機(jī)動(dòng)式系留氣球的錨泊車支腿受力及穩(wěn)定性分析

趙光明，潘 煥，劉 學(xué)

(三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100)

機(jī)動(dòng)式系留氣球作為一種多用途的空中平臺(tái)，通過搭載通訊、光電、中繼等各種任務(wù)設(shè)備，可完成各種特殊使命，具有覆蓋面積大、滯空時(shí)間長、部署靈活機(jī)動(dòng)和效能費(fèi)用比高四大特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[1-2]。

錨泊車是機(jī)動(dòng)式系留氣球的重要組成部分，主要用于系留氣球的錨泊、升空、滯空、回收等作業(yè)。通過水平支臂和系留塔展開后配合實(shí)現(xiàn)系留氣球在地面錨泊，通過主絞盤、萬向滑輪釋放和收卷系留纜繩實(shí)現(xiàn)系留氣球的升空、滯空和回收[3]。

錨泊車和起重機(jī)、混凝土泵車等眾多工程機(jī)械一樣都設(shè)計(jì)有展開式支腿，以提高系留氣球不同工況下錨泊車的穩(wěn)定性。錨泊支腿受力的大小一方面對(duì)支腿、車架等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有直接影響，另一方面可用于判斷整車的工作穩(wěn)定性，因此準(zhǔn)確計(jì)算出系留氣球工作過程中錨泊車錨泊支腿的受力變化及最大受力值對(duì)錨泊車的設(shè)計(jì)具有重要意義。錨泊車各支腿受力大小一方面隨著錨泊上裝旋轉(zhuǎn)而不斷變化，另一方面受系留氣球工作狀態(tài)、風(fēng)載等的重大影響，使得利用傳統(tǒng)方法計(jì)算十分困難。為此，本文提出利用ADAMS軟件來仿真計(jì)算錨泊車支腿的受力。

1 ADAMS簡介及仿真建模

1.1 ADAMS簡介

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)是美國 MDI 公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。該軟件集建模、求解、可視化技術(shù)于一體，具備靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析功能，并可輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等，是目前適用范圍最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件[4]。

1.2 產(chǎn)品建模

錨泊車可分為整體式和半掛車式。整體式錨泊車可自行移動(dòng)，錨泊設(shè)施與底盤集成為一體，不需脫離；半掛車式錨泊車需要牽引車牽引，到達(dá)工作場地后需與牽引車脫離。錨泊車由可旋轉(zhuǎn)的錨泊上裝和不旋轉(zhuǎn)的下裝兩部分組成。錨泊上裝包括系留塔、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承、水平支臂、萬向滑輪、主絞盤、控制室等，下裝包括半掛車、配電箱、支腿等。錨泊上裝隨系留氣球在風(fēng)載的作用下共同順槳。本文以某半掛車形式的錨泊車為例進(jìn)行分析，該錨泊上裝質(zhì)量為23.4 t，下裝質(zhì)量為14.1 t，其建模參數(shù)如圖1所示。

圖1 錨泊車展開狀態(tài)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)錨泊車結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)，建立錨泊車的簡易模型(如圖2所示)，并將錨泊車簡易模型導(dǎo)入ADAMS軟件中。在錨泊車上裝與下裝間定義轉(zhuǎn)動(dòng)副，由于工作場地多為正常硬質(zhì)地面，故可將錨泊支腿和地面的作用按照接觸副進(jìn)行設(shè)定。為計(jì)算極限工況，不考慮輪胎、半掛車支撐腿與地面的接觸。

圖2 錨泊車動(dòng)力學(xué)模型

1.3 仿真參數(shù)設(shè)定

根據(jù)錨泊支腿與地面接觸處材質(zhì)等，將接觸碰撞參數(shù)設(shè)定為：剛度3 800 N/mm，力指數(shù)2，阻尼1.52 N/(mm/s)，穿透深度0.1，靜平移速度0.1 mm/s，摩擦平移速度10.0 mm/s。

錨泊車與系留氣球連接后，在風(fēng)載的作用下，系留氣球總是保持迎風(fēng)狀態(tài)，因此錨泊車上裝隨系留氣球共同順槳。由于風(fēng)向的不確定性，分析時(shí)可使錨泊上裝旋轉(zhuǎn)一周，以仿真分析各支腿的受力。在動(dòng)力學(xué)模型中定義錨泊上裝的初始狀態(tài)如圖2所示，錨泊上裝按一定的速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°。采用STEP函數(shù)設(shè)定驅(qū)動(dòng)錨泊上裝旋轉(zhuǎn)的角速度ω[5]：

ω=STEP(time,0,0,10,10d)+STEP(time,36,0,46,-10d)

驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線圖

2 支腿受力分析

根據(jù)系留氣球受力特點(diǎn)，錨泊車在系留氣球不同工作狀態(tài)下最危險(xiǎn)工況可按圖4所示的4種工況進(jìn)行分析[6]，采用ADAMS軟件分析得到的各支腿受力結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 錨泊車4種工況

