關(guān)鍵詞：搜救車；地震；救援；ANSYS；模態(tài)分析；靜力學(xué)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：P315.9；U469.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào):1003-5168（2025)12-0043-06

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.009

APost-EarthquakeSearchand RescueVehiclewith Optimized Structure based on Ansys Analysis

WU YishengSUN ZhaoXU BingWU FengXIA Junran (Schoolof Mechanical Engineering，Chaohu University，Chaohu 238Ooo，China)

Abstract: [Purposes] In view of the frequent occurrence of earthquakes in China and the post-disaster manpower shortages，this study designs a search and rescue vehicle based on ANSYS to alleviate postearthquake pressure and eliminate potential dangers.[Methods] The search and rescue vehicle is mainly composed of a six-wheel rocker arm suspension structure，a mechanical anti-shake stabilizer，a rescue supply storage box，and an alarm device.In order to ensure the stability and reliability of the search and rescue vehicle during driving，ANSYS software was employed to analyze the structural performance of the search and rescue vehicle and conduct lightweight design.[Findings] The results of finite element analysis show that the body structure design of the search and rescue vehicle is reasonable and meets the strength requirements.[Gonclusions] The designed search and rescue vehicle has effective significance and application potential in obstacle negotiation，manpower conservation and safety assurance，which provides a reference for the structural optimization design of search and rescue vehicles after earthquakes.

Keywords: search and rescue vehicles; earthquake; rescue; ansys; modal analysis; static analysis; structural optimization

0 引言

地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜、道路損毀，各類次生災(zāi)害頻發(fā)，救援人員開展救援行動(dòng)困難，救援裝備成為救災(zāi)應(yīng)急力量體系的重要組成部分。但大型裝備無法快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)、環(huán)境難以勘測(cè)，導(dǎo)致受災(zāi)及救援人員生命安全受到嚴(yán)重威脅。侯鑫新等設(shè)計(jì)了一種震后搜救警報(bào)車，該警報(bào)車具有小型化、多功能化和智能化的特點(diǎn)，替代救援人員獨(dú)自進(jìn)入高危的自然災(zāi)害環(huán)境執(zhí)行救援探測(cè)任務(wù)。

為提高救援效率，降低救援人員進(jìn)入受災(zāi)地區(qū)時(shí)面臨的風(fēng)險(xiǎn)，本研究設(shè)計(jì)了一款采用六輪搖臂懸架系統(tǒng)和機(jī)械防抖裝置進(jìn)行實(shí)地探測(cè)的搜救車。該搜救車可以靈活跨越崎嶇的地形并保持鏡頭的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)快速探測(cè)。

1工作原理及裝置設(shè)計(jì)方案

1.1車架的工作原理

搜救車車架采用六輪驅(qū)動(dòng)主副搖臂懸架形式，圖1為車架運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由主搖臂、副搖臂、夾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、離合器、差動(dòng)軸及車輪組成。主搖臂是懸架系統(tǒng)的重要組成部分，其一端連接在車架上，另一端與副搖臂相連，可以繞與車架連接的軸實(shí)現(xiàn)一定角度的擺動(dòng)[3]。夾角調(diào)整機(jī)構(gòu)可改變長臂和短臂之間的夾角，使長臂和短臂可以靈活擺動(dòng)，在跨越障礙時(shí)抬高車身高度，實(shí)現(xiàn)輕松跨越。副搖臂連接在主搖臂和車輪之間，其與主搖臂連接處安裝有離合器。通過打開、閉合離合器，可以實(shí)現(xiàn)主副搖臂間自由度的釋放和鎖死。副搖臂的存在進(jìn)一步增加了懸架系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)主搖臂擺動(dòng)時(shí)，副搖臂可以根據(jù)車輪與主搖臂的相對(duì)位置進(jìn)行二次調(diào)整，從而更精準(zhǔn)地適應(yīng)地形變化[4-5]

