消防車副車架有限元分析及扭剛度優化研究

黃開 李鄉安 蔣旭 歐濤

長沙中聯消防機械有限公司 湖南長沙 410200

1 前言

隨著市場對消防車的作業高度需求不斷提升，消防車的整車質量也隨之增大。為了使消防車輛應對市場競爭、滿足道路法規和經濟性要求，工程師們需要對消防車上車部分與副車架進行輕量化設計。

在對結構件進行輕量化設計的過程中，工程師們往往會將更多注意力集中在上車部分結構的輕量化上，因為上車部分質量對整車質量的影響最大；而副車架則被認為是功能性部件，不會進行過多的輕量化和精細化的設計。

某消防車在試驗過程中，當臂架回轉到整車的側方時，會出現活動支腿離地高度過大的問題，不滿足GB 7956.12-2015《消防車 第12部分：舉高消防車》4.2.4.4條中“離地高度應小于20 mm”規定[1]。由于臂架回轉到側方位置時，副車架主要受到扭轉作用，即原始的副車架扭剛度偏弱，本文擬運用ANSYS有限元分析軟件，建立消防車的副車架、底盤和活動支腿的裝配體有限元模型，對消防車進行全工況分析，找到導致整車離地高度過大原因。由于該消防車臂架和整車質量已經達到底盤承載極限，故針對副車架設計上的不足，嘗試在不改變副車架質量的基礎上，對副車架結構進行優化，降低活動支腿的離地高度，最大限度提高副車架的扭剛度，使最大離地間隙滿足標準要求。如果經剛度優化后仍然達不到標準要求，則需要再通過降低工作幅度的方式即降低整車傾翻矩，以減小最大離地間隙。

2 消防車下車有限元建模

消防車作業平臺承力結構件的主體結構可簡化為如圖1所示的焊接裝配體組成，從圖1可以看出，下車結構主要由副車架、底盤大梁、活動支腿和垂直油缸等主要部件組成。副車架和活動支腿都是由薄板焊接組合而成的部件，在原始設計的副車架上，由于副車架的上、下蓋使用的是厚板，因此在副車架上、下表面應力比較低的區域開了許多減重孔以降低整車質量。底盤大梁通過螺栓與副車架固定，活動支腿通過搭接方式與副車架連接，活動支腿可在支腿水平油缸推動下，在副車架內部滑動且與副車架保持一定的重疊距離。垂直油缸通過螺栓固定在活動支腿上。

圖1 消防車下車幾何模型

各部件間的力傳遞關系依次如下：上車部分的傾翻矩和剪力傳遞到副車架的回轉支撐上，回轉支撐通過副車架和底盤大梁將載荷傳遞到活動支腿上，活動支腿將載荷傳遞給支腿垂直油缸，油缸最后將載荷傳遞給地面。副車架、底盤大梁和活動支腿屬于板殼結構用s h e l l 1 8 1模擬，并按板的實際厚度賦給殼單元；活動支腿的垂直油缸用梁單元Beam188，按油缸截面的實際尺寸賦給梁單元；使用梁單元(Beam188)模擬底盤大梁與副車架間的螺栓連接；通過耦合搭接線上節點的平動自由度的方式模擬活動支腿與副車架的搭接關系。通過約束活動支腿上垂直油缸的中心線處的節點位移模擬垂直油缸接觸地面。

根據B S E N 1 7 7 7:2 0 1 0《消防救援液壓舉高平臺安全與測試要求》[2]規定，上車工作斗載荷取1.25的動載系數，上車結構件（含工作斗）取1.1的動載系數，將工作斗載荷與結構件載荷進行矢量疊加即為上車傳遞給下車的載荷。在本消防車計算中傳遞到回轉支撐的傾 翻 矩 約為7 3.5 t ·m， 剪 力112.8 kN，原始設計工作幅度20.5 m。

假設在副車架的回轉中心建立如圖2所示副車架局部坐標系，坐標系的原點與回轉中心重合，x方向由車頭方向指向車尾方向，y軸是由x軸繞原點逆時針旋轉90°得到。當上車部分位于整車的正后方時，臂架的回轉角度θ為零，逆時針旋轉為正。本計算中是通過上車的回轉角度大小來辨別副車架的工況。

