多用途搶險(xiǎn)救援車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉　鋼，涂群章，潘　明，李　沛，賴(lài)喜濤，黃　皓，張　帥，張慶宇

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

多用途搶險(xiǎn)救援車(chē)輛是針對(duì)我國(guó)災(zāi)害事件的多樣性和復(fù)雜性特點(diǎn)，以及應(yīng)急裝備落后的情況而設(shè)計(jì)。形成一批應(yīng)急救援裝備，建立高機(jī)動(dòng)多功能應(yīng)急救援裝備標(biāo)準(zhǔn)體系，才能為全面提升我國(guó)公共安全保障能力提供有力的科技支撐。目前對(duì)于重型車(chē)輛的車(chē)橋的性能要求越來(lái)越高，為了提高強(qiáng)度和剛度，現(xiàn)使用的是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并且用有限元法對(duì)于車(chē)橋橋殼進(jìn)行分析。車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)橋殼是車(chē)輛的主要承載構(gòu)件之一，由于搶險(xiǎn)救援車(chē)輛經(jīng)過(guò)的路面地形比較復(fù)雜，路面條件較差，車(chē)輛行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的承載能力提出了更高的要求，局部的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)橋殼的變形[1]，車(chē)橋受力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致斷裂。設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮受力以及材料的屬性和位移變化量，這樣才能提高穩(wěn)定性。

針對(duì)某型高機(jī)動(dòng)應(yīng)急救援車(chē)輛，課題組設(shè)計(jì)了其驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)，本文擬對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行應(yīng)力和變形進(jìn)行相應(yīng)的分析[2]，為下一步驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)打下基礎(chǔ)。

一般情況下，在對(duì)橋殼進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以將驅(qū)動(dòng)橋殼看成簡(jiǎn)支梁來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，求出斷面的最大應(yīng)力值，運(yùn)用有限元能夠很好地解決此類(lèi)問(wèn)題[3]。計(jì)對(duì)橋殼比較復(fù)雜，這樣計(jì)算工作量比較龐大，所以需要對(duì)一些不重要的構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化，其中包括：對(duì)一些不重要的尺寸忽略不計(jì)，對(duì)于焊接處材料性質(zhì)忽略其變化；忽略在生產(chǎn)過(guò)程中橋殼材料的不均質(zhì)[3]。表1為驅(qū)動(dòng)橋殼材料特性。橋殼在SolidWorks中進(jìn)行建模，完成后將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中[5]，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到355 591個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和215 582個(gè)單元，最后得到有限元模型，如圖1所示。

表1　驅(qū)動(dòng)橋殼的材料特性

圖1　驅(qū)動(dòng)橋橋殼有限元模型

1　車(chē)橋有限元模型

本文研究的橋殼模型是經(jīng)過(guò)鋼板沖壓和焊接的整體式橋殼。使用SolidWorks三維制圖軟件對(duì)車(chē)橋殼的模型進(jìn)行構(gòu)造建立[4]。由于應(yīng)急搶險(xiǎn)救援車(chē)輛所設(shè)

2　對(duì)橋殼的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和有限元分析

2.1　四種工況下的計(jì)算[3]

（1）最大垂向力工況

多用途搶險(xiǎn)救援車(chē)輛以較高的速度行駛在凹凸不平路面時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋殼除了受到靜載荷外，還受到相應(yīng)的沖擊載荷[6]，此時(shí)橋殼所受到最大的垂向力，并且不受其它力和彎矩，所受到的最大垂直向下的力為：

式中，G1為該救援車(chē)輛靜止時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋所受的重力；δ為動(dòng)載荷系數(shù)，這里取2.5；g為重力加速度，一般為9.8m/s2；m1為所受的最大靜載荷，取12 000 kg（車(chē)輛最大載荷為24 t.這里取最大值一半）。

（2）最大驅(qū)動(dòng)力工況

多用途搶險(xiǎn)救援車(chē)輛在牽引力達(dá)到最大時(shí)直行，忽略所受到的側(cè)向力，只受到的載荷有垂直向下的力和驅(qū)動(dòng)力，橋殼的一端所受到的垂直向下的力為：

式中，α為車(chē)輛行駛時(shí)后橋的負(fù)載轉(zhuǎn)移系數(shù)，取1.2.

車(chē)橋所受到的最大驅(qū)動(dòng)力為：

式中，Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩（N·m）；i1為變速器速比；i0為主減速器比；η為發(fā)動(dòng)機(jī)的效率；r為車(chē)輪的半徑（m）.

