1所示。 试验中测试得到发动机转速和车速信号及三种 正弦路面参数如表 2所示。选取前装甲板、驾驶员座 椅下方左侧第一负重轮三处测点垂向振动加速度信 号与仿真结果进行对比分析,结果如表 3所示。 由表中数据可知,整车刚弹耦合动力学模型能够 较好地反映车辆在行驶过程中的动态响应,具备较好 的准确性。 Figure 2. Chart of building up the whole model 图2. 整车刚弹耦合模型建模流程 Figure 3. Whole model of the vehicle 图3. 整车刚弹耦合模型 Copyright © 2013 Hanspub 30 基于刚弹耦合模型的薄壳车体危险点疲劳计算 Copyright © 2013 Hanspub 31 8.3775E+007 7.8397E+007 6.702E+007 5.8642E+007 5.0265E+007 4.1887E+007 3.351E+007 2.5132E+007 1.6755E+007 8.3775E+006 0.0 V on Mises Stress ( Pa ) 1.0377E+008 9.3397E+007 8.302E+007 7.2642E+007 6.2265E+007 5.1887E+007 4.151E+007 3.1132E+007 2.0755E+007 1.0377E+007 0.0 Von Mises Stress ( Pa ) (a) 碎石路面v = 12 m/s (b) 起伏路面 v = 7.5 m/s 2.2765E+008 2.0488E+008 1.8212E+008 1.5935E+008 1.3659E+008 1.1382E+008 9.106E+007 6.8295E+007 4.553E+007 2.2765E+007 0.0 Von Mises Stress ( Pa ) 3.5655E+008 3.2089E+008 2.8524E+008 2.4958E+008 2.1393E+008 1.7827E+008 1.4262E+008 1.0696E+008 7.131E+007 3.5655E+007 0.0 Von Mises Stress ( Pa ) (c) 海滩、稻田路面v = 5.5 m/s (d) 戈壁路面 v = 3.8 m/s Figure 4. Part of the stress distribution and according speed Table 1. Test point selection and settings 序号 型号 位置 灵敏度参数 图4. 部分工况应力云图及对应车速 表1. 测点位置选取和采样参数 1 SD14N88 前装甲板 13 949.78 mV/g 4 SD14N14 1209 驾驶员座椅 101.02 mV/g 5 SD14N14 1208 左侧第一负重轮轴 102.67 mV/g Table 2. Typical road selection and working condition settings 路面类型 高程(cm) 波长(cm) 行驶距离(m) 设定平均水平车速(km/p) 实测发动机转速(rpm) 实测车速信号(km/h) 表2. 典型路面选取和工况设定 短波正弦路 5 61 200 4 1001.25 4.576 中波正弦路 15 184 200 4 1061.50 5.039 长波正弦路 20 700 120 4 1023.93 4.868 Table 3. Contrast between experiment data and simulation results 峰值频率(Hz) 功率谱密度峰值 表3. 试验数据与仿真数据对比 224 mHzs 工况 测点 试验 (%) 试验 相对误差(%) 仿真 相对误差 仿真 2.13 2.07 2.82 1.46 1.25 14.4 前装甲板 驾 短波正弦路面 右侧第一负重轮 中波正弦路面 右侧第一负重轮 驾 右侧第一负重轮 驶员座椅 4.35 4.47 2.75 1.96 2.17 10.7 2.27 2.18 3.96 34.62 33.52 3.18 前装甲板 1.94 1.92 1.03 1.95 1.40 28.2 驾驶员座椅 1.91 1.89 1.05 2.05 1.58 22.93 1.51 1.38 8.61 3.41 3.21 5.87 前装甲板 12.70 13.00 2.36 0.061 0.078 27.87 驶员座椅 12.75 13.01 2.04 0.038 0.049 28.95 长波正弦路面 12.56 13.93 10.91 4.31 3.63 15.78 基于刚弹耦合模型的薄壳车体危险点疲劳计算 . 