彭 倩，藍平輝，闕彬元，王 方

(1.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建廈門361024; 2.福建僑龍專用車有限公司,福建龍巖364000)

專用水泵車回轉(zhuǎn)平臺輕量化設(shè)計

彭 倩1，藍平輝1，闕彬元2，王 方1

(1.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建廈門361024; 2.福建僑龍專用車有限公司,福建龍巖364000)

基于某款大流量排水搶險專用車，建立其回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)的有限元模型，采用Optistruct軟件對回轉(zhuǎn)機構(gòu)尺寸厚度進行輕量化設(shè)計，通過強剛度分析驗證輕量化設(shè)計結(jié)果可行性.結(jié)果表明：分別對回轉(zhuǎn)機構(gòu)中的180°彎頭、舉升油缸座加強梁和變形三通座尺寸厚度改進，不僅可以達到平臺強剛度結(jié)構(gòu)可靠性要求，同時實現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)質(zhì)量從原來827.2 kg降低到757.7 kg，輕量化程度達到8.4%，研究結(jié)果為改進相關(guān)專用水泵車回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù).

專用車；結(jié)構(gòu)可靠性；輕量化；有限元方法

近年來我國大陸范圍內(nèi)普遍出現(xiàn)降雨量分布不均現(xiàn)象,導(dǎo)致多個省會城市及地區(qū)受到不同嚴重程度的洪澇災(zāi)害［1－4］.在洪澇災(zāi)害到來第一時間完成搶險排水工作,對整個搶險救援任務(wù)至關(guān)重要.液壓水泵專用車是專門用于各種供搶排險、應(yīng)急排洪救險等緊急任務(wù)的特種搶險作業(yè)車輛［5］.其中,專用車上的回轉(zhuǎn)平臺對突破因環(huán)境帶來的作業(yè)范圍的局限起著關(guān)鍵性作用.國內(nèi)專用車關(guān)于回轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計優(yōu)先考慮通過平臺大質(zhì)量來抵抗因回轉(zhuǎn)平臺工作機構(gòu)作業(yè)時產(chǎn)生的大扭矩和大傾覆力矩,從而造成整個回轉(zhuǎn)平臺過于笨重,影響整車的可靠性.同時,過于笨重的回轉(zhuǎn)平臺將導(dǎo)致驅(qū)動力增加,驅(qū)動裝置設(shè)計復(fù)雜,進而增加生產(chǎn)成本［6－9］.針對以上專用車回轉(zhuǎn)平臺面臨的不足,本文基于某款大流量排水搶險專用水泵車,采用有限元方法進行輕量化設(shè)計.

1 回轉(zhuǎn)平臺模型的建立

排水搶險專用車回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)由上回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支承和下回轉(zhuǎn)臺組成.其中,上回轉(zhuǎn)平臺由180°彎頭和舉升油缸座加強梁等若干構(gòu)件組成,下回轉(zhuǎn)平臺由箱體及內(nèi)部變形三通座等組成,回轉(zhuǎn)支撐采用蝸輪蝸桿形式.該專用車采用簡單單動力驅(qū)動形式的前置布置結(jié)構(gòu).整個機構(gòu)通過上回轉(zhuǎn)平臺的180°彎頭和舉升油缸座加強梁實現(xiàn)工作設(shè)備的舉升和支撐運動作,由回轉(zhuǎn)支撐中的蝸輪蝸桿機構(gòu)實現(xiàn)向左、向右180°自由回轉(zhuǎn)運動要求,所有上部工作機構(gòu)的運動均在下回轉(zhuǎn)臺的支撐作用下完成.

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的大小直接影響計算運行時間,為了提高有限元分析模型的計算效率,在專用車回轉(zhuǎn)平臺三維幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對三維結(jié)構(gòu)進行簡化處理［10－11］.采用通用有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperWork?模塊基于表1所示的網(wǎng)格標準,對整個回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)骨架進行網(wǎng)格劃分,建立回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)有限元模型如圖1所示.

表1 有限元網(wǎng)格的標準Table 1 FEM standards

圖1 回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)有限元模型Fig.1 FEM of rotary platform mechanism

回轉(zhuǎn)平臺承受工作機構(gòu)帶來的動態(tài)載荷并傳遞給專用車底盤,致使平臺結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜.模型采用殼單元、實體單元和剛性單元等模擬回轉(zhuǎn)平臺的框架結(jié)構(gòu).為了提高計算精度減少計算時間,網(wǎng)格大小采用10～15 mm,板件厚度與實際情況一致,模型總單元數(shù)為188 847,節(jié)點數(shù)為63 789.機構(gòu)中各承載結(jié)構(gòu)均采用Q345普通彈塑結(jié)構(gòu)鋼,其材料特性如表2所示,材料特性曲線如圖2所示.

