DG32型登高平臺(tái)消防車(chē)臂架結(jié)構(gòu)仿真分析及優(yōu)化研究

摘要：DG32型登高平臺(tái)消防車(chē)臂架結(jié)構(gòu)采用伸縮臂和折臂形式，在復(fù)雜工況下進(jìn)行作業(yè)，本文通過(guò)有限元法計(jì)算出臂架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，分析其剛度和強(qiáng)度是否符合安全使用要求，同時(shí)為了研究臂架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在額定工況下對(duì)臂架整體進(jìn)行了線(xiàn)性屈曲分析，得到了前6階屈曲模態(tài)云圖，最后結(jié)合分析結(jié)果對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：消防車(chē);臂架;有限元法;模態(tài)分析;優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463收稿日期：2022-06-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.013

1前言

近年來(lái)，我國(guó)城市樓房向著高層化發(fā)展，城市消防救援形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，因此登高平臺(tái)消防車(chē)成為消防救援的主力。由某公司自主研發(fā)的DG32登高平臺(tái)消防車(chē)，以登高救援為自主，自帶水泵、水炮、水罐。臂架采用伸縮臂和折臂的結(jié)構(gòu)形式，具有越障功能。登高類(lèi)消防車(chē)廣泛應(yīng)用于城市11層以下樓宇、石油化工企業(yè)等登高救援和消防滅火。

臂架的伸縮運(yùn)動(dòng)由液壓油缸、拖鏈機(jī)構(gòu)、導(dǎo)輪等同步實(shí)現(xiàn)，變幅運(yùn)動(dòng)通過(guò)變幅油缸、四連桿機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)。由于該設(shè)備主要用于登高救援作業(yè)，兼顧舉高噴射作業(yè)，臂架作業(yè)幅度大，作業(yè)工況復(fù)雜，為保證安全作業(yè)，對(duì)臂架結(jié)構(gòu)有很高的可靠性要求[2]。石鵬飛等（3）對(duì)登高平臺(tái)消防車(chē)臂架四種典型伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，并與油缸推力進(jìn)行對(duì)比研究;吳攀攀等（4對(duì)登高平臺(tái)消防車(chē)臂架鉸接變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，并以變幅油缸力為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)影響較大的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算;李江對(duì)登高消防車(chē)臂架筋板進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化。

目前對(duì)消防車(chē)臂架的整體仿真分析較少，多為局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。因此本文通過(guò)有限元分析的方法對(duì)DG32登高平臺(tái)消防車(chē)臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行受力分析，校核臂架的強(qiáng)度;再對(duì)臂架進(jìn)行穩(wěn)定性屈曲分析，研究臂架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，得到臂架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性薄弱點(diǎn);最后對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)登高平臺(tái)消防車(chē)臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2臂架設(shè)計(jì)及工作原理

DG32登高平臺(tái)消防車(chē)臂架結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)臺(tái)、上下變幅油缸、一臂、二臂、三臂、折臂及各類(lèi)桿件組成。為了便于臂架結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析，需將模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

DG32登高平臺(tái)消防車(chē)臂架的工作原理是轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)回轉(zhuǎn)支承安裝在副車(chē)架上，通過(guò)回轉(zhuǎn)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)整個(gè)臂架的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);通過(guò)下變幅缸的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)下臂的變幅運(yùn)動(dòng)，下臂內(nèi)置伸縮缸及拖鏈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二臂、三臂的伸縮運(yùn)動(dòng);通過(guò)上變幅桿的伸縮運(yùn)動(dòng)及推桿、拉桿形成的四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折臂的變幅運(yùn)動(dòng);通過(guò)調(diào)平油缸及拐臂推桿、拉桿形成的四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗的調(diào)平。

3靜力學(xué)分析

3.1有限元模型的建立

轉(zhuǎn)臺(tái)、臂架等結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)鋼板整體焊接而成，屬于薄壁筒型結(jié)構(gòu)，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)滑塊、油缸、拉桿、推桿等部件采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。殼單元采用四邊形單元，大小控制在10mm左右，實(shí)體單元采用六面體單元，大小控制在20mm左右。臂架整體結(jié)構(gòu)由多種材料組成，其材料屬性如表1所示。

3.2仿真工況及載荷施加

考慮到登高平臺(tái)消防車(chē)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中臂架的各種姿態(tài)及臂架起升、制動(dòng)時(shí)的慣性沖擊、額定載荷、風(fēng)載荷等情況，以臂架最?lèi)毫庸r的兩個(gè)極限位置為研究對(duì)象：工況1，下臂70°位置，折臂水平;工況2，下臂60°位置，折臂水平。高空工作平臺(tái)額定載荷400kg，包括人員及相關(guān)消防及救援設(shè)備。在臂架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，考慮到臂架起升、制動(dòng)過(guò)程中的慣性沖擊，重力載荷取1.1倍自重。臂架除了受工作平臺(tái)的載荷和自重外，工作過(guò)程中應(yīng)考慮風(fēng)載荷的作用，根據(jù)伯努利方程可得出風(fēng)速-風(fēng)壓關(guān)系[6]：

