硕士学位论文文献阅读报告

硕士学位论文文献阅读报告
论文名称：全地形车整车结构静动态分析及轻量化设计姓名：魏小强
学号： 2008412120
专业：机械设计及理论
所属院系：机械科学与工程学院
指导老师：成凯教授
论文起止时间：2009年9月～2011年6月
目录
1研究课题的背景和意义 (1)
1.1研究课题的背景 (1)
1.2研究课题的意义 (3)
2国内外研究现状 (4)
2.1前言 (4)
2.2研究现状 (4)
2.3主要的全地形装甲车 (5)
2.3.1瑞典改进型Bv206S全地形装甲车 (5)
2.3.2新加坡野马Bronco (8)
2.3.3芬兰西苏NA-140全地形车 (8)
3全地形车的性能特点及关键技术 (9)
3.1发动机技术 (9)
3.2传动技术 (9)
3.3通过性 (9)
3.4车身 (9)
4发展趋势分析 (10)
5全地形车车架计算研究 (11)
5.1静力学计算 (11)
5.1.1 车架三维模型的建立 (11)
5.1.2 车架的受力分析 (11)
5.1.3 车架有限元模型建立 (12)
5.1.4 车架有限元分析 (12)
5.2动力学计算 (13)
5.2.1模态分析 (13)
5.2.2发动机振动对车架动态性能的影响及谐响应分析 (14)
5.2.3车体的动态性能分析 (16)
5.3车架结构优化设计 (17)
5.3.1车架结构优化模型 (17)
5.3.2车架结构优化设计 (18)
5.3.3优化设计前后对比分析 (20)
6参考文献 (21)
1研究课题的背景和意义
1.1研究课题的背景
世界上制造生产全地形车的主要国家有瑞典、俄罗斯、芬兰、美国、新加坡和斯洛伐克等，主要的全地形车产品有：瑞典Bv206履带式全地形输送车，改进型Bv206S全地形装甲车，俄罗斯双节履带运输车ДТ-10П、ДТ-20П、ДТ-30П，芬兰西苏(SISU)NA-140全地形车，新加坡的“骏马Bronco”全地形车，国产的“西贝虎”两栖全地形车及CTW12橡胶履带全地形车。

瑞典和新加坡都只生产小型车，一般称为履带式全地形车，如瑞典赫格隆公司的BV206，整车质量4490kg，载重2250kg，发动机功率93kW/4600rpm，最高车速50km/h，增加装甲后为BV206S（如图1），用于战场输送兵员。

新加坡新科动力公司生产的“骏马Bronco”（如图2），与BV206类似，均属于小型车。

俄罗斯Vizyaz生产系列全，有2t、5t、10t、20t、30t。

国内早在1990年由辽宁省朝阳重型机器厂开始仿研BV206，1992出样机，但没有形成批量。

目前新加坡新科动力收购的贵州詹阳已经开始在国内生产“骏马”轻型全地形车。

大型的全地形车在国内是空白。

由于大型的全地形车在我们国内尚未形成优势，此次仿研的产品QSL3OF水陆多用途运输车即为30t车，是世界上的最大产品。

生产使用后将有效弥补国内大型全地形车的空白，在运输的重量上取得突破。

图1 BV206s履带全地形车
图2 骏马履带全地形车
此次研制的全地形车即水陆多用途运输车，可适应在各种恶劣环境和复杂路面条件下对货物和人员的运输，环境温度在-40℃～50℃，可在沙漠、雪地、山地、沼泽地行驶，并可以浮渡。

水陆多用途运输车的设计参考俄罗斯样车，载重30t，前后两节，中间铰接，前后车同时驱动。

参看图3。

图3俄罗斯样车
1.2研究课题的意义
本课题基于吉林大学和哈尔滨北方特种车辆制造有限公司合作开发的QSL3OF水陆多用途运输车。

在简单理论计算与设计的基础上，采用PRO/Engineer软件建立设计后的三维几何模型，根据结构的承载受力情况将相关的非承载结构结构简化去掉，使用HyperMesh软件处理几何模型，用实体、板、梁、杆等单元对模型进行几何处理并划分网格形成有限元模型，再将其转化成ans或txt文件导入ANSYS软件中，约束加载求解。

