拉伸载荷下双销式履带板强度计算方法.docx

    拉伸载荷下双销式履带板强度计算方法    曾子豪, 张京东, 龚雪莲, 刘坤明, 桂学文, 廖日东(1. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081; 2. 北方车辆集团有限公司，北京 100072)0 引言履带是重型履带车辆的关重件，它将地面的牵引力、附着力和制动力传给车体，并为负重轮提供一条连续滚动的轨道，可大大提高车辆在松软地面的通过性[1]履带的功能要求决定了履带的工作环境恶劣、载荷复杂，因此履带是履带车辆可靠性的薄弱环节履带的具体失效形式多种多样，包含履带板开裂以及断裂、履带销胶套磨损、端连器断裂、端连器磨损、履带板胶块点蚀、脱落等[1-3](见图1)履带板的开裂、断裂是履带系统中一种常见的故障，而履带的断裂失效将导致车辆无法行驶长期以来，履带在履带车辆上的消耗与备件量都很大，一旦在战时发生履带失效，更是可能导致严重后果因此，如何在满足轻量化的要求下提高履带可靠性，一直是装甲车辆工程领域努力的重要方向而要提高履带的可靠性，最有效的措施莫过于探明履带板在不同工况下的应力应变分布情况，以便有针对性地开展结构设计图1 履带常见失效形式Fig. 1 Common failure modes of track shoes拉伸载荷作为履带板所受的主要载荷，在设计以及强度校核中占有重要地位。

装甲车辆设计计算的经典书籍均用最大牵引力P进行履带板与履带销轴尺寸设计[2-4]黄雪涛等[5-6]利用理论估算得到了拉伸载荷在履带环上的分布，并通过仿真对比验证了其准确性Liu 等[7]和刘维维[8]运用名义应力法计算了橡胶履带上的拉伸应力，估算了履带的疲劳寿命Huh 等[9-10]建立了履带行驶系统的多体动力学模型，计算履带拉力在不同工况下的分布Wang 等[11-12]理论计算了履带上的拉力分布，并利用模型提出了履带拉力的控制策略针对拉伸载荷作用下履带的强度分析与计算开展了许多雷雪媛[13]、雷有功[14]以设计牵引载荷作为基础，利用有限元方法得到履带板在最大牵引力作用下的应力分布，韦泽乾[15]、杨航宇[16]建立二维的履带车多刚体模型，对爬坡，过壕沟等工况进行仿真，得到履带不同工况下的最大牵引力数值，校核了履带板多种工况中牵引力作用下的履带板强度上述文献对履带的强度进行了分析与计算，但是均将履带视为一个二维环带，忽略了履带在宽度方向上的载荷分布不均的情况，而载荷分配对履带板强度会产生影响履带的连接部件载荷分配不均的情况主要体现在两个方面：1)连接部件如端联器与诱导齿上承受的载荷大小差异；2)连接部件上作用于销轴上的载荷不是按照均布载荷进行分配。

对于第2 项，现在已经可以用有限元方法建立连接部件与销轴的接触来进行计算，因此双销式履带拉伸载荷下强度计算的关键在于如何准确给定连接部件上拉伸载荷大小的分配，以及探明载荷分配不同时履带板上应力结果的差异文献[17]利用土木力学中的弹性地基梁法对坦克销轴受力进行分析，得到了单销式履带板上载荷分配结果，但是弹性地基梁法忽略了剪切应力的作用，对于金属连接部件的载荷分配计算可能会造成较大误差[18]，并且计算所需的连接部件支撑刚度均是通过试验得来该方法需要试验数据配合，且其精度需要进一步的研究，因此也无法满足对履带板受拉伸载荷下强度校核的需求针对上述情况，本文通过单、双板拉伸试验与对应仿真，验证双销式履带连接部件上的载荷分配与应力分布会随履带板数目的增加而变化的假设，并基于有限元方法进行迭代计算得到履带连接部件上的载荷分配与应力结果，提出一种两步法快速得到履带连接部件上的载荷分配，最后探究履带拉伸强度试验中履带块数对履带应力结果的影响1 单板、双板履带板拉伸试验与仿真某型装甲车辆双销式履带板结构如图2(a)所示，履带板与销轴之间压入橡胶衬套，履带板与履带板之间由端联器与诱导齿连接履带车辆在正常行驶过程中，履带环拉伸载荷传递关系如图2(b)所示。

