基于輕高機(jī)車載平臺(tái)的升降桿及其安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

陳詩(shī)超，張朝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

輕型高機(jī)動(dòng)越野車的強(qiáng)動(dòng)力、高通過(guò)性，克服了其他載車無(wú)法通過(guò)的地面和適應(yīng)的環(huán)境[1]，能夠搭載電子裝備快速抵達(dá)任務(wù)區(qū)。

為了最大限度發(fā)揮裝備的高機(jī)動(dòng)性能，在輕型高機(jī)動(dòng)電子裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮快速架設(shè)撤收、天線架高、輕量化等因素。在電子裝備的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中，往往考慮通過(guò)舉升機(jī)構(gòu)將天線架高，限度降低車體及地面反射對(duì)天線影響，降低低空障礙物對(duì)天線的遮擋[2]。電動(dòng)升降桿是天線舉升的常見機(jī)構(gòu)，通常用于駐車舉升并附加拉繩作為輔助約束。本文所研究的系統(tǒng)要求在滿載、低速行駛狀態(tài)下將天線架高后工作，使系統(tǒng)在行駛過(guò)程中仍可執(zhí)行任務(wù)[1]。

本文針對(duì)輕型高機(jī)動(dòng)?xùn)|風(fēng)猛士CTL18型底盤在低速行駛條件下，綜合考慮舉升高度、舉升載荷、行車安全等因素，對(duì)常規(guī)電動(dòng)升降桿進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了與之相配套的電動(dòng)機(jī)升降桿安裝結(jié)構(gòu)，完成了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的校核分析，以及路試跑車試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定參考意義。

1 升降桿及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 升降桿設(shè)計(jì)

猛士6×6雙排防護(hù)型底盤后部加裝異型輕質(zhì)方艙，艙體截面與駕駛室截面保持一致。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮國(guó)內(nèi)左舵駕駛習(xí)慣，將高于車頂?shù)碾妱?dòng)升降桿及天線安裝于越野車方艙艙外左側(cè)后部，降低天線與路邊左側(cè)障礙物的碰撞概率[2]。車輛行車工作狀態(tài)和駐車工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 升降桿工作狀態(tài)

為了提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，最大限度發(fā)揮系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性，本文所系電動(dòng)升降桿不配備拉繩，可在工作狀態(tài)和收藏狀態(tài)便捷轉(zhuǎn)換。電動(dòng)升降桿設(shè)計(jì)及安裝要求如下：

（1）駐車工作和行車工作下，電動(dòng)升降桿均可快速舉升至規(guī)定高度，并自動(dòng)鎖定，升起降落后能夠準(zhǔn)確復(fù)位，具有應(yīng)急手動(dòng)下降功能；（2）升降桿閉合高度不超過(guò)2030mm，駐車工作狀態(tài)下舉升高度不小于10200mm，舉升載荷不小于110kg；（3）在8級(jí)風(fēng)速下滿足三級(jí)公路20km/h行車工作使用要求；（4）考慮輕型高機(jī)動(dòng)底盤在低速行駛過(guò)程中，因路面2Hz~10Hz低頻大能量振動(dòng)條件下的安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度要求。

行車工作過(guò)程中，頂部天線的位移是影響天線指標(biāo)的重要因素，而造成頂部天線位移的主要因素有：升降桿管材裝配間隙、頂節(jié)管剛度、天線迎風(fēng)負(fù)載、天線重量、天線重心導(dǎo)致的桿體附加彎矩等。天線設(shè)計(jì)時(shí)遵循天線安裝中心、天線風(fēng)力矩中心和天線重心“三心”合一的原則。通過(guò)設(shè)計(jì)工裝降低升降桿頂節(jié)管材裝配間隙，優(yōu)化設(shè)計(jì)頂節(jié)管材截面降低頂部天線的位移[3]。

行車狀態(tài)下頂部天線位移的計(jì)算可簡(jiǎn)化為懸臂梁受力分析，截面經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定頂節(jié)管截面如圖2所示。

圖2 彈性約束懸臂壓彎梁及其截面

懸臂壓彎梁承受端部附加彎矩M、端部橫向集中力Q和橫向均布載荷q作用的彈性約束懸臂壓彎梁，文獻(xiàn)［3］給出了其撓度的精確表達(dá)式，其自由端的橫向撓度為：

式中fM、fQ、fq分別為彎矩M、集中力Q和均布載荷q產(chǎn)生的撓度放大系數(shù)，表達(dá)式為：

u為彈性約束懸臂壓彎梁的軸力系數(shù)，η為約束剛度系數(shù)。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得理論撓度為3.175mm。綜合考慮頂部天線在行車狀態(tài)下位移、地面反射兩個(gè)方面對(duì)天線指標(biāo)的影響，權(quán)衡舉升高度和機(jī)動(dòng)性的矛盾，系統(tǒng)行車工作狀態(tài)下天線舉升高度為1.1m。