先对车架进行静态分析：根据运输车行走的环境要求，分析几种典型的工作工况：弯曲工况，扭转工况，单桥承载工况，由此判断设计后的模型的强度，弯曲刚度，扭转刚度等是否满足设计要求。

再对车架的动态性能进行分析：包括自由振动模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析，评价整车运输过程中的振动频率和固有振型，进一步分析在外部激励作用下车架的响应情况。

从而防止事故的发生，提高整车的寿命。

接着对车架主要部件进行疲劳断裂分析：由于该车经常在各种恶劣环境下行驶，受到运输地形的影响长期使用会造成车架的疲劳断裂，故对此车架的平衡轴和扭杆进行疲劳计算。

最后对车架结构进行轻量化设计，减轻重量，节省材料，降低成本，提高车架设计的合理性和经济性。

2国内外研究现状
2.1前言
全地形车军用的以轻型为主，能满足一定的技术，并能实现快速运输的任务要求。

轻型全地形车目前还没有严格的概念，因此各国对这类车辆的命名不一。

美军有All-Terrain Transport全地形运输系统，All-TerrainVehicle全地形车辆，rugged terrain vehicle崎岖路面行驶车辆等；西班牙有multi-purpose All Terrain vehicle多用途全地形车；法国有light air-portable vehieles轻型空投车，light airmobile vehieles轻型空运车辆；英国有all terrain rnobile platform全地形机动平台等等。

虽然命名不一，但是他们具有一个共同点，就是具有较高的机动性，较强的通过性，具有良好的非道路条件下的机动性能、空投或机降甚至包括两栖能力的机动运载平台，主要实现轻装步兵、特种部队、应急部队、两栖部队在战争中进行快速转移、机动突袭、通信侦察、后勤保障等作战目标。

该车可装备和携带单兵或班组的武器装备、弹药、通信设备、后勤保障物资等等，并发展成制式系列装备，组成高效的作战单元，可实现与其它平台联合作战。

2.2研究现状
早在第二次世界大战期间，轻型全地形车的雏形就已经出现。

在德军的机械化洪流中，运载步兵作战的Sd.kfz系列半履带运输车使轻装步兵能够伴随坦克快速行军和冲击，从而使陆地作战模式发生了根本的变化。

在重量不同的Sd.kfz 系列半履带家族中，最轻最小的就是Sd.kfzZ半履带摩托，无论重量、机动性还是实际作战用途，都称得上是轻型全地形车(ATV)的始祖。

1960年开始，许多西方国家也不约而同的出现了轻型全地形车的雏形。

步兵尤其是空降兵开始装备一种比美军151吉普略小的越野平板车，后来称之为“机械骡”。

美军步兵在对越南战争中一般用“机械骡”运载人力难以搬运的陶式反坦克导弹、迫击炮、12.7mm机枪等重武器。

随后，世界各国轻型全地形车获得长足的发展。

其中，以英美两国的全地形车发展速度最快。

在新世纪的美军装备序列中，美军拥有了从重型坦克运输车到战略运输机的一整套战役战术机动装备，但在陆军和陆战队的装备序列中仍为ATV这种小不点车辆留有恰当的位置。

美军目前大部分使用的轻型全地形车辆，如“运动家”(sportsman)和M-gator都是民用产品改型而来的。

北极星公司生产的“运动家”(Sportsman)4×4、6×6系列都是美军为满足紧急作战使用需求的民用系列全地形车。

该系列车型军选民过程中做了适合军方使用的相应改型。

该车在阿富汗、伊拉克均有大量在服役。

在前线作战部队中，“运动家”主要配发给巡逻队与侦查分队使用；而在后方，它更多作为单人的代步车辆使用。

特种部队以及担任阿富汗政府军事顾问的文职人员，多配发了“运动家”轻型全地形车。

“运动家”是在重型摩托的基础上修改设计而来的，可以说，这是一种“四轮摩托”，而不是一种“小型汽车”。

“运动家”标准型采用一台水冷四冲程单缸汽油机，排量为498ml，最大公路速度可达88km/h，越野平均速度40km/h。

底盘采用链传
动—这也是摩托车的一大传统。

“运动家”奇特的地方在于，它虽然采用链条传动，却是4×4驱动。

前后轮采用不同的悬挂方式。

前轮的悬挂方式是四连杆独立悬挂，后轮采用非独立螺旋弹簧悬挂。

悬挂系统的行程很大，前轮为17cm，后轮可达24cm。

在保证全车总量不超标的前提下，大大提高越野性能。

M-gator6×6是JohnDeere公司为美军生产的全地形车辆。

该车最初是在高尔夫球场使用的保障车，后来因其卓越的崎岖路面行驶性能和可靠性，越来越被军方所青睐。

该车选用13.42kw发动机，承载量比一般全地形车大，无顶棚结构，但具有高机动性能，可在各种越野路面上行驶，而且该车的高度只有914.4mm，具有更好的机动灵活性。

