潮間帶運輸車動力模塊車架結構設計與分析

劉 劍，張三川，寇華鵬

（1.鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001；2.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450064）

潮間帶運輸車動力模塊車架結構設計與分析

劉 劍1,2，張三川1，寇華鵬1

（1.鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001；2.鄭州新大方重工科技有限公司，鄭州 450064）

在潮間帶區(qū)域建造風電場涉及機組部件運輸、地基建設和風機安裝三大難題，其中首當其沖的

就是運輸問題。針對傳統(tǒng)的大型船只和陸地重型車輛均無法到達工場的實際，提出設計了一種基于動力模塊并車構造的多履帶潮間帶運輸車，并運用SolidWorks和ANSYS軟件對動力模塊車架建模和靜力分析，結果表明：車架彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的應力、變形分布云圖顯示所設計的運輸車車架的強度和剛度符合技術要求，可以滿足潮間帶風電場運輸需要。

潮間帶運輸車；車架結構；有限元仿真

0　引言

潮間帶主要指沿海大潮期的最高潮位與最低潮位之間的潮浸地帶，隨潮汐漲落而被淹沒和露出水面的海域（俗稱“灘涂”），以黏土質(zhì)粉砂為主的潮灘沉積是其典型地質(zhì)特征[1]，且含水量多，液化程度高，地耐力很低，而采用筑路則工程量巨大[2]。因此在無法采用輪式載重車輛運輸?shù)那疤嵯拢浑姎鈁3]采用四組平行長履帶和行走部上方獨立浮箱相結合的設計，實現(xiàn)履帶著地行走和較深潮池區(qū)域的浮箱船行，但整車體積龐大，自身從制造企業(yè)到施工現(xiàn)場的運輸也存在極大問題。鄭州新大方[4]則采用四條短履帶成組的緊湊設計，并把履帶架直接設計成為浮箱結構。本論文擬在文獻[4]的基礎上，將其改造設計為動力模塊，通過并車手段形成可承擔塔筒、葉片等大型部件轉(zhuǎn)運的潮間帶運輸車的構型，然后著重對動力模塊車架強度、剛度進行仿真分析和輕量化。

1　潮間帶運輸車構型與車架建模

1.1潮間帶運輸車構型

圖1為六個動力模塊并車構造的潮間帶運輸車，額定承載重量120噸，其頂層為運載平臺，底層為動力模塊。動力模塊又分為二層，下層為履帶行走部總成、上層為底盤總成，（車架、懸架、動力），每個動力模塊底盤車架上加裝駕駛室后可以獨立進行物料運輸，動力模塊構造如圖2所示，1為駕駛室（并車時一般可只保留1～2個），2為履帶行走部總成、3為底盤總成，4為動力系統(tǒng)置于動力模塊的后端。

圖1　潮間帶運輸車構造

圖2　動力模塊構造

1.2動力模塊車架結構與建模

圖3為動力單元車架結構，采用前懸架上方的A點，后懸架前段上方的B及C等三支撐點簡支結構，能夠很好的適應復雜路面工況，保證每個著力點與地面接觸。后懸掛在B、C兩點的下方與車架鉸接，而在外側(cè)端部處空氣彈簧與車架尾梁聯(lián)接。

圖3　動力模塊車架結構

車架由兩根焊接而成的箱形縱邊梁和數(shù)根橫梁構成。

為減少橫梁根數(shù)，駕駛室托架、前懸架前端與車架連接處共用橫梁Ⅰ，前懸架后端與車架連接處至少采用兩根橫梁，其中一根橫梁加寬，且用多個小肋板增強；動力總成放置處，共設置三根橫梁，除尾梁Ⅶ（通過連架桿連接后懸架、支承動力總成）外，一根橫梁主要起支承功能，另一橫梁在支承動力總成的同時與尾梁一起聯(lián)接后懸架。由此構造出七根橫梁和兩根縱梁的履帶式車架。

車架采用冷沖壓成形和焊接制造，故車架材料應具有較高的屈服強度和良好的冷沖壓性能，以及良好的可焊接性和較低的應力集中敏感性，綜合考慮初步選取車架材料選擇為Q235B[5,6]。車架的材料特性如表1所示。

表1　車架的材料特性

應用SolidWorks軟件建立車架三維模型，并導入ANSYS workbench軟件生成的有限元模型如圖4所示。車架單元類型選為SOLID185，采用自動劃分法劃分網(wǎng)格，即幾何體不規(guī)則時采用四面體網(wǎng)格劃分，規(guī)則時采用六面體劃分，劃分后車架模型節(jié)點數(shù)共566509個，網(wǎng)格數(shù)共260387個。車架中的小孔、連桿架等小構件對整體車架的強度和剛度影響不大，在有限元分析時對于網(wǎng)格劃分、計算結果的收斂性及計算時長影響較大，故進行了簡化。

圖4　有限元車架模型

2　分析結果與討論

車架所承受的載荷質(zhì)量主要為動力總成質(zhì)量、駕駛室總成質(zhì)量、貨箱貨物總成質(zhì)量以及車架自身質(zhì)量等，其具體參數(shù)如表2所示。

表2　車架的各部分質(zhì)量載荷

2.1滿載彎曲工況

載荷和約束的處理：自重通過建立重力卡片設定重力加速度施加；動力總成、駕駛室總成、箱貨物以均布載荷的形式施加在縱梁或橫梁相應位置的單元上。約束前懸架與車橋相連接處節(jié)點所有方向的自由度以及后平衡懸架與車橋相連接處節(jié)點所有自由度。