1.2 升降桿安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高機(jī)動(dòng)底盤運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量主要集中在0Hz~20Hz范圍內(nèi)，低頻能量比高頻能量高。大型、重載設(shè)備的安裝需滿足低頻率、大振幅條件下的強(qiáng)度要求。電動(dòng)升降桿安裝天線后總重量高達(dá)320kg，在輕型高機(jī)動(dòng)載車的改裝中屬大型、重載構(gòu)件，因此，需對(duì)升降桿安裝構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并分析[4]。

猛士6×6雙排防護(hù)型底盤方艙為異性方艙，為了艙內(nèi)設(shè)備安裝維修便捷，方艙兩側(cè)均設(shè)置向上開啟的維修艙門，艙體尺寸為2750mm×2240mm×1300mm。

考慮到系統(tǒng)上裝設(shè)備重量已接近載荷極限，為了輕量化設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)滿足升降桿各種工況下的強(qiáng)度、剛度安裝要求，本文將升降桿的安裝與艙體共形設(shè)計(jì)，在異型輕質(zhì)方艙艙體底部設(shè)置升降桿安裝座，頂部加裝環(huán)形抱箍。利用方艙艙體頂部、后壁、底板的壁板內(nèi)部預(yù)埋L型材構(gòu)成空間桁架，并通過(guò)各壁板間焊接成型，形成立體空間桁架結(jié)構(gòu)。

2 建模及約束

本文將針對(duì)改裝后的輕型高機(jī)動(dòng)越野車在8級(jí)風(fēng)下的駐車工作狀態(tài)、行車工作狀態(tài)[4]和運(yùn)輸跑車三種工況下方艙預(yù)埋桁架及升降桿安裝座進(jìn)行仿真分析[5]。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，略去車體和車架模型，僅在Solidworks軟件中建立異型艙體桁架結(jié)構(gòu)。將蒙皮、安裝座的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行局部處理，簡(jiǎn)化圓角和其他修飾性特征，導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行有限元分析。按照前進(jìn)方向（縱向）為X軸、垂向?yàn)閅軸、側(cè)向?yàn)閆軸建立坐標(biāo)系，并劃分四面體單元，如圖3所示。

圖3 安裝結(jié)構(gòu)仿真模型

艙體桁架主要由鋁質(zhì)型材搭接而成，升降桿安裝座采用Q235鋼，艙體除蒙皮外的其余部分使用泡沫填充，各部分材料物理特性如表1所示。

表1 材料的物理特性

方艙底部通過(guò)螺栓與車架連接，在方艙底部螺栓處施加固定約束。

3 工況分析

3.1 駐車工作狀態(tài)分析

駐車天線工作時(shí)，天線處于展開狀態(tài)，除了承受重力載荷，同時(shí)承受8級(jí)風(fēng)載荷。風(fēng)載可分為沿縱向和側(cè)向兩種工況。

升降桿、方艙桁架及升降桿安裝座所受重力載荷按體積和所屬材料密度計(jì)算重量，自動(dòng)施加重力載荷。桿體頂部和中間安裝天線位置施加天線集中質(zhì)量，并按天線迎風(fēng)面積計(jì)算所受風(fēng)載施加集中載荷。

經(jīng)計(jì)算，駐車工作狀態(tài)下車輛受橫向載荷時(shí)，電動(dòng)升降桿安裝座下部應(yīng)力最大為91.4MPa，此時(shí)艙體頂部發(fā)生最大位移為2.82mm。

表2 駐車工作狀態(tài)最大應(yīng)力和變形位移

3.2 行車工作狀態(tài)分析

行車工作狀態(tài)下，車輛為滿載、低速（≤20km/h）行駛狀態(tài)，除重力載荷外，應(yīng)考慮行車中因道路激勵(lì)可能產(chǎn)生的沖擊載荷。

參照CTL181猛士越野車行駛性能，本文考慮垂直方向沖擊載荷為3g，行車制動(dòng)時(shí)，前進(jìn)方向（縱向）承受沖擊0.9g加速度；轉(zhuǎn)彎沖擊時(shí)，左右方向（側(cè)向）承受沖擊0.9g加速度[5]；風(fēng)載需分為8級(jí)縱向風(fēng)載疊加縱向行車風(fēng)載、8級(jí)側(cè)向風(fēng)載荷疊加縱向行車風(fēng)載兩種工況。

通過(guò)有限元計(jì)算并對(duì)比各工況下的受力分析，行車工作狀態(tài)下車輛受垂直方向載荷沖擊并疊加風(fēng)載、行車工作狀態(tài)受側(cè)向沖擊載荷并疊加風(fēng)載兩種工況下，艙體桁架和安裝座的應(yīng)力及變相較大。

行車工作狀態(tài)下車輛受垂直方向載荷沖擊并受到縱向風(fēng)載疊加車速風(fēng)載時(shí)，電艙體桁架頂部受到拉力最大應(yīng)力為92.1MPa，仍有較大強(qiáng)度裕度，此時(shí)艙體頂部發(fā)生最大位移為3.59mm，升降桿根部的最大位移為3.07mm。同時(shí)升降桿上部安裝處結(jié)構(gòu)件位移為3.13mm，因此電動(dòng)升降桿桿體的剛度較大可簡(jiǎn)化為剛性位移，行車工作狀態(tài)下天線的位移為桿體的剛性位移和升降桿的變形之和6.355mm。