（1）式中，p為風(fēng)壓，kPa;ro為空氣密度，kg/m";p為風(fēng)速，m/so空氣密度與重度的關(guān)系為：

因此，可得：

式中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣重度r取0.012 25 kN/m2;重力加速度g取9.8 m/s;風(fēng)速考慮惡劣條件下8級(jí)風(fēng)速（17.2 ～20.7 m/s）取 20 m/s。由此可計(jì)算得到風(fēng)壓為250 Pa。仿真工況如表2所示，材料許用應(yīng)力如表3所示。

3.3有限元結(jié)果分析

通過(guò)Ansys Workbench有限元分析，工況1和工況，2臂架結(jié)構(gòu)變形云圖及應(yīng)力云圖，如圖2～圖5所示。

根據(jù)圖2～圖5可看出，工況1臂架的最大變形量約為1019 mm，工況2臂架最大變形量約為1246 mm，均出現(xiàn)在工作斗上最前端處，臂架整體變形平順。由豎直方向變形云圖可看出，工況1和工況2臂架豎直方向的最大下?lián)暇嚯x分別為784mm、1 012 mm。根據(jù)GB 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，額定載荷下，臂架端部在變幅平面內(nèi)的垂直下?lián)暇嚯x推薦為;

DG32登高平臺(tái)消防車(chē)臂架垂直的推薦值為1024mm，實(shí)際豎直方向的下?lián)暇嚯x均小于該值，因此臂架結(jié)構(gòu)剛度滿(mǎn)足安全要求。由總體應(yīng)力云圖及一臂、二臂、三臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖可看出：工況1峰值應(yīng)力約為579MPa，出現(xiàn)在三臂臂頭側(cè)折處;工況2峰值應(yīng)力約為580MPa，出現(xiàn)在一臂油缸支座U形折彎板與腹板搭接處。兩工況下，高應(yīng)力區(qū)均可滿(mǎn)足2倍安全系數(shù)（許用應(yīng)力390 MPa），局部應(yīng)力集中區(qū)域也可以滿(mǎn)足1.22倍安全系數(shù)（許用應(yīng)力639 MPa），由此判定臂架結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度滿(mǎn)足安全使用要求，不會(huì)因復(fù)雜的載荷變化而出現(xiàn)屈服或斷裂危險(xiǎn)。

4穩(wěn)定性屈曲分析

穩(wěn)定性屈曲分析是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性1，通過(guò)分析可得出結(jié)構(gòu)的屈曲特征值。對(duì)于薄壁筒型機(jī)構(gòu)，失穩(wěn)破壞經(jīng)常發(fā)生，為了有效避免研發(fā)初期的設(shè)計(jì)缺。陷，使研發(fā)機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是必須校核的內(nèi)容[8]。為得到臂架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性薄弱點(diǎn)，本文對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性屈曲分析，分析工況如表4所示，臂架前6階屈曲模態(tài)云圖如圖6所示。

如圖6及表5所示，影響臂架結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在一臂油缸支座前部下腹板處，最小（一階）屈曲特征值為0.989 34。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，最小屈曲特征值>1.5可認(rèn)為穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求，因此判定DG32臂架的穩(wěn)定性存在安全隱患，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

5結(jié)構(gòu)優(yōu)化及優(yōu)化后分析結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，臂架整體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度滿(mǎn)足安全要求，除一臂結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性較好，因此對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性加強(qiáng)，方案如下。

一臂油缸支座前部下腹板處增加3000 mmx30 mmX3 mm條形筋板，材質(zhì)Q345，如圖7所示。

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行同工況下穩(wěn)定性屈曲分析，分析結(jié)果如圖8及表6所示。

根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化后臂架模型最小（1階）屈曲特征值為1.529 5，出現(xiàn)在三臂內(nèi)部下腹板扣槽板處。前6階屈曲特征值均大于1.5，屈曲穩(wěn)定性滿(mǎn)足安全要求。

6結(jié)語(yǔ)

a.本研究利用Ansys Workbench 對(duì)DG32型登高平臺(tái)消防車(chē)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，由分析結(jié)果可知，臂架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度均符合安全要求，且安全闕值較大，可滿(mǎn)足城市消防救援復(fù)雜情況下的工作要求。

b.在工程實(shí)際中，對(duì)于大型薄壁類(lèi)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是經(jīng)常發(fā)生的，屈曲分析是校核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。根據(jù)穩(wěn)定性屈曲分析結(jié)果可知，臂架結(jié)構(gòu)在一臂油缸支座前部下腹板處存在穩(wěn)定性安全隱患，并對(duì)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果滿(mǎn)足穩(wěn)定性安全要求。

c.本文的優(yōu)化方案是根據(jù)有限元分析結(jié)果并結(jié)合工程機(jī)械經(jīng)驗(yàn)所提出的，更多的是基于安全性和實(shí)用性來(lái)考慮的。未來(lái)可結(jié)合目前應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)化算法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重考慮，使機(jī)構(gòu)進(jìn)一步得到改進(jìn)和提高。

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作者簡(jiǎn)介：

隋曉東，男，1984年生，工程師，研究方向?yàn)榭崭鄣孛嬖O(shè)備及消防裝備仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。