圖5 工況1各支腿受力

圖6 工況2各支腿受力

圖7 工況3各支腿受力

圖8 工況4各支腿受力

工況1：錨泊車未連接系留氣球，此時(shí)錨泊車僅受重力作用，如圖4(a)所示。在錨泊上裝旋轉(zhuǎn)過程中各支腿受力呈正弦(余弦)規(guī)律性變化，如圖5所示。曲線中的突變與簡化模型、碰撞參數(shù)設(shè)置等有關(guān)，可不予考慮。由圖可知，支腿1、支腿2最大受力為89 kN，最小受力為60 kN；支腿3、支腿4最大受力為130 kN，最小受力為99 kN。

工況2：系留氣球處于滯空狀態(tài)，此時(shí)系留氣球與錨泊車之間僅通過主纜繩連接，其作用在萬向滑輪上的最大力為50 kN。分析時(shí)按圖4(b)所示在萬向滑輪處施加50 kN力，錨泊上裝旋轉(zhuǎn)過程中各支腿受力情況如圖6所示。由圖可知，支腿1、支腿2最大受力為106 kN，最小受力為30 kN；支腿3、支腿4最大受力為140 kN，最小受力為59 kN。

工況3：系留氣球處于錨泊、迎風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)系留氣球通過系留索與水平支臂、系留塔連接。在水平支臂和系留塔上按圖4(c)所示施加力，各支腿受力如圖7所示。由圖可知，支腿1、支腿2最大受力為78 kN，最小受力為49 kN；支腿3、支腿4最大受力為106 kN，最小受力為75 kN。

工況4：系留氣球處于錨泊狀態(tài)，按圖4(d)所示瞬間側(cè)風(fēng)旋轉(zhuǎn)計(jì)算，支腿受力如圖8所示。由圖可知，支腿1、支腿2最大受力為134 kN，最小受力為7 kN；支腿3、支腿4最大受力為168 kN，最小受力為30 kN。

由上述4種工況支腿受力分析結(jié)果可知：錨泊車工作過程中，支腿1、支腿2最大受力為134 kN，最小受力為 7 kN；支腿3、支腿4最大受力為168 kN，最小受力為30 kN。因此，可參考支腿最大受力進(jìn)行支腿、車架等結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

3 整車穩(wěn)定性分析

目前判斷整車穩(wěn)定性的主要方法有力矩法和穩(wěn)定圓法。力矩法是從穩(wěn)定性的定義出發(fā)，通過計(jì)算對(duì)比傾覆線內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定力矩與外側(cè)的傾覆力矩是否相等來判斷整車的穩(wěn)定性[7]。穩(wěn)定圓法是通過重心圓是否落在相鄰支腿連線內(nèi)部來判斷整車的穩(wěn)定性，該方法在泵車、起重機(jī)等重力載荷類設(shè)備上應(yīng)用較多且簡單、方便[8]。而錨泊車在工作時(shí)所受的外部載荷主要來自于系留氣球及風(fēng)載，情況復(fù)雜，所以需找出一種能夠方便計(jì)算且能充分考慮各種載荷的間接校核方法來進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

第2節(jié)中對(duì)錨泊車在系留氣球不同工作狀態(tài)下最危險(xiǎn)工況支腿受力進(jìn)行了分析，因此可借助支腿受力情況來分析整車的穩(wěn)定性。若錨泊車發(fā)生傾覆則必有支腿的受力為0。若任意工況下均有3條不在同一直線上的支腿進(jìn)行有效支撐，根據(jù)不在同一直線上的三點(diǎn)可以確定一平面可知，整車可由此3條支腿支撐而不發(fā)生傾覆；若任意狀態(tài)僅有2條或1條支腿有效支撐，則該狀態(tài)下整車即將或已經(jīng)發(fā)生了傾覆。由圖5～圖8可知，本文的錨泊車各支腿的最小受力均大于0，即任意工況下均有4條有效支撐腿，錨泊車穩(wěn)定性良好。因此，設(shè)計(jì)時(shí)只要保證任意狀態(tài)下均有3條及以上不在同一直線上的支腿有效支撐，就能滿足整車穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)束語

錨泊車各支腿的受力一方面隨著錨泊上裝的旋轉(zhuǎn)不斷變化，另一方面受系留氣球工作狀態(tài)、風(fēng)載的重大影響。本文利用ADAMS仿真，對(duì)不同工況下的錨泊車支腿受力情況進(jìn)行分析，得到了各支腿的最大受力值，為錨泊車結(jié)構(gòu)、剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；根據(jù)各支腿的受力情況，判斷整車工作的穩(wěn)定性。該方法可推廣至其他具有支腿的工程類機(jī)械、裝備等進(jìn)行工作穩(wěn)定性及支腿最大受力分析。