疲劳计算 建 是包含所有对疲劳损伤有意义 的车 规范 及车 例如表 4所示。行驶速度主要 依据 大,所建立的弹性车体模型节 点众 [6] 4所示为任务剖面四种路面部分工况下车体 动态 处出现最大应力 值的频次最高,因 取该点为车体的疲劳危险点进 计算原理 算方法主要是通过对载 荷进 rofile distribution 表4. 任务剖面设定 试验路面 里程 (%) (km) 速度 (m/s) 路程 (km) 3 3.1. 任务剖面构 任务剖面的原则 辆使用工况,以制定疲劳分析的载荷谱。 本文主要针对行驶载荷部分,依据有关试验 辆设计和使用中的经验,根据主要工况的统计规 律来制定任务剖面。 其中行驶路面及比 该型车辆路面行驶速度参数,选取几个主要的车 速。 3.2. 危险点的选取 由于车体结构尺寸 多,在对车体进行疲劳分析与计算时,通常不对 所有的点进行疲劳计算,而是选取车体应力集中区域 的危险点进行疲劳计算。在确定了任务剖面的基础 上,对其中各工况进行动力学仿真分析,根据车体动 态应力分析结果得出应力集中区域,并找出疲劳危险 点 。 如图 应力分布图。综合所有任务剖面工况,可以找出 车体的疲劳危险点,如表 5所示。 由以上分析可知,车体 36975 点 此选 行疲劳计算。 3.3. 时域疲劳 基于时域信号的疲劳计 行雨流计数并外推,从而构建载荷谱,再应用曼 纳法则,进行疲劳计算。 Table 4. Mission p 分配比例 路程 4 100 7.5 120 砂、碎石路 45 450 起伏路面 30 300 海滩、稻田 15 150 戈壁 10 100 总里程数 1000 12 230 4 80 7.5 140 10 80 3.8 40 5.5 70 8 40 3.8 30 5.5 90 9 30 est stress value according to the mission profile 表5. 各工况危险点、出现区域及最大应力幅值 试验路面 速度(m/s) 危最大应力幅值 (MPa) Table 5. Risk point, physical area and larg 险点 出现区域 4 446221 变速箱支架与车体底甲板连接区域 109.7 7.5 601099 炮塔座圈支架与顶甲板连接区域 113.8 砂、碎石路面 左侧第三平衡肘支座与底甲板连接处 起伏路面 3 发 海滩地、稻田地 左侧第四平衡肘支座与底甲板连接处 12 36975 228.6 4 431568 发动机支架与车体底甲板连接区域 148.9 7.5 36975 左侧第三平衡肘支座与底甲板连接处 216.8 10 601049炮塔座圈支架与顶甲板连接区域 209.5 3.8 436056 动机支架与车体底甲板连接区域 146.6 5.5 38609 左侧第四平衡肘支座与底甲板连接处 210.8 8 36975 左侧第三平衡肘支座与底甲板连接处 246.1 3.8 613974 顶装甲板靠近炮塔座圈前部区域 103.5 5.5 38609 270.6 戈壁路 9 36975 左侧第三平衡肘支座与底甲板连接处 346.5 Copyright © 2013 Hanspub 32 基于刚弹耦合模型的薄壳车体危险点疲劳计算 Palmgren-Miner 把疲劳过程看成 累积过程, 为 一个 认 从重复交变载荷一开始作用起,损伤就开始累 积,直到最后破坏。这个假设被称为 Palmgren-Miner 损伤累积假说。该假说认为在疲劳过程中,每一个应 力循环对最后的疲劳持久限都有一定的影响并对结 构或部件造成一定的破坏量。且假设损伤率是线性 的,则对某一应力水平i 可以得出: ii n ii w WN (4) 式中 是结构或部件经过应力 i Wi 的次加载产生疲 i N 劳破坏为止所吸收的全部的功; i w是i 经过 i n次循 环所吸收的功。 