將艙體泡沫及蒙皮隱藏后，可清楚顯示行車工作狀態(tài)垂向沖擊下艙體桁架及安裝座的應(yīng)力及位移云圖，如圖3所示，最大應(yīng)力和變形位移，見表4。

圖4 行車工作狀態(tài)垂向沖擊分析云圖

表3 行車工作狀態(tài)垂向沖擊最大應(yīng)力和變形位移

行車工作狀態(tài)下，天線升起時(shí)，側(cè)向轉(zhuǎn)彎并受縱向風(fēng)載時(shí)，方艙桁架左側(cè)尖角處應(yīng)力和位移較大，最大應(yīng)力為83.9MPa，仍有較大強(qiáng)度裕度。行車工作狀態(tài)側(cè)向沖擊下艙體桁架及安裝座的應(yīng)力及位移云圖，如圖3所示，最大應(yīng)力和變形位移，見表4。

圖5 行車工作狀態(tài)側(cè)向沖擊分析云圖

表4 行車工作狀態(tài)側(cè)向沖擊最大應(yīng)力和變形位移

綜上分析，行車工作狀態(tài)下載車受到垂向沖擊同時(shí)受縱向風(fēng)載時(shí)，艙體桁架頂部最大應(yīng)力值為94.6MPa，仍有強(qiáng)度裕度。行車工作狀態(tài)下天線的最大位移為6.355mm，滿足行車工作狀態(tài)下的頂部天線小于10mm的剛度要求。

3.3 運(yùn)輸狀態(tài)分析

運(yùn)輸狀態(tài)下，參考最大車速為120km/h，此時(shí)天線處于閉合狀態(tài)，僅施加艙體和升降桿所受到的縱向8級(jí)風(fēng)載疊加行車風(fēng)載。按GJB150.16A中C.3圖譜[6]施加隨機(jī)振動(dòng)載荷進(jìn)行有限元分析。

經(jīng)計(jì)算，艙體桁架的升降桿頂部剛性連接處最大應(yīng)力為96.8MPa，滿足強(qiáng)度要求；最大變形量為2.00mm，滿足使用要求。升降桿安裝座所受最大應(yīng)力為53.6MPa，滿足強(qiáng)度要求；最大變形量為1.73mm，滿足使用要求。

綜合以上各種工況下，最大應(yīng)力分別位于艙體桁架的頂部、艙體桁架與升降桿頂部連接處以及升降桿安裝座底部，均滿足強(qiáng)度要求，位移均在5mm以內(nèi)，滿足剛度要求[6]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析計(jì)算結(jié)論，考核升降桿及安裝結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性，在電動(dòng)升降桿調(diào)試完成并安裝于載車后，按照駐車工作模式、行車工作模式分別在電動(dòng)升降桿頂部施加載荷進(jìn)行模擬抗風(fēng)試驗(yàn)。駐車工作模式下在升降桿頂部安裝天線后，使用拉繩施加188N水平載荷模擬8級(jí)風(fēng)工作狀態(tài)，在各節(jié)管材中間通過(guò)拉繩施加水平方向的91N的水平載荷模擬管材風(fēng)載。行車工作模式下僅升起頂節(jié)管，考慮一定安全裕度后，將管材風(fēng)載施加到頂部，僅在升降桿頂部施加298N水平載荷模擬8級(jí)風(fēng)行車工作狀態(tài)。拉力試驗(yàn)過(guò)程中升降桿并未發(fā)生破壞，試驗(yàn)后仍可順利升降，驗(yàn)證了升降桿的抗風(fēng)性能。

整車在工作狀態(tài)下進(jìn)行了跑車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，升降桿及天線均可正常工作，方艙對(duì)角尺寸在跑車前后無(wú)變化，方艙未產(chǎn)生塑性變形，滿足強(qiáng)度要求。

該型裝備已完成各項(xiàng)定型試驗(yàn)并進(jìn)入批產(chǎn)階段，升降桿及安裝結(jié)構(gòu)可靠性良好，未發(fā)生因升降桿及安裝結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度不足導(dǎo)致的故障。

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體角度對(duì)原有系列電動(dòng)升降桿適應(yīng)性改進(jìn)。設(shè)計(jì)了電動(dòng)升降桿安裝結(jié)構(gòu)，并對(duì)三個(gè)工況下進(jìn)行了仿真分析，得到了電動(dòng)升降桿安裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。結(jié)果表明均滿足強(qiáng)度要求，且仍有部分強(qiáng)度裕度，滿足剛度要求。對(duì)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行了跑車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明電動(dòng)升降桿及其安裝結(jié)構(gòu)滿足使用要求。本文對(duì)在輕型高機(jī)動(dòng)車載平臺(tái)載重有限、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、沖擊振動(dòng)載荷大的要求下，特別是針對(duì)越野車行車工作狀態(tài)下天線架高進(jìn)行了研究，對(duì)輕型高機(jī)動(dòng)越野車行進(jìn)間工作狀態(tài)下的舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。