表2 材料特性Table 2 Material properties

圖2 材料特性曲線Fig.2 Curve of the material characteristic

1.2 優(yōu)化前強度剛度分析

在回轉(zhuǎn)平臺有限模型基礎(chǔ)上,進行結(jié)構(gòu)強剛度分析,不僅可以較準確判斷平臺受力大小和變形位移規(guī)律.同時,通過結(jié)構(gòu)強剛度分析得出結(jié)果與實際情況進行對比,可以判斷有限元模型的有效性和回轉(zhuǎn)平臺工作中的結(jié)構(gòu)可靠性.

仿真試驗在回轉(zhuǎn)平臺的極限工況條件 (試驗測得所需的仿真輸入載荷值)進行強剛度邊界條件設(shè)置,通過給回轉(zhuǎn)平臺的左右舉升油缸支座底板上各施加20 kN的外力載荷模擬舉升液壓缸的舉升作用力,在上180°彎頭的左右兩邊添加35 kN的外力載荷模擬舉升工作面的豎直極限作用力,同時,對回轉(zhuǎn)平臺的箱體底部6個自由度進行約束,具體邊界條件如圖3所示.

圖3 極限邊界條件Fig.3 Limit boundary conditions

經(jīng)Optistruct模塊計算結(jié)果可知,整個回轉(zhuǎn)平臺的最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)支撐下部受壓的一側(cè),為162.839 MPa,此時的應(yīng)力值遠遠小于其材料的屈服強度345 MPa.應(yīng)力在許用材料強度范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)完整未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象.對整個強度分析過程發(fā)現(xiàn),由回轉(zhuǎn)平臺以上部分結(jié)構(gòu)引起的扭矩對回轉(zhuǎn)平臺的應(yīng)力和變形影響不大,而回轉(zhuǎn)平臺以上部分結(jié)構(gòu)的自身重力,以及引起的彎矩在結(jié)構(gòu)上卻產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形,為此,后續(xù)可根據(jù)分析的需要更改主要結(jié)構(gòu)的板厚,以求設(shè)計出滿足工作條件的回轉(zhuǎn)平臺.

在回轉(zhuǎn)平臺的靜態(tài)剛度要求方面,國內(nèi)還沒有一個嚴格的校核標準.因為回轉(zhuǎn)平臺的靜態(tài)剛度最重要的是滿足回轉(zhuǎn)支承平穩(wěn)運行條件,即移動水泵車在額定載荷作用下,回轉(zhuǎn)支承要平穩(wěn)運行,其內(nèi)外圈之間的間隙必須在允許的范圍內(nèi),所以,本文以回轉(zhuǎn)支承的允許間隙作為靜態(tài)剛度校核準則,即回轉(zhuǎn)平臺的最大軸向位移必須小于回轉(zhuǎn)支承允許的軸向間隙,最大橫向位移必須小于回轉(zhuǎn)支承允許的橫向間隙.根據(jù)回轉(zhuǎn)支承徑向大小可以計算出允許的軸向間隙最大值為0.25 mm,允許的橫向間隙最大值為0.08 mm.通過分析整個回轉(zhuǎn)平臺的位移變形量發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)的變形最大位移出現(xiàn)在舉升油缸座加強梁,位移值為0.196 mm.其中,Z軸方向 (軸向)位移最大值為0.148 mm、X軸 (橫向)方向位移最大值為0.029 mm,所有位移變形都在允許的位移范圍內(nèi),整個回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)剛度均滿足要求.

2 回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)輕量化設(shè)計

2.1 Optistruct模塊輕量化原理[12]

基于Hyperwork軟件中的Optistruct模塊具有強大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,支持全面的優(yōu)化類型,包括拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化,通過各種內(nèi)部優(yōu)化功能可以尋找較優(yōu)的尺寸結(jié)果,從而實現(xiàn)機構(gòu)的輕量化要求.

其中,軟件內(nèi)部尺寸優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型為

式中：X＝(x1,x2,…,xn)是設(shè)計變量；XL和XU是設(shè)計變量X的上下限；f(X)是設(shè)計目標；gj(X)和hk(X)是需要進行約束的設(shè)計響應(yīng).