主动轮与履带端联器相互啮合，将拉伸载荷F1、F2传递至连接结构(端联器与诱导齿)上，接着逐级传递至每块履带板上而随着拉伸载荷按照连接结构→履带板的逐级传递，履带环上拉伸载荷的传递发生变化(见图2中，为了研究拉伸载荷在履带上分配(诱导齿上拉伸载荷F1、F1'与端联器上拉伸载荷的差异以及不同拉伸载荷对履带板强度的影响基本思路是比较在给定拉力下不同数量履带板上的应力以及载荷的差异，基于上述思路同时结合现有条件，本文开展单块板与双块板拉伸仿真与试验图2 履带板受拉伸载荷示意图Fig. 2 Schematic diagram of track shoe under tensile load1.1 单板与双板履带拉伸试验履带板拉伸试验如图3 所示，单、双块履带板分别由工装与拉伸试验机相连履带板表面贴有应变片作为工作片记录不同拉力下对应的应变值，为了平衡温度的影响，在未进行拉伸试验的履带板贴上应变片作为温度补偿片，将工作片和补偿片分别与动态应变仪桥盒连接，桥盒与动态应变仪和数据记录仪器连接图3 单板双板履带拉伸试验图Fig. 3 Tensile test diagram of single and double track shoes拉伸试验机以2 kN/s 的速度均匀加载，记录履带板上测点在拉伸载荷作用下对应的应变值。

图4为单块与双块履带板上相同一点处的拉力-应变曲线，与单块履带板拉伸相比，在相同拉力作用下，双板拉伸应变值数值明显更大(见表1)，这表明在相同拉伸载荷作用下，双块履带拉伸的载荷分配与单块履带拉伸载荷分配相比发生变化，这样才会使得履带相同位置处的应力相应的发生变化图4 单双板履带相同位置处履带拉力-应变曲线Fig. 4 Track tension-strain curve at the same position of single and double tracks表1 单双板履带相同位置处履带应变对比Table 1 Comparison of track strain of single and double tracks at the same position要进一步探明载荷分布差异的大小，需要对履带板的载荷大小分配进行测量由于条件限制，试验中测量载荷分配大小较为困难，因此开展两次试验的有限元仿真，对单块，双块履带板在相同拉力下载荷分配进行比较1.2 单板与双板履带拉伸有限元计算履带板拉伸仿真计算如图5(a)、图5(b)所示，在工装上施加均匀均匀增大拉伸载荷加载由于加载情况较为简单，履带板结构具有对称性，分别对单板以及双板，建立对称模型如图5(c)所示。

图5 单板双板拉伸有限元计算模型Fig. 5 Finite element calculation model of single and double shoes仿真计算中，履带与连接部件(端联器、诱导齿)以及工装通过表面接触进行拉伸载荷的传递部件与部件间采用的是有限滑动接触模型，接触刚度影响着最终结果的精度与仿真收敛性因此比较不同接触刚度系数(0.1, 1, 10, 100)下最大应力结果来验证仿真的准确性如表2 所示，当接触刚度系数大于1 时，仿真结果趋向稳定，仿真中取接触刚度为1切向接触采用Coulomb 摩擦模型，摩擦系数设置为0.2表2 接触刚度与最大应力关系Table 2 Relationship between contact stiffness and maximum stress橡胶金属铰链内，橡胶衬套被粘结在履带销轴上，并且被一起压入履带销耳内其压紧度要求橡胶衬套在销耳内不能转动，仿真中橡胶衬套与销耳、销轴均采用绑定接触，不会产生相对滑动同时橡胶应填满销耳的全部空间[2]，在仿真中将橡胶衬套建模为圆筒形状以充满销轴与销耳的间隙橡胶衬套初始压入应力约为1~3 MPa[2]，远小于履带受拉伸载荷时的应力大小，因此忽略橡胶衬套初始压入应力的影响。

