專用水泵車回轉(zhuǎn)平臺(tái)輕量化設(shè)計(jì)

彭 倩，藍(lán)平輝，闕彬元，王 方

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)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(tái)輕量化設(shè)計(jì)

彭 倩1，藍(lán)平輝1，闕彬元2，王 方1

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)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(xiǎn)專用車，建立其回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的有限元模型，采用Optistruct軟件對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)尺寸厚度進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，通過強(qiáng)剛度分析驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果可行性.結(jié)果表明：分別對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的180°彎頭、舉升油缸座加強(qiáng)梁和變形三通座尺寸厚度改進(jìn)，不僅可以達(dá)到平臺(tái)強(qiáng)剛度結(jié)構(gòu)可靠性要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)質(zhì)量從原來827.2 kg降低到757.7 kg，輕量化程度達(dá)到8.4%，研究結(jié)果為改進(jìn)相關(guān)專用水泵車回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)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(gè)省會(huì)城市及地區(qū)受到不同嚴(yán)重程度的洪澇災(zāi)害［1－4］.在洪澇災(zāi)害到來第一時(shí)間完成搶險(xiǎn)排水工作,對(duì)整個(gè)搶險(xiǎn)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(xiǎn)、應(yīng)急排洪救險(xiǎn)等緊急任務(wù)的特種搶險(xiǎn)作業(yè)車輛［5］.其中,專用車上的回轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)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(guó)內(nèi)專用車關(guān)于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮通過平臺(tái)大質(zhì)量來抵抗因回轉(zhuǎn)平臺(tái)工作機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的大扭矩和大傾覆力矩,從而造成整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)過于笨重,影響整車的可靠性.同時(shí),過于笨重的回轉(zhuǎn)平臺(tái)將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力增加,驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜,進(jìn)而增加生產(chǎn)成本［6－9］.針對(duì)以上專用車回轉(zhuǎn)平臺(tái)面臨的不足,本文基于某款大流量排水搶險(xiǎn)專用水泵車,采用有限元方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)模型的建立

排水搶險(xiǎn)專用車回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)由上回轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承和下回轉(zhuǎn)臺(tái)組成.其中,上回轉(zhuǎn)平臺(tái)由180°彎頭和舉升油缸座加強(qiáng)梁等若干構(gòu)件組成,下回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(jiǎn)單單動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式的前置布置結(jié)構(gòu).整個(gè)機(jī)構(gòu)通過上回轉(zhuǎn)平臺(tái)的180°彎頭和舉升油缸座加強(qiáng)梁實(shí)現(xiàn)工作設(shè)備的舉升和支撐運(yùn)動(dòng)作,由回轉(zhuǎn)支撐中的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向左、向右180°自由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要求,所有上部工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)均在下回轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)算運(yùn)行時(shí)間,為了提高有限元分析模型的計(jì)算效率,在專用車回轉(zhuǎn)平臺(tái)三維幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn),對(duì)整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)骨架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)有限元模型如圖1所示.

表1 有限元網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)Table 1 FEM standards

圖1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)有限元模型Fig.1 FEM of rotary platform mechanism

回轉(zhuǎn)平臺(tái)承受工作機(jī)構(gòu)帶來的動(dòng)態(tài)載荷并傳遞給專用車底盤,致使平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜.模型采用殼單元、實(shí)體單元和剛性單元等模擬回轉(zhuǎn)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu).為了提高計(jì)算精度減少計(jì)算時(shí)間,網(wǎng)格大小采用10～15 mm,板件厚度與實(shí)際情況一致,模型總單元數(shù)為188 847,節(jié)點(diǎn)數(shù)為63 789.機(jī)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(qiáng)度剛度分析

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

仿真試驗(yàn)在回轉(zhuǎn)平臺(tái)的極限工況條件 (試驗(yàn)測(cè)得所需的仿真輸入載荷值)進(jìn)行強(qiáng)剛度邊界條件設(shè)置,通過給回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(shí),對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的箱體底部6個(gè)自由度進(jìn)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(jì)算結(jié)果可知,整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(shí)的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度345 MPa.應(yīng)力在許用材料強(qiáng)度范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)完整未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象.對(duì)整個(gè)強(qiáng)度分析過程發(fā)現(xiàn),由回轉(zhuǎn)平臺(tái)以上部分結(jié)構(gòu)引起的扭矩對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的應(yīng)力和變形影響不大,而回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(jì)出滿足工作條件的回轉(zhuǎn)平臺(tái).

在回轉(zhuǎn)平臺(tái)的靜態(tài)剛度要求方面,國(guó)內(nèi)還沒有一個(gè)嚴(yán)格的校核標(biāo)準(zhǔn).因?yàn)榛剞D(zhuǎn)平臺(tái)的靜態(tài)剛度最重要的是滿足回轉(zhuǎn)支承平穩(wěn)運(yùn)行條件,即移動(dòng)水泵車在額定載荷作用下,回轉(zhuǎn)支承要平穩(wěn)運(yùn)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(zhǔn)則,即回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(jì)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(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的位移變形量發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的變形最大位移出現(xiàn)在舉升油缸座加強(qiáng)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(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度均滿足要求.

2 回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

2.1 Optistruct模塊輕量化原理[12]

基于Hyperwork軟件中的Optistruct模塊具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能,支持全面的優(yōu)化類型,包括拓?fù)鋬?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?jī)?yōu)化功能可以尋找較優(yōu)的尺寸結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的輕量化要求.

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

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

2.2 尺寸優(yōu)化

對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)較好地實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo).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(jì)目標(biāo)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(jì)響應(yīng)為強(qiáng)剛度工況.模型經(jīng)優(yōu)化分析仿真計(jì)算得到回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)中舉升油缸座加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(dá)到8.4%,輕量化效果較為明顯有效.

2.3 優(yōu)化后的強(qiáng)度剛度分析

尺寸優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較高輕量化目標(biāo)要求,對(duì)優(yōu)化后的整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)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(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)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(qiáng)度345 MPa,回轉(zhuǎn)平臺(tái)的強(qiáng)度校核滿足材料結(jié)構(gòu)可靠性要求.

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位移變形量輸出如圖6所示,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),變形最大位移出現(xiàn)在舉升油缸座加強(qiáng)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(tái)機(jī)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(tái)機(jī)構(gòu)強(qiáng)剛度校核分析滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(duì)某款大流量排水搶險(xiǎn)專用水泵車的回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了輕量化研究設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果使該回轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)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(dá)到8.4%.依據(jù)強(qiáng)剛度結(jié)構(gòu)可靠性要求對(duì)輕量化后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行了安全校核,通過分析可知優(yōu)化后回轉(zhuǎn)平臺(tái)較好地完成了輕量化的可行性驗(yàn)證.研究結(jié)果在實(shí)踐工程應(yīng)用中具有較好的實(shí)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(guó)家外專局高端外國(guó)專家項(xiàng)目 (GDT20153600065)；廈門理工學(xué)院對(duì)外科技合作交流專項(xiàng)(E2014039)；廈門理工學(xué)院高層次人才項(xiàng)目 (YJK13002R)

彭倩 (1983－),男,講師,博士,研究方向?yàn)檐囕v安全、結(jié)構(gòu)輕量化.E-mail：2012110804＠xmut.edu.cn