该结构或部件的预测寿命的计算式: i L n N i i n N (5) 此即为曼纳法则,由于其应用简单并且在大多数 度较好,因此被 是目前 疲劳寿命预 测必须确 根据图 流程,首先提取任务剖面下单工况 36975 情况下与试验结果符合程 认为 最为适用的(到出现裂纹的)疲劳寿命计算方法。 3.4. 危险点载荷谱构建与疲劳计算 由曼纳法则可知,对结构或部件进行 定应力的频次分布,即构建载荷谱。其方法 如图 5所示。 5所示 点的载荷并进行外推,如图 6、7所示。在此基 础上利用所有工况下载荷外推结果按照任务剖面进 行叠加,然后再进行外推得出全工况下 36975 点的载 荷谱,如图 8所示。该载荷谱即可用于疲劳计算。 单工况载荷 单工况载荷雨流矩阵 雨流计数 单工况外推雨流矩阵 全工况载荷雨流矩阵 叠加 Figure 5. Load Spectrum building process 图5. 全工况载荷谱构建流程 Figure 6. Load time history of point 36975 图6. 单工况 36975 点载荷时间历程 Figure 7. Load extrapolate of point 36975 图7. 单工况 36975 点载荷外推 Copyright © 2013 Hanspub 33 基于刚弹耦合模型的薄壳车体危险点疲劳计算 72853 Cycles ( Count ) Range (Newton/meter**2) 0 7.285E4 6.8E4 6.314E4 5.828E4 5.343E4 4.857E4 1.371E4 3.885E4 3.4E4 2.914E4 2.428E4 1.943E4 1.457E4 9714 4587 0 0 Mean (Newton.meter**2) 374.883 −87. 2499 287.633 Figure 8. Load spectrum of point 36975 图8. 全工况下 36975点载荷谱 应用曼纳法则和全工况下 36975 点载荷 劳计 某型履带式装甲车辆为例,采用时域方法 对针 的方法建立了整车的刚弹耦 合动 在装甲兵工程学院车辆教研室王红岩教 授、 参考文献 (References) 元分析法[M]. 北京: 宇航出 版社, 1990: 3. . 计算机集成制造系统——CIMS, 2003, 9: . 系统仿真学报, 2002, 11: 1531-1533. 27. 疲劳寿命仿真[J]. 铁道学报, 2007, 29(4): 38-42. 谱进行疲 5. 致谢 算,得出该任务剖面下,当循环次数达到 37.05 次(由于每次循环为 1000 公里,即当车辆行驶里程达 到37,050 公里)时,车体结构危险点 36975 点处出现 疲劳破坏。 4. 结论 本文以 对薄壳装甲车体在使用过程中的疲劳寿命问题 进行了分析与计算。 首先通过刚弹耦合 力学模型。并验证了该整车刚弹耦合动力学模型 的准确性。在构建任务剖面的基础上进行了仿真计算 并找出了整个车体结构的疲劳危险点。提取所有工况 下该危险点的载荷时间历程,通过雨流计数并外推, 得到用于计算疲劳寿命的载荷谱,最后得出循环次数 达到 37.05 次(里程数为37,050 公里)时,疲劳危险点 36975 点将出现疲劳破坏。 本文是 总后油料研究所赵巍、粟斌高级工程师的悉心指 导和帮助下完成的,感谢他们对于我的帮助!感谢参 考文献中所引用文献的作者,他们的文章给予了我很 大的帮助。 [1] 姜晋庆, 张铎. 结构弹塑性有限 [2] 王军, 魏来生, 兰小平. 驾驶员——履带车辆——路面系统的 建模与仿真[J] 108-111. [3] 韩宝坤, 李晓雷, 孙逢春. 基于 DADS 的履带车辆多体模型 与仿真[J] [4] 陈立平, 张云清, 任卫群. 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005: 25- [5] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004: 25-26. [6] 缪炳荣, 张卫华, 肖守讷等. 基于多体动力学和有限元法的 车体结构 Copyright © 2013 Hanspub 34 |