超靜定錨泊底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

李 浩，侯守武，仝 允

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

錨泊底盤是機(jī)動式系留氣球地面系留設(shè)施的重要組成部分[1]，直接影響地面系留設(shè)施的安全性、可靠性、抗風(fēng)穩(wěn)定性及調(diào)平精度。大型機(jī)動式系留氣球錨泊底盤為多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力和變形比較均勻，結(jié)構(gòu)自身具有較好的承載能力和穩(wěn)定性[2]，其承力骨架為高強(qiáng)度鋼板焊接而成的箱型、工字型或U型結(jié)構(gòu)，構(gòu)造復(fù)雜，傳統(tǒng)的校核計算方法大多將底盤車架簡化為梁結(jié)構(gòu)，計算量較大且存在較大誤差。文獻(xiàn)[3]給出了一種五支腿起重機(jī)支腿力的近似計算方法，可作為車架及支腿設(shè)計的參考，但存在著計算復(fù)雜、有限元模型工況簡化過多的缺點(diǎn)。

為此，本文采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)，在抗傾覆支撐腿根部限位止口與車架梁限位連接處，將對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度耦合起來，使該處的節(jié)點(diǎn)具有相同位移，有效提高了有限元校核分析精度和準(zhǔn)確性。

1 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

綜合系留氣球錨泊底盤使用工況——自重、地面系留、空中系留及地面運(yùn)輸，確定該底盤的設(shè)計要求如下。

1)功能要求：氣球地面系留時，可支撐回轉(zhuǎn)上裝360°自由順槳；行車運(yùn)輸狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)機(jī)動轉(zhuǎn)移，同時確?；剞D(zhuǎn)上裝與底盤有效鎖定。

2)剛強(qiáng)度要求：底盤應(yīng)具有足夠的剛強(qiáng)度，可承受系留氣球的凈浮力、風(fēng)載荷和沖擊載荷，底盤結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于1.5。

3)輕量化設(shè)計要求：底盤結(jié)構(gòu)應(yīng)采用集成優(yōu)化布局及模塊化設(shè)計，盡可能采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，實(shí)現(xiàn)各零部件輕量化設(shè)計。

4)抗傾覆及抗風(fēng)防滑安全性要求：底盤工作時，其與上裝總自重產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩應(yīng)大于所有外力產(chǎn)生的傾覆力矩[4]；底盤支撐腿與地面摩擦力應(yīng)不小于系留氣球?qū)﹀^泊車最大水平拉力。

5)快速組裝及運(yùn)輸要求：底盤結(jié)構(gòu)應(yīng)采用模塊化可重組快速連接設(shè)計，裝配工序簡便高效[5]，拆卸后滿足三級公路運(yùn)輸要求。

1.2 結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計

系留氣球錨泊底盤由底盤縱梁、底盤橫梁、抗傾覆支撐腿、承重支撐腿和回轉(zhuǎn)支承支座組成。其中縱梁和橫梁為Domex700MCD高強(qiáng)度鋼，含有更高的鈮、鈦及釩等合金化元素，在高強(qiáng)度條件下具有良好的可成形性、可焊接性和高沖擊強(qiáng)度[6]。底盤結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)見表1，底盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

表1 底盤結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)

圖1 底盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 載荷工況分析

錨泊底盤所承受外載荷有上裝自重及所有外載荷折算到回轉(zhuǎn)中心處所產(chǎn)生的軸向力、徑向力和傾覆力矩。底盤結(jié)構(gòu)受力示意圖如圖2所示。

圖2 底盤結(jié)構(gòu)受力示意圖

錨泊底盤主要受自身重力載荷和回轉(zhuǎn)上裝安裝座處傳遞的外載荷，其中自身重力載荷按慣性力施加，回轉(zhuǎn)支承安裝座載荷見表2。由于工作狀態(tài)下回轉(zhuǎn)上裝360°自由順槳，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，計算工況取回轉(zhuǎn)上裝與底盤0°～180°范圍校核計算，每隔30°計算一種工況。

表2 回轉(zhuǎn)支承安裝座載荷

3 底盤有限元分析

錨泊底盤是系留氣球地面系留時回轉(zhuǎn)上裝自由順槳的主要受力部件，因此校核其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度尤為必要。依據(jù)底盤的結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際應(yīng)用工況，建立有限元分析模型，對其在極限載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度響應(yīng)進(jìn)行有限元仿真校核分析。