1.2機(jī)械防抖裝置工作原理

搜救車運(yùn)動(dòng)時(shí)，防抖裝置采用內(nèi)置傳感器檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和抖動(dòng)。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)感知設(shè)備在三維空間中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)會(huì)被傳送到設(shè)備的控制單元?？刂茊卧治鲞@些數(shù)據(jù)，計(jì)算出需要的補(bǔ)償量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果生成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。機(jī)械防抖裝置通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)云臺(tái)或懸掛系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備，反向抵消檢測(cè)到的抖動(dòng)。電機(jī)能夠快速響應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行高精度的物理調(diào)整，保持設(shè)備穩(wěn)定。通過實(shí)時(shí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整，機(jī)械防抖裝置能夠在拍攝過程中持續(xù)進(jìn)行抖動(dòng)校正，確保圖像和視頻的穩(wěn)定性[6。圖2為機(jī)械防抖裝置示意。

機(jī)械防抖技術(shù)通過物理調(diào)整設(shè)備位置，不會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行裁剪或其他處理，具有高精度防抖、全面的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及不影響圖像質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。這種防抖方式特別適合專業(yè)攝影設(shè)備，以及需要高穩(wěn)定性拍攝的場(chǎng)景。

1.3搜救車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的多功能地震搜救車能夠完成地震救援過程中人員探測(cè)、物資運(yùn)輸、鏡頭探測(cè)等任務(wù)。該搜救車采用六輪搖臂懸架結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)前后、左右移動(dòng)及原地旋轉(zhuǎn)等全向組合運(yùn)動(dòng)。通過設(shè)計(jì)的機(jī)械防抖裝置可有效抑制圖像采集過程中的鏡頭抖動(dòng)，并配備鏡頭固定裝置以防止移動(dòng)過程中鏡頭脫落。救援車內(nèi)還設(shè)有存放救援物品的儲(chǔ)存箱，并安裝了警報(bào)裝置，以便在發(fā)現(xiàn)受災(zāi)人員時(shí)可以提醒救援人員。圖3為震后搜救警報(bào)車模型。

2搜救車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搜救車車架采用六輪驅(qū)動(dòng)的主副搖臂懸架系

1.軸承；2.車身；3.防抖裝置；4.鏡頭固定裝置；5.警報(bào)器；6.車廂；7.車輪架；8.電機(jī)。

統(tǒng)，6個(gè)車輪均勻分布在車架的兩側(cè)，呈對(duì)稱布局。每個(gè)車輪分別配置了啟動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)某一車輪發(fā)生故障時(shí)，主副搖臂協(xié)同作業(yè)將故障車輪抬起，以免損壞輪胎，并通過其他車輪繼續(xù)執(zhí)行移動(dòng)探測(cè)任務(wù)，從而提升搜救車的故障容錯(cuò)能力和使用壽命。圖4為車架模型。

2.2機(jī)械防抖裝置

機(jī)械防抖裝置通過機(jī)器內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定的效果。該裝置通過物理調(diào)整設(shè)備位置，不會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行裁剪或其他處理。這種防抖方式特別適合專業(yè)攝影設(shè)備和需要高穩(wěn)定性拍攝的場(chǎng)景。相比于數(shù)字圖像處理防抖技術(shù)，機(jī)械防抖具有實(shí)時(shí)性好、對(duì)處理速度和功耗要求低等優(yōu)點(diǎn)。目前，機(jī)械防抖技術(shù)已在智能手機(jī)、無人機(jī)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為保證拍攝畫面穩(wěn)定的重要技術(shù)之一。圖5為機(jī)械防抖裝置模型。

研究對(duì)搜救車的主要受力位置及關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析。應(yīng)用ANSYSWorkbench2021R1有限元分析軟件，分析搜救車的動(dòng)靜態(tài)特性，以驗(yàn)證搜救車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、穩(wěn)定性和可靠性。

3.1車身有限元模型建立

搜救車車身是重要的承載部件，運(yùn)動(dòng)過程中要保證其強(qiáng)度。搜救車采用Q235鋼材料，材料密度為 7.85g/cm³ ，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為 235MP ，彈性模量為 2.01e11N/m² 。在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為提高計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果的可靠性，將主要承受載荷的上端面網(wǎng)格邊長設(shè)為 3mm ，其余邊長設(shè)為 5mm 。采用程序控制的方法進(jìn)行自動(dòng)劃分，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖6所示，得到111281個(gè)節(jié)點(diǎn)與55047個(gè)單元7]。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以幫助了解結(jié)構(gòu)的共振頻率及振幅位置，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，是開展其他動(dòng)力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)。通過模態(tài)分析，可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)不同動(dòng)力載荷的響應(yīng)特性，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性、振動(dòng)故障診斷及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[8]。搜救車車身前六階模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示，其固有頻率及振型位置見表1。

