车载炮重装空投着陆缓冲底盘强度分析

唐晓慧，钱林方，石海军，2

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.国家电网电力科学院南瑞集团，江苏南京 210094）

车载炮重装空投着陆缓冲底盘强度分析

唐晓慧1，钱林方1，石海军1，2

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.国家电网电力科学院南瑞集团，江苏南京 210094）

参照车辆动力学方法，建立某车载炮重装空投着陆缓冲动力学模型，以着陆过程中货台的位移为激励，计算出悬架在该激励下的动力学响应，并通过分析悬架行程估算出悬架强度是否满足要求。在此基础上基于控制体积法和有限元法，利用LS-DYNA瞬态动力学分析软件，建立了某车载炮空投着陆缓冲系统的仿真模型，综合考虑了气囊、悬架及可压缩结构的缓冲效应，据此分析了缓冲系统的缓冲特性和车架强度，为车载武器系统空投着陆方式设计提供了依据。

机械强度；车载炮；空投；悬架；车架；气囊

车载炮重装空投是指在目的地上空500～1 000m的高度将车载炮从运输机上利用降落伞空投到指定区域的过程。其着陆过程具有接触时间短（通常不超过0.2s）、过载高（在没有气囊的情况下加速度峰值接近100 g［1］）等特点，作为吸能元件及支撑结构，悬架和车架在重装空投过程中更容易遭到破坏。通常情况下，为减小缓冲过程中的冲击载荷，重装空投系统会使用缓冲气囊［2］吸收缓冲能量；有的缓冲系统还会在货台和车载炮间安装可压缩缓冲结构，以保护悬架和车架。通过分析气囊及可压缩结构在着陆缓冲过程的作用，对底盘的悬架及车架进行强度分析。

1 悬架强度验证

悬架系统通常结构复杂，若采用结构动力学方法进行强度校核，模型复杂，计算周期长、效率低。事实上，不管是哪种悬架，其运动总是限制在一定的行程内，其最大行程称为悬架全行程，是指悬架自由高度到限位块之间的距离。当冲击加速度过大时，会撞到悬架的限位块。为简化计算，作如下假设：悬架运动在限位块以内时，悬架正常工作，强度满足要求；当限位块被撞击时，超过其最大行程，不满足强度要求。以板簧悬架为例，其运动行程如图1所示。

由于4个悬架的运动具有相似性，以单个悬架为研究对象。缓冲系统的四分之一动力学模型如图2，此系统包括悬挂质量、非悬挂质量及货台，轮胎连接货台和非悬挂质量，悬架连接悬挂质量和非悬挂质量。悬架具有刚度和阻尼特性，由于粘弹性轮胎中只有少量阻尼，因此这里忽略其阻尼，以一个简单的弹簧代替［3］。

气囊接地之前，整个系统处于失重状态，悬架除受重力及弹性元件力外不受其他外力。若以z1、z2、z3分别表示悬挂质量、非悬挂质量、货台在惯性坐标系中的位移，则由牛顿第二定律可以得出悬挂质量和非悬挂质量的微分方程式为

图3为某次空投着陆过程货台的位移z3曲线，以z3为初始条件可分析悬架在此激励下的响应。以单个后悬架为例，悬架刚度k1＝249N／mm，轮胎刚度k2＝1 408N／mm，悬挂质量m1＝2 430kg，非悬挂质量m2＝375kg，初始速度8m／s，解方程（1）可求得z1、z2，从而得到悬架行程响应（z＝z1-z2）。如图4所示，至少需要870mm的行程，才能保证悬架不撞到限位块，这远远高于悬架全行程。事实上，0.15s时，在冲击载荷的作用下，悬架已经达到其允许的最大行程，悬架系统在之后的冲击中处于超负荷状态。为避免这种情况出现，通常的做法是在货台和车架之间加缓冲结构吸收冲击能量，保护悬架，降低过载。同时，可压缩结构也能增加车架的受力面积，达到保护车架的作用。

2 车架强度校核

车架与货台的可压缩结构一般有软木、泡沫铝和蜂窝纸板几种，这里以泡沫铝为例，分析车架在着陆冲击过程中的强度是否满足要求。

2.1 气囊缓冲计算

在缓冲过程中，气囊是很重要的一个吸能缓冲元件，控制体积法是目前计算气囊充放气特性的一种有效方法，它具有计算简单、效率高的特点，非线性有限元软件LS-DYNA对这一算法在气囊充放气过程中的应用已经比较成熟。具体做法为：将气囊看成一个控制体，先利用格林公式对气囊表面积积分计算出气囊体积，再利用气体状态方程求出气囊气体内的参数［4-5］。计算过程中，考虑排气口的泄气，并忽略气囊的渗漏。

2.2 有限元模型建立

一个典型的车载炮空投系统主要由车载炮、货台、可压缩结构及缓冲气囊组成，如图5所示，共两种缓冲，分别为地面与货台之间的气囊缓冲；车架与货台之间的泡沫材料缓冲。两种缓冲以气囊缓冲为主，泡沫材料的缓冲为辅，共同作用。

由于这里主要是进行车架强度校核，在有限元模型中，为提高计算效率，忽略整个火炮部分及车体车架以上部分，简化后缓冲系统的有限元模型如图6，由以下几部分组成：车架、悬架（简化为弹簧阻尼系统）、货台、缓冲气囊（8组），可压缩结构（本例中为泡沫铝）及地面。相对于悬架，轮胎的刚度较大，有限元模型中将其忽略。同时，对整个模型配重，使质量分布接近真实情况。气囊外壳采用四点薄壳单元划分网格，缓冲系统总重为10t。空投过程中，地面工况复杂多变，这里保守估计，将地面视为刚体。

