摘要：旅客登機(jī)車主要用于旅客登機(jī)作業(yè)，整車結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，為保證旅客安全登機(jī)，需要對(duì)整車結(jié)構(gòu)有很高的可靠性要求。通過有限元分析的方法，對(duì)KT58階梯式旅客登機(jī)車整車強(qiáng)度及剛度進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ANSYS;有限元;旅客登機(jī)車;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U462收稿日期：2022-04-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.08.010

1 前言

某公司自主研發(fā)的KT58階梯式旅客登機(jī)車（以下簡(jiǎn)稱KT58客梯車），是為旅客提供上下飛機(jī)服務(wù)的專用設(shè)備，是為飛機(jī)提供地面服務(wù)的機(jī)場(chǎng)必備特種作業(yè)車輛。當(dāng)飛機(jī)無法對(duì)接旅客登機(jī)橋時(shí)，客梯車是保證旅客及機(jī)務(wù)人員上下飛機(jī)的主要工具。KT58客梯車整車結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，為保證旅客安全登機(jī)，需要對(duì)整車結(jié)構(gòu)有很高的可靠性要求。

張積洪等對(duì)客梯車的中置雙液壓油缸直推式舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)液壓缸最大工作壓力進(jìn)行優(yōu)化;李亞博2根據(jù)行駛特點(diǎn)，對(duì)船用客梯車車架在彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)工況下做了分析，并對(duì)車架質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化;林奎3對(duì)客梯車的剪叉式主升降結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析。以上研究對(duì)現(xiàn)有客梯車客梯整體的強(qiáng)度分析較少，無法為客梯車的整體設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供充足的理論依據(jù)。因此，本文通過建立客梯完整三維模型，通過有限元法對(duì)客梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，為后續(xù)客梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 有限元建模

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

KT58客梯車主要由自制底盤、梯身總成、起升機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。

底盤車架為框架式整體焊接結(jié)構(gòu)，車架前部安裝駕駛室，中部安裝動(dòng)力系統(tǒng)總成，升降機(jī)構(gòu)及固定梯通過鉸接的方式安裝于車架上，燃油箱及液壓油箱通過支架安裝于車架縱梁兩側(cè)，整個(gè)車架通過鋼板彈簧與前后車橋連接。

梯身總成主要包括固定梯、滑動(dòng)梯、尾梯、鎖止機(jī)構(gòu)、推舉油缸等。固定梯和滑動(dòng)梯之間的相對(duì)滑動(dòng)通過推舉油缸的舉升、起升油缸的舉升及滾輪機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)滑動(dòng)梯舉升到指定位置后，通過鎖止機(jī)構(gòu)的棘爪與滑動(dòng)梯上的限位塊進(jìn)行鎖止，防止滑動(dòng)梯下滑。整個(gè)梯身總成主要靠起升機(jī)構(gòu)和鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行支撐。起升機(jī)構(gòu)主要包括起升油缸、連接架、支撐架、限位支架等。

KT58客梯車整車主體承載結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 材料參數(shù)

KT58客梯車的固定梯、滑動(dòng)梯左右梯梁、導(dǎo)軌等的材質(zhì)為HG70;底盤車架左右縱梁、橫梁、液缸支座、板簧支座等結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為Q345D;滾輪及棘爪材料為45鋼;銷軸及軸套材料為40Cr。各種材料的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

2.3 分析工況

根據(jù)實(shí)際的登機(jī)作業(yè)情況，結(jié)合《MH/T 6029-2014旅客登機(jī)梯》的要求41，靜強(qiáng)度計(jì)算共包含四個(gè)工況，如表2所示。

2.4 失效準(zhǔn)則

由于KT58客梯車主要結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)度板材、型材焊接而成，根據(jù)材料力學(xué)的有關(guān)知識(shí)，應(yīng)采用第四強(qiáng)度理論作為材料失效的評(píng)判依據(jù)。