小

3關(guān)鍵部件有限元分析

為驗(yàn)證搜救車在結(jié)構(gòu)上是否滿足設(shè)計(jì)要求，本

分析前六階振型發(fā)現(xiàn)，最小頻率為 168.21Hz ，最大頻率為 1559.2Hz ，變形主要發(fā)生在車身前、后端面及底面，主要為有彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。第六階振

型中，上端面發(fā)生變形較大，在設(shè)計(jì)上端面時(shí)，可考慮增加幾何中心附近處的剛度和強(qiáng)度，提高搜救車使用性能[9-10]

3.3靜力學(xué)分析

對(duì)搜救車進(jìn)行靜力學(xué)分析可以得到其最大承載載荷。靜力學(xué)分析的網(wǎng)格劃分與模態(tài)分析相同，將車身與車架連接處設(shè)置為固定支撐，并使用NX12.0軟件賦予車身及車廂相應(yīng)的材料密度，計(jì)算得到重量為 824N 。隨后，對(duì)車身上端面受載部位施加3倍自重的載荷進(jìn)行求解。

由圖8和圖9可知，應(yīng)力集中點(diǎn)主要分布在車身上端面與側(cè)面的交會(huì)處，最大應(yīng)力為 122.53MP 。Q235鋼的許用應(yīng)力可以通過屈服極限除以安全系數(shù)來計(jì)算。屈服極限為 235MPa ，安全系數(shù)取1.6，可得Q235鋼的許用應(yīng)力為 147MP ○

車身受到的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。在變形方面，搜救車的變形量較小，車身與車架連接處變形在 0.003mm 以下，峰值出現(xiàn)在車身尾部，數(shù)值約 0.1mm ，分析小車實(shí)際工況，整體變形量均不是很大，可忽略不計(jì)。由此表明，車身剛度較高，符合設(shè)計(jì)要求[11-12]

3.4輕量化設(shè)計(jì)通過上述分析可以看出，車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。為保證搜救車在實(shí)際應(yīng)用中靈活輕便，本研究對(duì)車身進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。車身前后端面及側(cè)面的壁厚為 7.5mm ，下面將壁厚分別設(shè)置為 5mm 和 3mm 進(jìn)行靜力學(xué)分析，網(wǎng)格劃分和分析設(shè)置條件不變。

如圖10、圖11所示，壁厚為 5mm 時(shí)，車身受到的最大應(yīng)力為 124MPa ，最大變形為 0.15mm 。壁厚為 3mm 時(shí)，車身受到的最大應(yīng)力為 146MPa ，最大變形為 0.19mm ，此時(shí)最大應(yīng)力接近許用應(yīng)力，車身變形程度較大。從實(shí)用和安全性能考慮，車身壁厚應(yīng)為 5mm ，與原本的 7.5mm 壁厚相比，車身重量減輕了12N，可以看出搜救車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇方面還有提升的空間[13]。

4結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一種震后搜救車，能夠解決震后人力資源匱乏等問題，有效利用機(jī)械代替人工進(jìn)入受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)將受災(zāi)程度及危險(xiǎn)地帶等信息以圖像形式傳遞給救援人員，減少遇害風(fēng)險(xiǎn)。此外，本研究將機(jī)械防抖裝置、火星車車架、鏡頭固定裝置等進(jìn)行合理的創(chuàng)新結(jié)合，并對(duì)已有的相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠較好地解決拍攝畫面抖動(dòng)、不能適配多種型號(hào)攝像機(jī)、功能單一、耗費(fèi)電力大、成本高等問題，提高了搜救車在復(fù)雜地形的靈活度。并且，使用ANSYS軟件分析了搜救車的強(qiáng)度，確保設(shè)計(jì)的合理性，在完成工作要求的情況下，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，為未來震后救援提供了新的救援設(shè)備，對(duì)保障人類安全及生命財(cái)產(chǎn)具有重大意義。

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