车架梁的处理如图7。忽略焊接，将车架梁视为一个整体，划网格前在车架厚度方向抽取中面，将实体单元简化为壳单元，同样用四点薄壳单元划分网格，计算前根据工况赋予单元厚度。

车架梁简化模型泡沫铝是一种带有孔隙的铝质泡沫材料，不同的孔隙率对应不同的密度和不同的力学性能，这里泡沫铝的密度为620kg／m3，利用LS-DYNA的关键字Mat＿Crushable＿Foam定义泡沫铝材料属性，其应力应变曲线如图8所示。其他材料的定义如表1所示。

表1 材料属性

2.3 着落缓冲过程仿真

根据实际工况，模型的初始条件如表2所示。

表2 初始条件

忽略风速及水平速度的影响，通过LS-DYNA瞬态动力学软件进行仿真。图9反应了整个缓冲过程，由于质心更靠近车架尾部，在图9（b）中可以看出缓冲末期，由于整个模型的质心偏向车架尾部，车架尾部先着地，整个架体有略微的后倾，质心位置对缓冲的平稳性稍有影响。图9（c）为泡沫铝的前后变形对比，变形比较明显，吸收了一定的缓冲能量。由于泡沫铝的存在，悬架的受力大部分转移到泡沫铝上，悬架的行程与泡沫铝的变形大致相同，小于30mm，悬架的受力可以忽略不计。

空投系统的缓冲特性如图10所示。

图（a）反映气囊内压随时间变化规律；图（b）为其中一个气囊体积随时间的变化图，0.2s时，气囊气体已经完全排出；图（c）为车架速度曲线，落地比较平稳，没有出现较大的反弹，最终速度降为0；图（d）为车架过载曲线，最大过载出现在0.12s左右，最大过载小于10 g。

2.4 车架强度校核

由于泡沫铝缓冲结构的存在，车架受力比较均衡，没有很明显的应力集中处。在整个缓冲过程中，由于车架各点处于复杂的三向应力状态，用第四强度理论进行强度校核，截取较大的应力单元，其米塞斯应力如图11所示。

在过载最大时（0.12s），车架的应力达到第一个峰值，但应力最大时刻发生在货台与地面接触后，即0.2s以后，且此时应力有较大的振荡，在0.25s左右，最大相当应力σeq为400MPa左右。与普通钢材相比，车架用刚的屈服极限σs较大，甚至高达500MPa。在存在泡沫缓冲材料的情况下，σeq＜σs，车架强度满足要求。

3 结 论

通过悬架的行程判断其强度是否满足要求虽然不是一种很精确的方法，但在这种实际行程超过最大行程的情况下，无疑是既方便又准确的方法。

通过分析可发现，在重装空投过程中，货台与车架之间加可压缩缓冲结构是保护悬架和车架的有效方手段，它的两个作用是：替悬架承受冲击载荷，保护悬架在允许的行程内运动；通过塑性变形吸收车架的缓冲能量，减小冲击载荷的同时，也使得车架受力比较均衡，保护了车架。

（References）

［1］徐保成，崔青春，曾志银，等.基于LS-DYNA的火炮空投着陆过程仿真［J］.火炮发射与控制学报，2011，（2）：35-38. XU Bao-cheng，CUI Qing-chun，ZENG Zhi-yin，et al.Airdrop landing process simulation of a self-propelled gun based on LS-DYNA［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2011，（2）：35-38.（in Chinese）

［2］温金鹏，李斌，杨智春.缓冲气囊冲击减缓研究进展［J］.宇航学报，2010，31（11）：2438-2445.WEN Jin-peng，LI Bin，YANG Zhi-chun.Process of study on impact attention capability of airbag cushion system［J］.Journal of Astronautics，2010，31（11）：2438 -2445.（in Chinese）

［3］Dablberg T.Optimization criteria for vehicles traveling＆a randomly profiled road-survey［J］.Vehicle Systems Dynamics，1979，8（4）：239-252.

［4］Hirth A，Haufe A，Olovsson L.Airbag simulation with LS-DYNA past-present-future［C］／／6th European LSDYNA User’s Conference，2007，23-46.

［5］方康寿.无人机回收气囊减震性能的有限元研究［D］.杭州：浙江大学，2008.FANG Kang-shou.The FEA research on aseismic performance of recovery airbag on UAV［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2008.（in Chinese）

Chassis Strength Analysis of Vehicle-mounted Gun for Heavy Cargo Airdrop during Soft Landing Buffer

TANG Xiao-hui1，QIAN Lin-fang1，SHI Hai-jun2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science ＆Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.Nari Group Corporation of State Grid Electric Power Academy of Science，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Based on the vehicle dynamics method，the dynamics model of the vehicle-mounted gun for heavy cargo airdrop during soft landing buffer was established，as the motion of cargo was known，the dynamics response of the suspension under the stimulation was calculated，and the strength of the suspension was estimated by means of analysis of suspension stroke.Based on the control volume method and finite element method，the model of the airdrop landing system was established with the help of comprehensively consideration of buffer effect of airbags，suspensions and crushable foam by use of LS-DYNA software，and thus the buffering properties of the buffer system and the strength of frame were analyzed.This method can provide an important reference for the soft landing mode design of the vehicle-mounted weapon system.

mechanical strength；vehicle-mounted gun；airdrop；suspension；frame；airbag

TJ201

A

1673-6524（2014）01-0035-05

2013-07-31；

2013-09-26

唐晓慧（1986-），男，硕士研究生，主要从事车载武器系统重装空投着陆缓冲特性研究。E-mail：tangxiao＿hui＠126.com