經(jīng)過有限元靜力學分析計算后，提取車架彎曲工況下的應力分布如圖5(a)所示，變形情況如圖5(b)所示。

圖5　彎曲工況下車架應力與變形云圖

由圖5(a)可知，車架等效應力最小點在尾梁上，最大等效應力位置在第Ⅳ和第Ⅴ橫梁之間的縱梁上，最大等效應力為41.435MPa，遠小于車架的1.5倍安全系數(shù)許用應力157MPa[7]。同時車架的最大變形在車架中部，其最大變形量為1.2mm，滿足剛度要求。

2.2滿載扭轉(zhuǎn)工況

滿載扭轉(zhuǎn)工況是模擬履帶灘涂運輸車在滿載狀態(tài)下，以低速通過崎嶇不平的路面時，車架遭遇最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況，即車軸一側(cè)車輪懸空而另一側(cè)車輪抬高時的狀況。

載荷和約束處理：載荷的處理同彎曲工況。釋放右后輪車橋與懸架的連接處節(jié)點所有自由度，其余約束處理同彎曲工況。

經(jīng)過有限元計算后，提取車架在扭轉(zhuǎn)工況下的應力分布情況如圖6(a)所示，位移變形情況如圖6(b)所示。

圖6　扭轉(zhuǎn)工況下車架應力與變形云圖

由圖6可以看出，車架的等效應力最大點在車架尾梁Ⅶ與左縱梁連接處，等效應力最小點在車架尾梁Ⅶ與右縱梁連接處，車架變形最大點在左縱梁與第Ⅴ根橫梁連接處，最小點在第Ⅰ根橫梁和第Ⅱ橫梁中間的左縱梁上。車架的最大等效應力為94.12MPa，大于彎曲工況下的最大等效應力，但遠小于車架的許用應力157MPa，滿足車架的強度要求。剛度評價指標要求軸間扭轉(zhuǎn)角小于1°/m[7]，根據(jù)軸距轉(zhuǎn)化為左前輪軸軸端處的位移應小于35.12mm，由圖6知車架的最大變形位移為3.17mm，滿足車架剛度要求。

從上述分析結算結果可見，車架結構的強度及剛度都遠大于規(guī)范要求，有進一步做輕量優(yōu)化的必要。

2.3車架輕量化優(yōu)化

通過采用高強材料，以重量最輕為目標，對結構材料及部分結構形式進行改進[8,9]：1）車架采用Q345C材料[10]，并進一步減低截面高度和厚度為原厚度的80%；2）適當將前后懸架材料，也更改為Q345C和設置加強筋板。

約束和加載同優(yōu)化前，優(yōu)化后車輛總體重量減輕約20%，利用滿載扭轉(zhuǎn)工況對其進行檢驗，檢驗結果如圖7所示。由圖可知，車架等效應力最大點在車架尾梁與左縱梁連接處，和優(yōu)化前基本相同，其最大等效應力為211.68MPa，小于車架的1.5倍安全系數(shù)許用應力230MPa[7]，滿足車架的強度要求。車架變形最大點在第Ⅵ橫梁和尾梁Ⅶ中間的左縱梁上，相對于優(yōu)化前有所后移，其最大變形量為5.25mm，滿足車架剛度要求。

圖7　優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)工況下車架應力與變形云圖

3　結論

潮間帶風電場建設非修筑道路專用履帶運輸車作為其解決塔筒、葉片等大型部件轉(zhuǎn)運問題的特殊工具，通過對其構型和動力模塊車架的設計與有限元分析，主要結論如下：

1）采用動力模塊并車構造風電大型結構部件在潮間帶區(qū)域?qū)Ｓ寐膸竭\輸車，滿足裝備自身運輸要求，

【】【】并可在動力模塊加裝駕駛室而實現(xiàn)獨立運載功能。

2）對動力模塊車架在彎曲及扭轉(zhuǎn)工況下的強度和剛度采用有限元法靜力學分析，獲得的應力分布云圖和變形分布云圖，最大應力和最大變形量均遠小于許用值，符合傳統(tǒng)重型機械設計要求。

3）采用高強度鋼Q345C進行輕量化優(yōu)化，按1.5倍安全系數(shù)設計車架的最大應力和最大變形仍滿足要求，并可以實現(xiàn)減重20%的工程設計目標。

[1] 張存勇.海州灣灣頂潮間帶沉積物粒度的垂向分布特征[J].海洋地質(zhì)動態(tài),2007,23(10)：13-19.

[2] 馮致海,蔣愛民.土工格柵在潮間帶風電場道路施工中的應用[J].水利水電施工,2010(6)：93-95.

[3] 吳佳梁,王新明,何馬飛,等.灘涂運輸車[P].上海：CN101474950, 2009-07-08.

[4] 李淮,章元瑞,張志華,等.大噸位灘涂運輸車[P].河南：CN101850700A,2010-10-06.

[5] 王雷.履帶式灘涂運輸車行駛性能分析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[6] 李正網(wǎng).基于ANSYS的重型貨車車架結構分析和優(yōu)化研究[D].重慶：重慶交通大學,2009.

[7] 張克健.車輛地面力學[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002：1-315.

[8] 黃澤好,陳衛(wèi)東,徐文強.特種鋼結構運輸車車架輕量化分析[J].西南大學學報(自然科學版),2013,02：136-140.

[9] 于成祥,何志剛,瞿曉彬,等.輕型貨車車架的多目標穩(wěn)健優(yōu)化設計[J].機械設計與制造,2007,08：56-58.

[10] 林秉華.最新汽車設計實用手冊[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社,2005.

Structure design and analysis of the power module frame on the intertidal transporter

LIU Jian1,2, ZHANG San-chuan1, KOU Hua-peng1

TH233

A

1009-0134(2016)07-0109-03

2016-05-04

鄭州市重大科技專項項目（121PZDZX014）

劉劍（1981 -），男，河南鄭州人，工程師，碩士研究生，研究方向為機械工程。