3.1 有限元模型

底盤結(jié)構(gòu)的主承力縱梁、支撐腿支臂均采用殼單元建模[7]，底盤懸掛結(jié)構(gòu)采用集中質(zhì)量模擬，螺栓連接采用剛性單元模擬，回轉(zhuǎn)上裝及回轉(zhuǎn)軸承對底盤平臺的影響等效為力和力矩施加于回轉(zhuǎn)軸承形心，整個有限元模型包含264 762個殼單元、2 178個質(zhì)量單元和160個剛性單元，共256 807個節(jié)點(diǎn)。利用ABAQUS軟件建立的底盤結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖

3.2 邊界條件

回轉(zhuǎn)上裝自由順槳時，上裝縱梁與載車平臺成一定夾角，載車平臺部分支撐腿可能存在離地情況，在有限元計算時，釋放離地支撐腿的約束，在承受地面支反力的支撐腿處約束其平動自由度。自重工況下8條支撐腿均勻約束時狀態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 自重工況模型邊界約束條件

3.3 自由度耦合處理

錨泊底盤抗傾覆支撐腿與底盤車架主梁通過法蘭+限位止口方式連接，底盤受載工作時，支撐腿與主梁之間的接觸理論上為法蘭連接端面和下限位面接觸。從支撐腿與車架相對位置關(guān)系分析，如將車架視為固定，傾覆支撐腿則為一外伸梁。

傾覆支撐腿和固定車架連接法蘭處無間隙，支撐腿與車架限位止口處有1～2 mm間隙，二者的面接觸特點(diǎn)使得采用焊接連接是不合適的[8]。本文采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合技術(shù)，在傾覆支撐腿與固定車架的限位面接觸處將對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度耦合起來，使接觸處的節(jié)點(diǎn)具有相同位移。選擇接觸面處節(jié)點(diǎn)分別約束x，y，z方向的移動自由度和繞y，z軸的轉(zhuǎn)動自由度，如圖5所示。

3.4 有限元分析

借助ABAQUS有限元分析軟件對錨泊底盤主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

1)自重工況。

錨泊底盤最大變形量為3.54 mm，位于懸掛側(cè)支撐框端部；最大應(yīng)力為198.4 MPa，位于抗傾覆支撐腿與底盤根部的連接區(qū)域，滿足底盤結(jié)構(gòu)1.5倍安全系數(shù)要求。底盤應(yīng)力及位移云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 自重工況下底盤應(yīng)力云圖

2)空中系留工況。

錨泊底盤最大變形位于上抬支撐腿處，回轉(zhuǎn)上裝在0°～180°內(nèi)順槳時，最大上抬位移為31.8 mm，最大應(yīng)力為365.2 MPa，位于抗傾覆支撐腿與底盤根部的連接區(qū)域，滿足底盤結(jié)構(gòu)1.5倍安全系數(shù)要求。底盤應(yīng)力及位移云圖分別如圖8、圖9所示。

3)地面系留工況。

當(dāng)回轉(zhuǎn)上裝與底盤車架成30°夾角時，最大變形位于上抬支撐腿處，支撐腿最大上抬位移為52.4mm，最大應(yīng)力為438.9 MPa，位于抗傾覆支撐腿與底盤根部的連接區(qū)域，滿足底盤結(jié)構(gòu)1.5倍安全系數(shù)要求。底盤應(yīng)力及位移云圖分別如10、圖11所示。

圖8 空中系留工況下底盤應(yīng)力云圖

圖9 空中系留工況下底盤位移云圖

圖10 地面系留工況下底盤應(yīng)力云圖

圖11 地面系留工況下底盤位移云圖

根據(jù)上述有限元計算分析結(jié)果，錨泊底盤在自重、空中系留及地面系留工況下最大應(yīng)力為438.9 MPa，最大變形為52.4 mm，滿足底盤結(jié)構(gòu)1.5倍安全系數(shù)要求。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)超靜定錨泊底盤總體結(jié)構(gòu)布局及載荷工況，借助ABAQUS軟件，采用殼單元及自由度耦合技術(shù)建立有限元分析模型，分別校核分析了底盤自重、空中系留和地面系留3種工況下應(yīng)力和位移分布規(guī)律，可為類似機(jī)動式系留氣球超靜定底盤結(jié)構(gòu)校核分析提供參考。