圖2 副車架局部坐標系定義圖

由于在計算之前不知道哪種工況下支腿會抬腿離地、離地高度多大，在實際計算過程中模擬支腿抬腿過程一般分兩步進行，第一步是試算，當有限元計算出的地面給垂直油缸的作用力向下時，即支撐力為負值時，說明該支腿已經離開地面，需要刪除該支腿上的約束然后重新進行第二步計算，就可以得到該支腿的實際離地高度。

3 副車架原始設計的仿真結果

由于副車架結構屬于大致左右對稱結構，有限元計算結果也具有顯著的左右對稱特征，因此本文只討論上車回轉在[240°,300°]角度范圍內的變形規律。

筆者首先計算了臂架回轉到270°時的離地高度。然后根據支腿離地高度變化計算其他工況，通過多輪對比計算發現250°工況下離地高度最大，250°工況結果以圖片形式展示。其他計算工況有300°、270、255°、245°、240°，以列表的形式呈現在表1中。

圖3 最大離地高度工況下（250°工況）副車架變形圖

圖4 最大離地高度工況下（250°工況）副車架應力分布圖

從圖4可以看出，副車架右后腿出現了抬腿、離地現象，主要是由于副車架受到正側面的彎矩作用，等效于副車架受扭轉作用，也就是轉臺有帶動右后支腿抬高的趨勢。當副車架扭轉剛度較弱時，就會出現離地現象。結合表1的結果，當臂架回轉到250°時離地高度達到最大。同時從表1中的數據分析可知，當離地高度最大時，前支腿反力和與后支腿的反力和相等。

表1 優化前各工況下的離地高度及支腿反力

圖5為消防車副車架三維圖，從圖5可以看出，為了減重和安裝方便，原來的副車架整體挖孔較多，使副車架形成了多處敞口薄壁結構，如液壓油箱開口處、液壓油箱吸油口出油口、分動箱安裝處及其他減重孔處，由材料力學知識可知在相同材料條件下，敞口薄壁結構的抗扭剛度較差，導致整體扭剛度偏弱。副車架在較大扭矩作用下，導致活動支腿離地高度較大。

圖5 優化前副車架三維圖

4 優化后仿真結果

針對所分析的副車架在受扭工況下活動支腿離地高度過大的改進措施，除去因空間布置需要，必須在副車架上、下表面挖孔的情況外，把能封上的開孔都封上；對于必須開孔區域作適當加強。由于增加抗扭剛度措施在提高副車架抗扭剛度的同時也提高了抗彎剛度，也會增加整體結構質量，這就需要對局部板厚進行局部調整以保持總質量基本不變，改進后的方案見圖6。

圖6 優化后副車架三維圖

改進后方案同樣也計算了300°、270、255°、245°、240°工況，具體結果見表2。從表2可以看出，改進后的同樣是當臂架回轉到250°時離地高度達到最大。當離地高度最大時，前支腿反力和與后支腿的反力和相等。

圖7 優化后副車架離地高度圖

表3列出了各種工況下改進前、后離地高度對比，從表3可以看出在保持副車架總質量不變的情況下，在最大離地高度250°工況下，優化前的離地高度為107.8 mm,優化后為74.5 mm，最大離地高度減少了33.3 mm，副車架扭轉剛度提升約30%。

從上述結論可知，單純通過剛度優化的方式無法使離地高度達到標準規定的20 mm，因此需降低整車工作幅度來降低離地高度。經進一步計算，當工作幅度從20.5 m降低到18 m時，即傾翻矩降低到68 t·m時，離地間隙便可降低到20 mm。

5 結語

a. 原始設計的副車架整體挖孔太多，使副車架形成了多處敞口薄壁結構，是導致活動支腿在受扭工況下離地高度偏大的主要原因；

表3 改進前、后各工況下的離地高度對比表

b. 當上車臂架回轉到前支腿反力和與后支腿的反力和相等時，活動支腿離地高度達到最大；

c. 當有減重需求時且有剛度限制時，使用薄板封閉結構比厚板挖空敞口結構更輕、扭剛度更好。設計過程中應盡量避免大的挖孔結構；

d. 在保持副車架總質量不變的情況下，在最大離地高度250°工況下，優化前的離地高度107.8 mm,優化后為74.5 mm，最大離地高度減少33.3 mm，副車架扭轉剛度提升約30%；

e. 當工作幅度從20.5 m降低到18 m時，即傾翻矩降低到68 t·m時，離地間隙便可降低到20 mm。