多用途搶險救援車輛的驅動橋殼結構強度分析

劉　鋼，涂群章，潘　明，李　沛，賴喜濤，黃　皓，張　帥，張慶宇

（陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京210007）

多用途搶險救援車輛是針對我國災害事件的多樣性和復雜性特點，以及應急裝備落后的情況而設計。形成一批應急救援裝備，建立高機動多功能應急救援裝備標準體系，才能為全面提升我國公共安全保障能力提供有力的科技支撐。目前對于重型車輛的車橋的性能要求越來越高，為了提高強度和剛度，現使用的是現代設計方法，并且用有限元法對于車橋橋殼進行分析。車輛的驅動橋殼是車輛的主要承載構件之一，由于搶險救援車輛經過的路面地形比較復雜，路面條件較差，車輛行駛過程中會產生較大的動載荷，對驅動橋的承載能力提出了更高的要求，局部的應力會導致驅動橋殼的變形[1]，車橋受力過大會導致斷裂。設計的時候，要考慮受力以及材料的屬性和位移變化量，這樣才能提高穩定性。

針對某型高機動應急救援車輛，課題組設計了其驅動橋的結構，本文擬對驅動橋殼進行應力和變形進行相應的分析[2]，為下一步驅動橋殼結構的優化與改進打下基礎。

一般情況下，在對橋殼進行設計的過程中，可以將驅動橋殼看成簡支梁來進行簡化計算，求出斷面的最大應力值，運用有限元能夠很好地解決此類問題[3]。計對橋殼比較復雜，這樣計算工作量比較龐大，所以需要對一些不重要的構件進行簡化，其中包括：對一些不重要的尺寸忽略不計，對于焊接處材料性質忽略其變化；忽略在生產過程中橋殼材料的不均質[3]。表1為驅動橋殼材料特性。橋殼在SolidWorks中進行建模，完成后將模型導入到ANSYS Workbench中[5]，并進行網格劃分，得到355 591個節點數和215 582個單元，最后得到有限元模型，如圖1所示。

表1　驅動橋殼的材料特性

圖1　驅動橋橋殼有限元模型

1　車橋有限元模型

本文研究的橋殼模型是經過鋼板沖壓和焊接的整體式橋殼。使用SolidWorks三維制圖軟件對車橋殼的模型進行構造建立[4]。由于應急搶險救援車輛所設

2　對橋殼的結構和強度進行計算和有限元分析

2.1　四種工況下的計算[3]

（1）最大垂向力工況

多用途搶險救援車輛以較高的速度行駛在凹凸不平路面時，驅動橋殼除了受到靜載荷外，還受到相應的沖擊載荷[6]，此時橋殼所受到最大的垂向力，并且不受其它力和彎矩，所受到的最大垂直向下的力為：

式中，G1為該救援車輛靜止時，驅動橋所受的重力；δ為動載荷系數，這里取2.5；g為重力加速度，一般為9.8m/s2；m1為所受的最大靜載荷，取12 000 kg（車輛最大載荷為24 t.這里取最大值一半）。

（2）最大驅動力工況

多用途搶險救援車輛在牽引力達到最大時直行，忽略所受到的側向力，只受到的載荷有垂直向下的力和驅動力，橋殼的一端所受到的垂直向下的力為：

式中，α為車輛行駛時后橋的負載轉移系數，取1.2.

車橋所受到的最大驅動力為：

式中，Temax為發動機的最大轉矩（N·m）；i1為變速器速比；i0為主減速器比；η為發動機的效率；r為車輪的半徑（m）.

（3）最大制動工況

多用途搶險救援車輛在剎車時，忽略所受到的側向力，橋殼只受垂向力和制動力。橋殼的一端所受的垂直向下的力為：

式中，χ為車輛行進過程中驅動橋的轉移系數。

一端橋殼所受的制動力達到最大為：

式中，φ為地面附著系數，此處取值0.8.

（4）最大側向力工況

多用途搶險救援車輛在需要急轉彎的時候，進行急轉，車輛發生側滑，在側滑方向，此處的側向力和垂向力都達到最大值，而橋殼的另一端所受的力可以視為零，忽略縱向力。橋殼發生側滑一端所受到的垂向力和側向力為：

式中φ1為側滑附著系數，此處取值1.0.

2.2　針對不同的工況確定邊界約束條件和加載方式

針對前述四種工況來確定邊界的約束條件和相應的加載方式，如表2所示。

表2　四種工況下邊界約束條件和加載方式

2.3　對四種工況下橋殼結構強度進行計算分析

（1）最大垂向力工況

當達到最大垂向力時，用有限元分析軟件對模型進行約束和加載后得到的等效應力和位移如圖2、圖3所示。

圖2　最大垂向力工況等效應力圖

圖3　最大垂向力工況位移圖

該工況下驅動橋殼的最大應力發生在板簧和橋殼體結合處附近，最大位移發生在橋體靠近凸起部位。

（2）最大驅動力工況

當在最大驅動力下工作時，用有限元分析軟件對模型進行約束和加載后得到的等效應力和位移如圖4、5所示。

圖4　最大驅動力工況等效應力圖

圖5　最大驅動力工況位移圖

該工況下驅動橋殼的最大應力發生在板簧和橋殼體結合處附近，最大位移發生在橋體靠近凸起部位。

（3）最大制動力工況

當進行制動，制動力達到最大時，用有限元分析軟件對模型進行約束和加載后得到的等效應力和位移如圖6、7所示。

圖6　最大制動力工況等效應力圖

圖7　最大制動力工況位移圖

該工況下驅動橋殼的最大應力發生在板簧附近，最大位移發生在凸包附近。

（4）最大側向力工況

當一側受力為零，一側所受的側向力最大時，用有限元分析軟件對模型進行約束和加載后得到的等效應力和位移如圖8、9所示。

圖8　最大側向力工況等效應力圖

圖9　最大側向力工況位移圖

該工況下驅動橋殼的最大應力發生在側滑方向一端的半軸套管變截處，最大位移發生在側滑一端的軸端處。

各工況下橋殼的等效應力和位移如表3所示。

表3　各工況下等效應力和位移

分析：查閱資料《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》，其中要求輪距的最大變形量控制在1.5 mm/m.1）在最大垂向力工況下，最大應力為151.57 MPa，小于橋殼體材料的屈服強度345 MPa.最大位移0.504 08 mm符合要求。2）在最大驅動力工況下，最大應力為156.34 MPa，小于小于橋殼體材料的屈服強度。最大位移1.1573 mm符合要求。3）在最大制動力工況下，最大應力為67.695 MPa，小于橋殼體材料的屈服強度345 MPa.最大位移0.3 456 mm符合要求。4）在最大垂向力工況下，最大應力為24.38 MPa，小于橋殼體材料的屈服強度785 MPa.最大位移0.24315 mm符合設計要求。

3　結束語

通過以上的計算研究可知：（1）經過靜力學計算分析，設計的驅動橋橋橋殼滿足各工況下所需的強度和剛度的要求。

（2）使用三維制圖軟件SolidWorks設計橋殼，具有便捷的特點。在運用ANSYS Workbench進行分析的時候更能模擬出各工況下的情況，也能更好地幫助設計者進行分析。

（3）可以進一步對橋殼進行模態分析和動態應力分析，在此基礎上進行橋殼結構的優化設計，最大限度地節約成本，使結構達到要求。