劉　鋼，涂群章，潘　明，李　沛，賴喜濤，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）

多用途搶險救援車輛是針對我國災(zāi)害事件的多樣性和復(fù)雜性特點，以及應(yīng)急裝備落后的情況而設(shè)計。形成一批應(yīng)急救援裝備，建立高機動多功能應(yīng)急救援裝備標(biāo)準(zhǔn)體系，才能為全面提升我國公共安全保障能力提供有力的科技支撐。目前對于重型車輛的車橋的性能要求越來越高，為了提高強度和剛度，現(xiàn)使用的是現(xiàn)代設(shè)計方法，并且用有限元法對于車橋橋殼進行分析。車輛的驅(qū)動橋殼是車輛的主要承載構(gòu)件之一，由于搶險救援車輛經(jīng)過的路面地形比較復(fù)雜，路面條件較差，車輛行駛過程中會產(chǎn)生較大的動載荷，對驅(qū)動橋的承載能力提出了更高的要求，局部的應(yīng)力會導(dǎo)致驅(qū)動橋殼的變形[1]，車橋受力過大會導(dǎo)致斷裂。設(shè)計的時候，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。

針對某型高機動應(yīng)急救援車輛，課題組設(shè)計了其驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)，本文擬對驅(qū)動橋殼進行應(yīng)力和變形進行相應(yīng)的分析[2]，為下一步驅(qū)動橋殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進打下基礎(chǔ)。

一般情況下，在對橋殼進行設(shè)計的過程中，可以將驅(qū)動橋殼看成簡支梁來進行簡化計算，求出斷面的最大應(yīng)力值，運用有限元能夠很好地解決此類問題[3]。計對橋殼比較復(fù)雜，這樣計算工作量比較龐大，所以需要對一些不重要的構(gòu)件進行簡化，其中包括：對一些不重要的尺寸忽略不計，對于焊接處材料性質(zhì)忽略其變化；忽略在生產(chǎn)過程中橋殼材料的不均質(zhì)[3]。表1為驅(qū)動橋殼材料特性。橋殼在SolidWorks中進行建模，完成后將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中[5]，并進行網(wǎng)格劃分，得到355 591個節(jié)點數(shù)和215 582個單元，最后得到有限元模型，如圖1所示。

表1　驅(qū)動橋殼的材料特性

圖1　驅(qū)動橋橋殼有限元模型

1　車橋有限元模型

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

2　對橋殼的結(jié)構(gòu)和強度進行計算和有限元分析

2.1　四種工況下的計算[3]

（1）最大垂向力工況

多用途搶險救援車輛以較高的速度行駛在凹凸不平路面時，驅(qū)動橋殼除了受到靜載荷外，還受到相應(yīng)的沖擊載荷[6]，此時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為該救援車輛靜止時，驅(qū)動橋所受的重力；δ為動載荷系數(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（車輛最大載荷為24 t.這里取最大值一半）。

（2）最大驅(qū)動力工況

多用途搶險救援車輛在牽引力達到最大時直行，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)動力，橋殼的一端所受到的垂直向下的力為：

式中，α為車輛行駛時后橋的負載轉(zhuǎn)移系數(shù)，取1.2.

車橋所受到的最大驅(qū)動力為：

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

（3）最大制動工況

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

式中，χ為車輛行進過程中驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

一端橋殼所受的制動力達到最大為：

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

多用途搶險救援車輛在需要急轉(zhuǎn)彎的時候，進行急轉(zhuǎn)，車輛發(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　針對不同的工況確定邊界約束條件和加載方式

針對前述四種工況來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　對四種工況下橋殼結(jié)構(gòu)強度進行計算分析

（1）最大垂向力工況

當(dāng)達到最大垂向力時，用有限元分析軟件對模型進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)動力工況

當(dāng)在最大驅(qū)動力下工作時，用有限元分析軟件對模型進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)動力工況等效應(yīng)力圖

圖5　最大驅(qū)動力工況位移圖

該工況下驅(qū)動橋殼的最大應(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）最大制動力工況

當(dāng)進行制動，制動力達到最大時，用有限元分析軟件對模型進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　最大制動力工況等效應(yīng)力圖

圖7　最大制動力工況位移圖

該工況下驅(qū)動橋殼的最大應(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，用有限元分析軟件對模型進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《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標(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度345 MPa.最大位移0.504 08 mm符合要求。2）在最大驅(qū)動力工況下，最大應(yīng)力為156.34 MPa，小于小于橋殼體材料的屈服強度。最大位移1.1573 mm符合要求。3）在最大制動力工況下，最大應(yīng)力為67.695 MPa，小于橋殼體材料的屈服強度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度785 MPa.最大位移0.24315 mm符合設(shè)計要求。

3　結(jié)束語

通過以上的計算研究可知：（1）經(jīng)過靜力學(xué)計算分析，設(shè)計的驅(qū)動橋橋橋殼滿足各工況下所需的強度和剛度的要求。

（2）使用三維制圖軟件SolidWorks設(shè)計橋殼，具有便捷的特點。在運用ANSYS Workbench進行分析的時候更能模擬出各工況下的情況，也能更好地幫助設(shè)計者進行分析。

（3）可以進一步對橋殼進行模態(tài)分析和動態(tài)應(yīng)力分析，在此基礎(chǔ)上進行橋殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，最大限度地節(jié)約成本，使結(jié)構(gòu)達到要求。