该车有2个座椅，其最大装载质量为635kg，最高车速为27.4km/h。

该车使用了CVT(金属带式无级变速器)，消除了换档冲击。

除此以外，该车还装备有无钥匙点火器、防盗安全钢缆、折叠可挂式侧货物箱、后货箱尾门和动力起重机，以及时间表、M16步枪枪架、前防护栏、前保险杠和牵引销钩等装置。

该车获得了陆军安全许可证和陆军弹药运输安全许可证，可进行弹药、油料等军需物品的运输，还可以进行伤员的运送。

M-Gator具有空投性能，需要时可使用直升机进行空投，而且也可使用直升机进行空吊运输，如使用UH-60直升机吊运。

该车作为防化部队的化学和生物侦察车使用时，可在车上安装全套的侦测装备。

安装侦测装备后该车仍可方便地使用直升机进行吊运。

根据陆军部队的需要，制造商为军方生产了2款M-Gator军用侦察车，这2款车型是陆军部队轻型车辆中非常独特和有特点的车型。

该车目前在伊拉克、阿富汗境内的美军陆军航空部队、海军陆战队和特种部队中有大量装备。

与美军相比，英军的轻型全地形车种类相对较为单一，但是同一车型所承担的战术使命却相当广泛。

众所周知的“超级猫”Supaeat(6×6)轻型全地形车辆是英国军车的一大亮点。

该车可以通过各种崎岖路面，具有良好的通过性能。

该车既应用于军方又有民用产品。

自从1984年以来已经在英国陆军和RAF服役多年，主要用于空降兵、航空旅等其中无论Markl或者是MarkZ型都有广泛的用途:可以牵引各类轻型火炮；作为运输车，完成兵员、物资的输送；作为平台与其它武器装备共同组成武器系统，并常用于防空领域、反坦克领域；作为平台搭载抢修、救援装备完成营救任务。

该车采用无悬架结构，整车减震由车身与底盘的弹性元件和轮胎共同完成，轮胎为宽断面、低气压越野轮胎。

应用自动变速器技术，带差速锁。

车轮的传动方式采用链传动技术。

该车的助力转向是通过操纵把完成的，操纵把可操纵前四轮转向，需要的时候可以通过制动完成原地转向，该车同时配备有传统的脚制动功能。

2.3主要的全地形装甲车
2.3.1瑞典改进型Bv206S全地形装甲车
瑞典阿尔维斯·赫格隆公司生产的Bv206S全地形装甲车，主要用于运送作战人员和物资，采用双车体铰接结构。

Bv206系列车辆已经生产约11000辆，在全世界超过40个国家中使用，可见性能极佳。

瑞典境内多河流湖泊，特别是北面地区气候寒冷，湖泊常年积雪结冰。

雪地作战通常具有独特的特点，决不能按通常的办法使用装备，在深雪覆盖的地面
上车辆尤其难以行驶。

Bv206系列车辆的设计，特别注意到在深雪地面遂行战斗任务的需要。

由于在瑞典森林地带非常普遍，外形尺寸及其铰接式结构的设计都是为了使该车在森林地带具有高度机动性。

Bv206S是Bv206的装甲型，能携带12名全副武装的士兵通过恶劣地形，从冰雪覆盖的北极圈到沙漠、沼泽和泥泞丛林，不需准备即可水陆两用。

BV206S适应力强，可在极端天气环境中使用，温度适应范围从-32℃到46℃。

由于考虑到外界条件比较恶劣，修理和保养较为复杂，所以该车结构相对简单，便于使用、维修和保养，并较多地采用民用车辆标准件。

Bv206系列全地形车由阿尔维斯·赫格隆公司和瑞典陆军军需司令部共
同发展，最初只供瑞典陆军使用。

Bv206全地形车是Bv202的后继车型，1974年瑞典陆军选择阿尔维斯赫格隆公司研制样车。

从1976年到1981年，经过从52辆不同样车筛选后，1981年4月首批Bv206正式交付陆军。

2004年3月，瑞典陆军定购一批巧辆Bv206S全地形车，其中7辆人员输送车、5辆运输车和3辆救护车，用于装备快速反应部队，并加人2003年1月1日组建的欧洲联合部队，执行维和等国际性任务。