2.2 尺寸優(yōu)化

對回轉(zhuǎn)平臺的強度分析結(jié)果可知,采用尺寸優(yōu)化的輕量化方法可以在滿足整體強度的同時較好地實現(xiàn)輕量化目標.依據(jù)以上的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,文中通過在Optistruct模塊中定義離散變量X＝(x1,x2,…,xn),其中,XL和XU厚度取1.0～20 mm上下限內(nèi)的值,增量定義為1 mm,模型的設(shè)計目標f(X)為質(zhì)量最小,即：Minmize：f(X)＝f(x1,x2,…,xn)＝Mmin,定義優(yōu)化模型的設(shè)計響應(yīng)為強剛度工況.模型經(jīng)優(yōu)化分析仿真計算得到回轉(zhuǎn)平臺各結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化后的厚度分布圖,如圖4所示.其中,優(yōu)化前后的厚度變化情況如表3所示,分析后可以得到各部件優(yōu)化結(jié)果如表4所示.

圖4 優(yōu)化后厚度分布圖Fig.4 Optimized thickness distribution

表3 優(yōu)化前后的厚度變化情況Table 3 Thickness variation of the optimized front and rear

表4 各部件優(yōu)化表Table 4 Optimization of parts

由表4可以知道,對回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)中舉升油缸座加強梁、180°彎頭和變形三通座等結(jié)構(gòu)的厚度尺寸優(yōu)化,可以實現(xiàn)整個回轉(zhuǎn)平臺總質(zhì)量從原質(zhì)量827.2 kg降低到優(yōu)化后質(zhì)量757.7 kg,輕量化前后質(zhì)量減輕69.5 kg,輕量化程度達到8.4%,輕量化效果較為明顯有效.

2.3 優(yōu)化后的強度剛度分析

尺寸優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)實現(xiàn)了較高輕量化目標要求,對優(yōu)化后的整個回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)進行強剛度結(jié)構(gòu)可靠性校核,應(yīng)力分析結(jié)果輸出如圖5所示.

觀察圖5發(fā)現(xiàn)整個回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)的最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)支撐下部受壓的一側(cè)值為282.8 MPa,小于其材料的屈服強度345 MPa,回轉(zhuǎn)平臺的強度校核滿足材料結(jié)構(gòu)可靠性要求.

回轉(zhuǎn)機構(gòu)位移變形量輸出如圖6所示,通過對比發(fā)現(xiàn),變形最大位移出現(xiàn)在舉升油缸座加強梁,位移值為0.327 mm.其中,Z軸方向位移最大值為0.22 mm(＜0.25 mm),X軸方向位移最大值為0.0263 mm(＜0.08 mm),變形的軸向和橫向位移均未超出間隙要求,回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)的剛度滿足結(jié)構(gòu)可靠性要求.

通過以上分析校核得知,優(yōu)化后回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)強剛度校核分析滿足實際結(jié)構(gòu)的強剛度要求.

圖5 優(yōu)化后應(yīng)力分布情況Fig.5 Distribution of stress after optimization

圖6 優(yōu)化后位移變形情況Fig.6 Displacement deformation after optimization

3 結(jié)語

針對某款大流量排水搶險專用水泵車的回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)進行了輕量化研究設(shè)計,設(shè)計結(jié)果使該回轉(zhuǎn)平臺機構(gòu)的總質(zhì)量在輕量化前后減輕了69.5 kg,輕量化程度達到8.4%.依據(jù)強剛度結(jié)構(gòu)可靠性要求對輕量化后的回轉(zhuǎn)平臺進行了安全校核,通過分析可知優(yōu)化后回轉(zhuǎn)平臺較好地完成了輕量化的可行性驗證.研究結(jié)果在實踐工程應(yīng)用中具有較好的實踐指導(dǎo)和參考意義.

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Design of a Lightweight Rotary Platform for Special Pump Vehicles

PENG Qian1，LAN Ping-hui1，QUE Bin-yuan2，WANG Fang1
（1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Fujian Qiaolong Special Purpose Vehicle Co.Ltd.，Longyan 364000，China）

The finite element model of a rotary platform for special pump vehicles was designed using Optistruct to decide thickness of the rotary mechanism and its strength and stiffness was analyzed to verify feasibility of this lightweight design.The results show that the improved thickness of the 180°elbow，the strengthening beam of the lifting oil cylinder bridge and the deformation tee meets the requirements of reliability of the platform strength and stiffness，and at the same time reduces the weight of the platform from 827.2 kg to 757.7 kg by 8.4%，making it a remarkable lightweight design.The design provides useful references for relevant improving rotary platform mechanism for special pump vehicles.

vehicle；reliability；lightweight；finite element method

U462.2

A

1673－4432（2015）05－0007－05

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015－07－25

2015－10－20

國家外專局高端外國專家項目 (GDT20153600065)；廈門理工學(xué)院對外科技合作交流專項(E2014039)；廈門理工學(xué)院高層次人才項目 (YJK13002R)

彭倩 (1983－),男,講師,博士,研究方向為車輛安全、結(jié)構(gòu)輕量化.E-mail：2012110804＠xmut.edu.cn