沙麗榮 余 俊

(吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

自1892年馬基路斯公司生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)塔架式云梯消防車(chē)開(kāi)始[1],國(guó)外的云梯消防車(chē)發(fā)展歷史已有一百多年,并且世界各國(guó)消防車(chē)制造公司都根據(jù)市場(chǎng)要求,競(jìng)相推出新產(chǎn)品,消防車(chē)的技術(shù)性能和安全性能都有了很大程度的提高.

我國(guó)在云梯消防車(chē)研究方面起步較晚,其核心技術(shù)主要依靠進(jìn)口,與國(guó)外的同級(jí)別云梯消防車(chē)相比,無(wú)論是在質(zhì)量上還是在性能上都相差甚遠(yuǎn).云梯消防車(chē)上最為關(guān)鍵與核心的部位便是上部系統(tǒng)中的梯架結(jié)構(gòu) ,其性能是判斷云梯消防車(chē)產(chǎn)品層次的重要指標(biāo)之一.

本文從云梯消防車(chē)的梯架結(jié)構(gòu)入手,利用ANSYS軟件對(duì)云梯消防車(chē)的梯架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析,從而校核梯架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,為梯架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化提供理論依據(jù).

圖1 云梯消防車(chē)Fig.1 Aerial ladder truck

1 梯架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介與力學(xué)分析

一般將登高平臺(tái)消防車(chē)工作時(shí)的主要承載結(jié)構(gòu)分為上車(chē)系統(tǒng)和下車(chē)系統(tǒng).上車(chē)系統(tǒng)主要包括:消防系統(tǒng)、臂架和安全裝置等.下車(chē)系統(tǒng)主要包括:汽車(chē)底盤(pán)、支腿總成、副車(chē)架、電控系統(tǒng)、下車(chē)液壓等.除了上述結(jié)構(gòu)以外,云梯車(chē)的上車(chē)系統(tǒng)是可以進(jìn)行360°的水平旋轉(zhuǎn),豎直范圍類(lèi)似-12°～75°的俯仰運(yùn)動(dòng)[2].某云梯消防車(chē)工作圖見(jiàn)圖1.

1.1 云梯消防車(chē)梯架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

云梯消防車(chē)的梯架部分是云梯消防車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的主要部分[3],其上的主要部件包括:鋼結(jié)構(gòu)桁架、鋼絲繩和滑輪組.梯架結(jié)構(gòu)采用的是四節(jié)同步伸縮鋼材料桁架結(jié)構(gòu),梯架四端帶有工作斗.云梯消防車(chē)梯架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示.

圖2 云梯消防車(chē)梯架結(jié)構(gòu)Fig.2 Ladder structure of aerial ladder truck

圖3 載荷示意圖Fig.3 Load diagram

1.2 梯架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

云梯車(chē)的梯架結(jié)構(gòu)是本文的主要研究部分,梯架結(jié)構(gòu)所受的載荷主要包括:梯架自身重力FG,消防水重力FN,梯架慣性力FR,消防員重力FE,風(fēng)荷載FW,工作平臺(tái)重力FS,工作載荷力FL,梯架所受到的載荷情況見(jiàn)圖3所示.

通過(guò)對(duì)梯架結(jié)構(gòu)的局部載荷分析,進(jìn)而對(duì)整個(gè)梯架結(jié)構(gòu)進(jìn)行推導(dǎo),可以得出梯架結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)工況,即云梯處于水平全伸情況下,即變幅角為0°和伸縮量為最大時(shí),是本文的研究重點(diǎn).但是結(jié)合云梯車(chē)在實(shí)際工作時(shí)的情況,云梯車(chē)處于75°全伸的工作狀況也是不可忽略的,所以這也是本文的研究?jī)?nèi)容之一,暫且將這兩種工況稱(chēng)為工況1與工況2進(jìn)行分析研究.