瑞典陆军总定购数量达到50辆。

现在Bv206S系列已经成为国际化产品，主要在法国、德国、美国、英国、西班牙、意大利、加拿大、芬兰、挪威军队中服役。

一些国家的军队正在对Bv206S 进行评估，估计将来能被更多的国家采购。

法国陆军在1999年底订购12辆Bv206S全地形车，其中大部分用于科索沃维和行动，车辆顶部有一个转塔，安装1挺MZ型12.7毫米机枪。

德国陆军在2004年以前有31辆Bv206S进人服役，全部需求量为200辆，用于其快速反应部队。

意大利陆军于2003年10月订购了112辆Bv206S全地形车，在2004年和2007年之间交付。

英国已经订购了108辆新型BvS10“海盗”全地形车，主要包括装甲运输车、指挥车和战场修理车3种车型。

Bv206全地形车由一个转向结构连接的两个车体组成，每个车体的结构十分简单。

前后两个车体用优质防火玻璃纤维增强塑料制成，以便于保养，并具有重量轻和较高结构强度等优点。

这两部分是单独密闭的，各自用热交换器加温。

车体不但坚固耐用，比钢车体轻，而且还起防翻车作用。

Bv206S车体则采用全焊接钢制装甲层，可抵抗7.62毫米机枪和榴弹炮碎片的攻击。

驾驶员的挡风玻璃备有防冰雪装置，足以使挡风玻璃在-40℃时不结冰。

前一面的车体提供给驾驶员和3名战斗人员，后面车体携带8名全副武装人员。

前、后车体均配备有窗口。

车内装有空调和核、生、化三防装置及自动灭抑爆系统。

Bv206S全地形车可在车体顶部的环状基座上装1挺7.62毫米或12.7毫米机枪。

发动机和传动系统布置在前车体，可在车内进行保养。

发动机为施泰尔公司M16型6缸3.2升直列涡式增压柴油机，在转速4000转/分时功率为130千瓦，在转速2300转/分扭矩为350牛·米。

单位功率为14.27千瓦/吨。

传动装置为梅塞德斯·奔驰汽车公司W5A-580自动传动装置，有5个前进档和1个倒档。

变速箱和分动箱之间用传动轴相连。

制动器为盘式制动器，安装在分动箱前部的传动轴上。

发动机的动力由万向轴传到每个车体前部的侧传动。

车辆前、后车体以铰接连接而且安装两套液压缸控制操纵。

转向是借助两个液压缸改变前后车体之间的方向实现的，液压缸通过1个普通的方向盘进行伺服控制，转向半径7米。

该液压系统的设计允许在两节车体之间有很大自由度。

为节省成本，液压系统直接使用商业的通用元件组成。

每个车体有两个推进装置，每个推进装置有履带、主动轮、诱导轮和负重轮，推进装置用两个横向叶片弹簧安装在中央梁上。

每个推进装置有4对负重轮，
负重轮按两排配置，可减少履带脱落现象，同时也降低了单位压力。

所有4个推进装置是相同的，可以互换。

最大公路速度55千米/小时，能爬上31度的硬地纵向坡道和17度的雪地纵向坡道，能在45度坡上侧倾行驶。

Bv206S在普通路面道路上最大速度52千米/小时，最大行程达到300千米，转向半径16米。

Bv206S具有完全两栖能力，在水上由履带和螺旋桨推进，最大水上速度4.7千米/小时。

车辆因有4条履带而在泥、砂和雪等地有良好的机动能力，因为负载均衡在4条履带上，单位压力很小。

履带为0.6米宽的挂橡胶履带，在高等级公路上行驶，不会损坏路面。

Bv206系列最新改进型是BvS10“海盗”全地形车。

车重约10.5吨，有效载重3.16吨，采用了新的“康明斯”5.9升柴油发动机和“阿里逊”全自动变速装置，其最大速度可达65千米/小时，在水上行驶可达5千米/小时。