第四材料強(qiáng)度理論認(rèn)為，畸變能是引起材料屈服的原因，材料破壞之前會(huì)經(jīng)歷明顯的屈服變形，例如碳鋼的扭轉(zhuǎn)破壞和拉斷破壞。第四強(qiáng)度理論表示為：

式中σ為第四強(qiáng)度理論等效應(yīng)力強(qiáng)度，又稱馮·米塞斯應(yīng)力（Von-Mises）;為三個(gè)方向的主應(yīng)力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，可將強(qiáng)度條件寫為：

式中，[σ]為材料許用應(yīng)力，MPa;σ為材料屈服強(qiáng)度，為安全系數(shù)。

本次計(jì)算分析采用“評(píng)估安全系數(shù)=許用應(yīng)力/等效應(yīng)力”的方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)評(píng)估安全系數(shù)大于等于1時(shí)，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，當(dāng)評(píng)估安全系數(shù)小于1時(shí)，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不符合要求。

根據(jù)旅客登機(jī)車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，工況3與工況1最大位移差不能超過50mm。

2.5 有限元模型

以KT58客梯車整車結(jié)構(gòu)作為有限元分析模型，梯身主體及底盤車架主體采用殼單元，液壓油缸采用實(shí)體單元，鉸接位置采用鉸接單元[6]，底盤車架相關(guān)部件采用質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行模擬。整個(gè)模型共離散為46.8萬單元，48.4萬節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖2所示。

2.6 約束方式

根據(jù)客梯車實(shí)際的作業(yè)情況，四個(gè)支腿油缸支腳盤約束三個(gè)方向平動(dòng)自由度和三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，支腿油缸缸桿球形末端與支腳盤的球形接觸面設(shè)置球鉸，限制三個(gè)方向的平動(dòng)，放開轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

2.7 加載方式

整車自重采用一倍的重力加速度進(jìn)行加載，上平臺(tái)、過渡平臺(tái)及臺(tái)階上的載荷，采用在臺(tái)階花紋鋁板以及臺(tái)階框架表面加載均布?jí)毫Φ姆绞竭M(jìn)行。

加載數(shù)據(jù)如表3所示，以工況3為例，加載方式如圖4所示。

3 分析計(jì)算結(jié)果

KT58客梯車工況1～工況4的整體位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4，工況1與工況3整體位移云圖如圖5～圖6所示。

KT58客梯車主要結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力極值位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5，等效應(yīng)力較大位置主要分布在滑動(dòng)梯梯架與起升機(jī)構(gòu)滾輪接觸位置、固定梯梯梁與滑動(dòng)梯滾輪接觸位置、底盤車架尾部與固定梯鉸接銷軸安裝座焊接位置，最大等效應(yīng)力為238.60 MPa，發(fā)生在工況3，位于固定梯梯梁與滑動(dòng)梯滾輪接觸位置，評(píng)估安全系數(shù)為1.24。最小評(píng)估安全系數(shù)為1.00，發(fā)生在工況3，位于滑動(dòng)梯梯架與起升機(jī)構(gòu)滾輪接觸位置，等效應(yīng)力為171.95MPa。工況3等效應(yīng)力云圖如圖7～圖9所示。

4 結(jié)語

a.根據(jù)靜強(qiáng)度計(jì)算工況1～工況4的計(jì)算結(jié)果，KT58客梯車各結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力均未超出相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，整體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

b.工況3與工況1最大合位移差為48.95mm，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張積洪，劉洪濤.可變軸距客梯車舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（12）：177-180.

[2]李亞博.船用客梯車車架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]林奎.新型客梯車叉架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[4]MH/T6029-2014 旅客登機(jī)梯[S].

[5]劉鴻文.材料力學(xué)[M].6版.北京：高等教育出版社，2017.

[6]劉笑天.ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)工程高級(jí)應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2015.

作者簡(jiǎn)介：

隋曉東，男，1984年生，工程師，研究方向?yàn)榭崭鄣孛嫜b備、消防裝備的仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)。