2 ANSYS簡(jiǎn)介及有限元模型的建立

ANSYS軟件是由美國(guó)ANSYS公司研制的[4],集合了結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的有限元分析軟件,其主要包括三大模塊,即:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊.它不僅能夠獨(dú)立完成從模型的建立、模型網(wǎng)格的劃分到模型的仿真分析等一系列完整分析過(guò)程,同時(shí)還具有各種軟件接口,能夠?qū)⒉煌浖膬?yōu)點(diǎn)有效地結(jié)合起來(lái),大大提高工作效率,是目前非常重要的CAE工具.

圖4 梯架結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of ladder structure

2.1 有限元模型的建立

本文研究的云梯消防車(chē)梯架結(jié)構(gòu)材料為高強(qiáng)度70鋼,材料屬性:密度ρ=7.85×103kg/m3,彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3,屈服極限強(qiáng)度σs=700MPa.梯架結(jié)構(gòu)主要采用Beam188單元,網(wǎng)格單元大小劃分為100mm,為了防止應(yīng)力集中,在梯架結(jié)構(gòu)連接比較復(fù)雜的地方,對(duì)網(wǎng)格劃分做細(xì)化處理,尖角做平滑處理.所建有限元模型如圖4所示.

2.2 模型約束與載荷的施加

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[5]，靜力情況下，測(cè)試荷載應(yīng)為額定荷載的1.5倍，用梯架結(jié)構(gòu)的額定荷載450kg乘以安全系數(shù)1.5，可以得到梯架結(jié)構(gòu)的測(cè)試荷載為675kg.施加約束與荷載后的梯架結(jié)構(gòu)如圖5與圖6所示.

圖5 工況1約束與載荷Fig.5 Constraint and load under condition 1

圖6 工況2約束與載荷Fig.6 Constraint and load under condition 2

2.3 梯架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

梯架結(jié)構(gòu)在施加約束與荷載后,在ANASYS Workbench中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的計(jì)算,得到云梯架構(gòu)在這兩種工況下相應(yīng)的應(yīng)力云圖,分別如圖7和圖8所示.

圖7 工況1 梯架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Ladder structure stress nephogram under condition 1

圖8 工況2梯架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.8 Ladder structure stress nephogram under condition 2

根據(jù)以上ANSYS Workbench的分析可知,本文研究的梯架結(jié)構(gòu)在工況1下,施加測(cè)試荷載和約束后最大應(yīng)力為256.12MPa,而梯架在工況2下,其最大應(yīng)力為29.28MPa,是比較小的.因此，在驗(yàn)證梯架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度時(shí),主要是依據(jù)工況1的數(shù)據(jù).

3 梯架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度校核

3.1 梯架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

梯架結(jié)構(gòu)材料為高強(qiáng)度鋼70,屈服極限強(qiáng)度σs=700MPa,安全系數(shù)為2,則材料的許用應(yīng)力為:

[σ]=σs/2=350MPa

圖9 梯架結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.9 Cloud ladder fire truck displacement nephogram

對(duì)梯架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核.工況1和工況2條件下的梯架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分別為256.12MPa和29.28MPa,均小于材料的許用應(yīng)力350MPa,因此梯架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求.

3.2 梯架結(jié)構(gòu)剛度校核

云梯消防車(chē)在測(cè)試載荷下，其梯架位移云圖見(jiàn)圖9.從圖9中可以得出最大位移是0.27m.根據(jù)材料力學(xué)中剛度校核條件：

計(jì)算得出梯架結(jié)構(gòu)的最大位移與梯架結(jié)構(gòu)的跨長(zhǎng)之比為0.004 6，數(shù)值較小，控制在機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度許用位移值以?xún)?nèi)，因此，梯架結(jié)構(gòu)剛度滿(mǎn)足條件.

4 結(jié)論

(1) 對(duì)云梯消防車(chē)梯架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,總結(jié)得出工況1和工況2兩種典型工況.

(2) 對(duì)云梯消防車(chē)梯架結(jié)構(gòu)建立有限元模型,分析兩種工況下的應(yīng)力分布情況.

(3) 對(duì)兩種工況下的模型進(jìn)行強(qiáng)度與剛度校核,為梯架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論依據(jù).