（3）最大制動(dòng)工況

多用途搶險(xiǎn)救援車(chē)輛在剎車(chē)時(shí)，忽略所受到的側(cè)向力，橋殼只受垂向力和制動(dòng)力。橋殼的一端所受的垂直向下的力為：

式中，χ為車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)橋的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

一端橋殼所受的制動(dòng)力達(dá)到最大為：

式中，φ為地面附著系數(shù)，此處取值0.8.

（4）最大側(cè)向力工況

多用途搶險(xiǎn)救援車(chē)輛在需要急轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，進(jìn)行急轉(zhuǎn)，車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑，在側(cè)滑方向，此處的側(cè)向力和垂向力都達(dá)到最大值，而橋殼的另一端所受的力可以視為零，忽略縱向力。橋殼發(fā)生側(cè)滑一端所受到的垂向力和側(cè)向力為：

式中φ1為側(cè)滑附著系數(shù)，此處取值1.0.

2.2　針對(duì)不同的工況確定邊界約束條件和加載方式

針對(duì)前述四種工況來(lái)確定邊界的約束條件和相應(yīng)的加載方式，如表2所示。

表2　四種工況下邊界約束條件和加載方式

2.3　對(duì)四種工況下橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析

（1）最大垂向力工況

當(dāng)達(dá)到最大垂向力時(shí)，用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行約束和加載后得到的等效應(yīng)力和位移如圖2、圖3所示。

圖2　最大垂向力工況等效應(yīng)力圖

圖3　最大垂向力工況位移圖

該工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力發(fā)生在板簧和橋殼體結(jié)合處附近，最大位移發(fā)生在橋體靠近凸起部位。

（2）最大驅(qū)動(dòng)力工況

當(dāng)在最大驅(qū)動(dòng)力下工作時(shí)，用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行約束和加載后得到的等效應(yīng)力和位移如圖4、5所示。

圖4　最大驅(qū)動(dòng)力工況等效應(yīng)力圖

圖5　最大驅(qū)動(dòng)力工況位移圖

該工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力發(fā)生在板簧和橋殼體結(jié)合處附近，最大位移發(fā)生在橋體靠近凸起部位。

（3）最大制動(dòng)力工況

當(dāng)進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)力達(dá)到最大時(shí)，用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行約束和加載后得到的等效應(yīng)力和位移如圖6、7所示。

圖6　最大制動(dòng)力工況等效應(yīng)力圖

圖7　最大制動(dòng)力工況位移圖

該工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力發(fā)生在板簧附近，最大位移發(fā)生在凸包附近。

（4）最大側(cè)向力工況

當(dāng)一側(cè)受力為零，一側(cè)所受的側(cè)向力最大時(shí)，用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行約束和加載后得到的等效應(yīng)力和位移如圖8、9所示。

圖8　最大側(cè)向力工況等效應(yīng)力圖

圖9　最大側(cè)向力工況位移圖

該工況下驅(qū)動(dòng)橋殼的最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)滑方向一端的半軸套管變截處，最大位移發(fā)生在側(cè)滑一端的軸端處。

各工況下橋殼的等效應(yīng)力和位移如表3所示。

表3　各工況下等效應(yīng)力和位移

分析：查閱資料《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》，其中要求輪距的最大變形量控制在1.5 mm/m.1）在最大垂向力工況下，最大應(yīng)力為151.57 MPa，小于橋殼體材料的屈服強(qiáng)度345 MPa.最大位移0.504 08 mm符合要求。2）在最大驅(qū)動(dòng)力工況下，最大應(yīng)力為156.34 MPa，小于小于橋殼體材料的屈服強(qiáng)度。最大位移1.1573 mm符合要求。3）在最大制動(dòng)力工況下，最大應(yīng)力為67.695 MPa，小于橋殼體材料的屈服強(qiáng)度345 MPa.最大位移0.3 456 mm符合要求。4）在最大垂向力工況下，最大應(yīng)力為24.38 MPa，小于橋殼體材料的屈服強(qiáng)度785 MPa.最大位移0.24315 mm符合設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的計(jì)算研究可知：（1）經(jīng)過(guò)靜力學(xué)計(jì)算分析，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋橋橋殼滿(mǎn)足各工況下所需的強(qiáng)度和剛度的要求。

（2）使用三維制圖軟件SolidWorks設(shè)計(jì)橋殼，具有便捷的特點(diǎn)。在運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行分析的時(shí)候更能模擬出各工況下的情況，也能更好地幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行分析。

（3）可以進(jìn)一步對(duì)橋殼進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行橋殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地節(jié)約成本，使結(jié)構(gòu)達(dá)到要求。