應(yīng)急救援拖車懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計及靜力學(xué)分析

王智森

(景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333400)

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，引發(fā)公共安全隱患的不確定因素逐年增多[1]。洪澇險情、森林火災(zāi)、交通事故及突發(fā)公共衛(wèi)生事件等時有發(fā)生，嚴(yán)重危及人民群眾的生命健康和財產(chǎn)安全，因此應(yīng)急救援及處突維穩(wěn)工作顯得十分關(guān)鍵[2-3]。應(yīng)急救援拖車作為現(xiàn)代應(yīng)急救援體系中必不可少的組成裝備之一，機(jī)動能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)救援設(shè)施的快速轉(zhuǎn)移與調(diào)配，對于爭取黃金救援時間具有非常重要的作用[4-6]。

本文以某型應(yīng)急救援拖車懸架為研究對象，對其關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核最大應(yīng)力值及最大變形量以滿足使用性能要求。

1 應(yīng)急救援拖車懸架簡化模型建立

1.1 應(yīng)急救援拖車懸架工作原理

應(yīng)急救援拖車整體參數(shù)如表1所示，懸架系統(tǒng)主要部件包括減震器、彈性元件、導(dǎo)向元件等。兩套懸架系統(tǒng)以應(yīng)急救援拖車中間軸線成對稱分布，轉(zhuǎn)向節(jié)通過三個球副分別與下橫臂、上橫臂及轉(zhuǎn)向拉桿連接；減震器上端通過球副與車體連接，下端通過轉(zhuǎn)動副與下橫臂連接，減震器伸縮實(shí)現(xiàn)車體高度的調(diào)節(jié)[7-8]。在路面坑洼不平的情況下，懸架系統(tǒng)的減震器液壓缸伸縮運(yùn)動配合減震器套筒端俯仰運(yùn)動，使車體隨時動態(tài)調(diào)整水平和高度姿態(tài)，維持車體運(yùn)行平穩(wěn)，保證車體載荷在一對車輪上均勻分布[9]。

表1 應(yīng)急救援拖車整體參數(shù)

1.2 懸架部件三維建模

由于應(yīng)急救援拖車整體結(jié)構(gòu)呈軸對稱分布，因此選取一套懸架系統(tǒng)建立簡化模型。根據(jù)應(yīng)急救援拖車整體參數(shù)，通過UG軟件完成懸架系統(tǒng)主要部件的三維建模[10]。UG中通過旋轉(zhuǎn)命令建立車輪的三維模型，車輪厚度為185mm。轉(zhuǎn)向節(jié)立柱部分采用Z字形結(jié)構(gòu)設(shè)計，以提高抗彎能力；尺寸自頂向下呈梯形分布，上半部分鋼板厚度為36mm，下半部分鋼板厚度為28mm，中間部分采用圓角過渡，在UG中通過拉伸、修剪體、凸臺、掃掠及邊倒圓等命令建立轉(zhuǎn)向節(jié)立柱部分的三維模型，通過球命令建立立柱部分的三個球副結(jié)構(gòu)，得到立柱部分整體結(jié)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)整體結(jié)構(gòu)三維模型

上、下橫臂借助三角形穩(wěn)定性原理采用等腰直角三角形結(jié)構(gòu)布置，UG中通過拉伸、抽殼、孔特征等命令建立三角支承架的三維模型；液壓缸底端采用人字形結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證支承強(qiáng)度及剛度，UG中通過塊特征、曲面掃描等命令建立液壓缸的簡化三維模型；叉形結(jié)構(gòu)設(shè)計采用月牙形，結(jié)構(gòu)布置為三點(diǎn)連接軸對稱形式，UG中通過掃掠、拉伸、孔特征等命令建立叉形的三維模型；轉(zhuǎn)向桿采用二力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計，UG中通過拉伸、孔特征等命令建立轉(zhuǎn)向拉桿的三維模型。將完成三維建模的懸架系統(tǒng)各零件按照運(yùn)動副連接方式進(jìn)行裝配，得到懸架部件的三維模型如圖2所示，其中紅色表示關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)向節(jié)立柱。

圖2 懸架部件三維模型

2 關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)向節(jié)立柱靜力學(xué)分析

2.1 定義材料特性

在應(yīng)急救援拖車懸架系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)向節(jié)是支撐和抗彎扭的關(guān)鍵零件之一。為了避免拖車工作過程中轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生斷裂、疲勞裂紋及支承面被壓潰的情況，通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，求出應(yīng)力及應(yīng)變等結(jié)果并進(jìn)行校核。