对仿真模型进行网格无关性分析，履带板上销耳处是履带板的薄弱部件[17]，因此选取销耳处最大应变作为网格无关性分析指标，如图6(a)所示，整体网格进行逐步加密，得到网格与销耳处最大应变的关系如图6(b)所示，当网格整体尺寸达到2 mm时，最大应变趋于定值，因此选取整体网格尺寸为 2 mm履带板及连接部件网格模型如图7所示图6 网格尺寸与最大应变关系Fig. 6 Relationship between mesh size and maximum strain图7 有限元仿真部件网格模型Fig. 7 Finite Element Simulation Part Mesh Model设计过程中，该型装甲车辆双销式履带所受的最大牵引力p=0.65mgφ=152 kN，m为履带车辆的总质量，g为重力加速度，φ为履带对地面的附着系数，仿真中比较最大牵引力作用下履带板应力分布结果履带板、端联器、诱导齿及工装均由合金钢制成，中间的橡胶衬套采用弹性模型，由文献[18]中资料，可以等效取弹性模量为8.5 MPa，履带材料参数性能如表3 所示表3 履带板部件材料参数Table 3 Material parameters of track parts1.3 单板与双板仿真结果验证与分析1.3.1 单双板拉伸仿真结果验证选取最大拉伸载荷p作用下，履带板拉伸试验结果与仿真结果进行比对，以此验证仿真的准确性。

试验与仿真的结果比对如图8、表4 所示，单板仿真与试验最大误差为6%，双板拉伸仿真与试验最大误差为11%，整体误差较小，可以验证仿真结果的准确性表4 试验测试与仿真结果对照Table 4 Comparison of test and simulation results图8 试验与仿真比对位置示意图Fig. 8 Schematic diagram of comparison positions in test and simulation1.3.2 单双板拉伸仿真结果分析将连接部件与履带接触位置上的节点受力并进行求和，可以得到拉伸载荷下连接部件与履带的相互作用力的大小由于连接部件上总拉力保持恒定，端联器与诱导齿受力大小之比也就是拉伸载荷分配比例拉伸过程中的载荷分配如图9 所示，双块履带板拉伸过程中诱导齿承受41.3 kN 载荷，端联器承受34.7 kN 载荷，这与其连接工装上内部工装承受43.2 kN，外部工装承受32.8 kN 的载荷分布有所差异，说明载荷分配在履带的传递过程中发生了变化同时上述载荷分配与单块拉伸板工装44.2 kN: 31.8 kN 的载荷分配同样有所差异，说明拉伸实验中履带板块数的增加影响到初始的载荷分配情况。

在上下拉伸载荷不同的情况下，双块板拉伸试验中履带板会产生额外的弯矩，仿真中履带板中间位置处弯矩大小为38.8 N·m图9 工装与连接部件载荷分配Fig. 9 Load distribution between tooling and connecting parts最大设计牵引载荷p作用下，单板与双板拉伸时的应力云图如图10、图11 所示，拉伸载荷作用下，单板双板拉伸试验履带板最大应力均出现在履带板加强筋拐角处，其最大应力分别为281 MPa与295 MPa，与单板拉伸相比，双板拉伸履带板由于载荷分配发生变化使得其最大应力提高，增长幅度约为4.5%，应力分布也与单板拉伸有所不同，端联器上载荷增加，使得外部加强筋上应力变大，在外部加强筋上出现了应力较大区域双板拉伸与单板拉伸比较，其加强筋上载荷均有增加图10 单板拉伸应力云图Fig. 10 Tensile stress nephogram of single shoe上述应力与载荷分配的差异表明履带板数目的增加对载荷分。