如上所述，由于Bv206全地形车结构特殊，所以其变型车的研制极为容易，只要更换车体即可，而对发动机和传动装置不必作任何改动。

装甲人员输送车的乘载员可达17人，前车体内6人，后车体内11人。

反坦克战车安装90毫米无坐力炮或1个“陶”式反坦克导弹系统，武器支架可用液压升降。

敞开式前车体装有转动轴，根据射击需要可以很快翻下挡板。

后车体设计得外形低矮，经得起武器射击时后喷射气流的冲击，它可携带大量弹药，待发弹药则存放在前车体内。

通信指挥车只是车内布置及后门配置有所改变，通常在前、后车体内分别装有1-3部甚高频无线电收发信机，后车体内的收发信机都可在前车体内遥控。

抢救车的前车体前面装有1个绞盘，用以抢救轻型车辆。

后车体内配备有进行野战修理的工具。

物资输送车的两个车体都是敞开式，总共可运载2.5吨重的物资器材。

Bv206S全地形车具有高灵活性和可靠的防护能力，因此适用范围非常广泛，其变型车有装甲人员运送车、运输车、战场救护车、防空导弹发射车、反坦克导弹发射车、迫击炮车、雷达车、战地指挥车和抢救车。

可称为世界上使用最广泛的履带式全地形装甲车。

Bv206S全地形车可由空中运输来部署。

机动运输主要由波音公司CH-47“支奴干”运输直升机和西科斯基公司“超级种马”CH-53运输直升机运送，能吊载l辆。

远程机动通过运输机运送，C-SA“银河”运输机可搭载10辆，C-I7A“环球霸王”运输机可搭载6辆，C-130“大力神”可搭载2辆，C-160“运输联盟”运输机可搭载1辆，A400M运输机可搭载2辆。

Bv系列全地形车作为铰接型履带式全地形车市场的主角，赫格隆公司（现属于BAE系统公司）现已为40多家用户生产了11000多辆无装甲的Bv206。

20世纪80年代末，赫格隆研制了装甲型Bv206S（战斗全重为7t），90年代中期推出了体积较大的BvS10（战斗全重为11.5t）。

Bv206S基本上属于披挂装甲的Bv206，由两辆连接在一起的铰接型履带式车辆组成，它保留了非装甲车的两栖性能。

用作装甲人员输送车时，Bv206S的前车可搭载4人，后车可容纳8人。

全焊接钢装甲可防御7.62mm实心弹和弹壳破片。

德国陆军需要约200辆Bv206S，2002年定购了首批31辆救护车，2004年12月又采购了75辆，价值5800万欧元，用于装备山地步兵旅。

法国（12辆）、意大利（60辆）、西班牙（50辆）和瑞典（17辆）等国的武装部队也小批量采购了Bv206S。

2000年英国皇家海军定购了约108辆BvS10。

BvS10的布局与Bv206S类似，由两个铰接的部分组成，但是载重能力有所提高。

前部可容纳4人，后部可容纳10人。

皇家海军采购的车辆由3种车型组成：基本的人员输送车、指挥车和维修车，预计在2005年底完成交付工作。

2.3.2新加坡野马Bronco
20世纪90年代末，新加坡动能技术公司研制了两栖的全地形履带输送车（ATTC，名称为“野马”（Bronco）），主要面向出口市场。