在Windows 7系統(tǒng)下執(zhí)行ANSYS 15.0的Workbench 15.0命令，啟動ANSYS Workbench 15.0進(jìn)入主界面，選擇菜單欄Units的Metric命令，設(shè)置模型尺寸單位為mm；展開左側(cè)工具箱中的Analysis Systems菜單欄，雙擊Static Structural選項(xiàng)載入建立一個含有結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的項(xiàng)目模塊。首先在UG中將轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型文件格式(.prt)另存為產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式(.igs)，然后回到ANSYS Workbench 15.0界面，在Static Structural的項(xiàng)目模塊中右擊Geometry，從彈出的快捷菜單中選擇Import Geometry的Browse命令，打開igs文件完成轉(zhuǎn)向節(jié)模型的導(dǎo)入。

在Project Schematic窗口中右擊Engineering Data彈出定義轉(zhuǎn)向節(jié)材料特性對話框，單擊工具欄中的Engineering Data Sources，將其中的General Materials點(diǎn)亮。在Outline of General Materials窗格中選擇Structural Steel并添加到當(dāng)前項(xiàng)目中，得到轉(zhuǎn)向節(jié)材料性能參數(shù)如表2所示，返回Project Schematic窗口右擊Model欄，選擇Refresh命令進(jìn)行一次數(shù)據(jù)刷新。返回Mechanical窗格，點(diǎn)擊Geometry分支下的Part1，選擇Material的Assignment欄設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼的材料特性。

在Mechanical窗格的樹形目錄中單擊Mesh分支，激活網(wǎng)格尺寸劃分Sizing命令。在Sizing的屬性窗格中，選擇整個轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體，Scope分支下的Geometry顯示為1 Body；定義網(wǎng)格尺寸為8mm，轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)材料性能參數(shù)

2.2 施加載荷求解

在Mechanical窗格的樹形目錄中單擊Static Structural分支，單擊Environment工具欄中Supports的Fixed Support命令添加到轉(zhuǎn)向節(jié)的三個球副面上作為固定約束，單擊左下角屬性窗格Scope分支下Geometry中的Apply按鈕確定。單擊Environment工具欄中Loads的Force命令，為轉(zhuǎn)向節(jié)上頂面施加壓力。由1.1節(jié)可知，應(yīng)急救援拖車最大載重2000kg，加上自重100kg，總計重量2100kg，因此在單個懸架系統(tǒng)上的作用力約為10500N。設(shè)置左下角屬性窗格Definition分支下Magnitude為10500N，Direction為垂直向下。

在Mechanical窗格的樹形目錄中單擊Solution分支，單擊Solution工具欄中Stress的Equivalent命令，添加Equivalent Stress結(jié)果；單擊Solution工具欄中Deformation的Total命令，添加Total Deformation結(jié)果。單擊工具欄內(nèi)的Solve命令，對轉(zhuǎn)向節(jié)靜力學(xué)模型進(jìn)行求解，得到轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分布如圖4所示，變形分布如圖5所示，圖中Max標(biāo)分別表示最大應(yīng)力點(diǎn)和最大變形處。由圖可知：轉(zhuǎn)向節(jié)在滿載工況下受到的最大應(yīng)力值為49.564MPa，最大應(yīng)力位置在轉(zhuǎn)向節(jié)上球副與撥叉的連接桿處，處于轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材料的屈服強(qiáng)度安全值范圍內(nèi)；受到的最大變形量為0.0095mm，發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)中部過渡處偏下位置。轉(zhuǎn)向節(jié)變形量較小，剛性較強(qiáng)，能夠保證應(yīng)急救援拖車懸掛系統(tǒng)正常工作。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分布云圖

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)變形分布云圖

3 結(jié)論

本文以某型應(yīng)急救援拖車懸架為例，介紹運(yùn)用UG/ANSYS Workbench軟件進(jìn)行應(yīng)急救援拖車懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計及轉(zhuǎn)向節(jié)靜力學(xué)仿真分析方法和操作步驟。根據(jù)應(yīng)急救援拖車整體參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立懸架系統(tǒng)主要部件轉(zhuǎn)向節(jié)、上和下橫臂、減震器等的三維模型，添加連接約束完成裝配。轉(zhuǎn)向節(jié)作為應(yīng)急救援拖車懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，通過對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，求解得到轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為49.564MPa，最大變形量為0.0095mm，說明在受載條件下轉(zhuǎn)向節(jié)不會發(fā)生斷裂、疲勞裂紋及彎曲變形現(xiàn)象。