与瑞典竞争对手类似，ATTC由通过铰接式液压连接机构连接在一起的两辆履带式车辆组成。

前部可容纳6人，后部可搭载10人。

2.3.3芬兰西苏NA-140全地形车
该车是一种是由西苏汽车公司生产的军用输送车，第一辆样车于1985年试验，1986年秋预生产，1987年全面投产。

该车是双车厢铰接式结构，由4条宽而有弹性的橡胶履带驱动。

两节车厢之间有柔性连接装置。

其中还有转向部件和将动力传递到后车厢的传动装置，转向装置用液压驱动。

功率由1台带电子喷油器的8缸汽油机供给。

前车厢内有发动机并可容纳1名驾驶员和5名士兵或700kg货物。

在驾驶舱的前上方开设顶舱口。

后车厢是全封闭式结构，车尾有1扇出入门，侧壁上备有小观察镜，其中可容纳11名士兵或1300kg货物。

车厢上有1个用于牵引轻型武器的牵引钩。

前后车厢的顶部都备有货架。

整车可搭载17名士兵或2000kg货物。

在承载状态下可水陆两用。

两节车厢都有各自的车架，以支承悬挂装置，履带和行动装置。

两侧履带和负重轮组都可以互换。

车架用轻合金制造，而车身用轻型增强塑性板制造，能防轻兵器和碎弹片。

任选设备包括1个绞盘、30m长的钢丝绳和哈龙(Halon)灭火系统。

3全地形车的性能特点及关键技术轻型全地形车的主要使用对象是轻型机械化步兵、空降兵及特种部队等特殊的兵种，主要使用于山地、丛林等地形比较复杂的地域，要求具有很强的越野能力。

分析国内外轻型全地形车的结构、性能，其特点和关键技术主要表现在发动机技术、传动技术、通过性、车身等方面。

3.1发动机技术
轻型全地形车普遍采用单缸、双缸汽油机或柴油机。

经过阿富汗和伊拉克战场的实际应用，反映出轻型全地形车的发动机功率和牵引质量小等不足，这就对全地形车发动机排量及设计技术提出了更高的要求。

3.2传动技术
由于轻型全地形车大多采用摩托车的技术，因此在传动技术上与传统的汽车存在一定的差别。

它大多采用链条传动，通过链条与传动齿轮的巧妙组合成4×4驱动，提高越野性能。

3.3通过性
轻型全地形车对越野性能要求很高，因此，对通过性的设计就尤为重要。

前后轮普遍采用独立悬挂，提高悬挂的动行程，在保证全车总量不超标的前提下，大大提高越野性能。

3.4车身
轻型全地形车的尺寸相对较小，要求车身重量轻，在战场环境下对车体的抗翻滚性能要求较高。

特殊的使用环境，对车身的设计提出很高的要求。

4发展趋势分析
通过对国外军用轻型全地形车的分析可以为我国发展轻型全地形车提供参考和依据，其发展趋势总结如下:
a、先进技术在轻型全地形车中的大量应用已成为主导趋势。

国外目前在轻型全地域机动系统上普遍应用了高性能发动机技术、电子控制技术等。

b、轻型全地域机动系统装备的系列化、模块化发展模式已经初步形成并逐步深人。

c、高机动性及通过性技术不断提高。

d、一种平台多种用途是各国研发轻型全地域机动平台的一个基本原则。

e、承载量较轻的全地形车多选用汽油发动机，承载量较重的全地形车多选用柴油发动机，体现了轻型车柴油化的基本趋势。

f、动力传动型式采用轴传动与链传动相结合的形式，并有向链传动发展的趋势。

g、轮胎多选用宽断面、低气压的越野轮胎。

h、可部署性强。

轻型全地型车可方便的应用直升机或运输机进行空运、空投。

5全地形车车架计算研究
5.1静力学计算
5.1.1 车架三维模型的建立
某8×8全地形车，其整备质量为1620kg，陆地载荷为1100kg，水中载荷为700kg，陆地满载质量包括驾驶员、副驾驶、6名乘客及货物(或装备)，其外形见图4.车架全长2940mm，宽1000mm，前后等宽且纵横梁皆为矩形空心型钢，纵梁与横梁通过焊接实现连接，全车通过5根主横梁与两根纵梁的焊接实现整个车车架的连接.该车的最高车速为60km/h。

为了得到较为精确的分析结果对模型进行了适当的简化并忽略了一些次要的部件，在此基础上利用PRO/E软件建立了该车车架的三维模型，模型如图5所示。

5.1.2 车架的受力分析
按照整车设计提供的载荷大小及位置，分别将其施加在图4的相应部位，载荷大小及位置如表2所示，其中变速箱、CVT及发动机的质心位置由整车设计提供。

坐标使用整车确定的坐标系统，即车辆行驶方向为x轴正方向，原点位于二桥中心，原点指向驾驶员方向为y轴正方向，按照右手法则确定垂直向上为z 轴正方向。

图 4 全地行车局部外形
图 5 车架三维模型。