某型掛裝車設計與關鍵部件仿真分析

齊向陽 李志偉 陳文科 劉清林 羅 俊

1中國農業機械化科學研究院 北京 100083 2中國農業大學 北京 100085

0 引言

武器掛裝是戰機起飛前機務準備工作中的重要一環，對戰機作戰效率有重要影響[1]。飛機上掛接的物體質量在200 kg以下的可以通過人力操作（見圖1），200 kg～3 000 kg的物體依靠人力掛接費力且不安全，需要借助絞盤式掛裝車（見圖2）、臂式掛裝車（見圖3）等小型掛裝設備。3 000 kg以上需借助整車升降完成掛裝任務。用于大型物體提升、平移、翻轉并準確掛入掛裝位置的需求催生了整車升降掛裝車（見圖4）的研發[2-5]。

圖1 人力掛裝

圖2 絞盤式掛裝車

圖3 臂式掛裝車

圖4 整車升降掛裝車

某型掛裝車用于運輸、掛裝體積與質量大的物體，車輛可實現橫移、縱移、升降、滾轉、俯仰、旋轉6個動作。通過穩定控制液壓元件的流量實現運動平穩。機械結構強度也是影響掛裝車使用的重要因素，對掛裝車關鍵部件的靜應力進行分析，為解決設計過程中的強度不足提供準確的設計參考[6]。

1 基本理論

線性靜力結構分析用于分析結構在給定靜力載荷作用下響應。由經典力學理論可知物體動力學通用方程為[7]

式中，[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數矩陣；{x}為位移矢量；{F（t）}是力矢量。

在進行線性靜力結構分析時，與時間相關的量都將被忽略，于是從上式得到以下方程：

式中：{F}為靜力載荷，不考慮隨時間變化的載荷，也不考慮慣性影響。

2 總體方案

2.1 系統組成

如圖5、圖6所示，掛裝車主要由車架、行走系統、動力系統、掛裝托升機構、液壓系統和電氣系統等組成。總體布局為駕駛室前置、發動機位于駕駛室的右側，縱向放置，掛裝托升機構位于前、后兩軸之間。

圖5 掛裝車外形圖

圖6 掛裝車三維模型

2.2 行走系統

如圖7所示，行走系統包括轉向驅動橋、減震鋼板彈簧、前后輪胎、前后液壓驅動馬達等。行走驅動系統為閉式系統，由變量液壓泵、變量液壓馬達、沖洗閥、自由輪閥等構成。液壓泵上集成有補油泵、補油閥、安全閥等元件和變量控制裝置。液壓馬達包括前輪馬達和后輪馬達，通過前輪驅動和四輪驅動的切換實現高、低檔位的轉換：低檔采用四輪驅動，為負載及作業行駛模式，行駛平穩、牽引力大；高檔采用兩輪驅動，為空載行駛模式，行駛速度快。通過改變泵的排量實現空載、負載兩種行駛模式下速度的無級調節。

圖7 行走系統傳動路線圖

掛裝車行走分為高、低兩檔，低檔時四輪驅動，高檔時前輪驅動，通過檔位開關切換。空載時采用高檔，負載及作業時采用低檔。

2.3 掛裝托升機構

如圖8所示，掛裝托升機構由上托架、回轉支承和橫移小車3部分組成。具有6個自由度（橫移、縱移、升降、滾轉、俯仰、旋轉）調節功能，靠10個液壓缸（4個整車升降液壓缸、3個樣機舉升液壓缸、1個航向角液壓缸、1個縱移液壓缸和1個橫移液壓缸）完成。

圖8 掛裝托升機構

上托架主要部件由上架體、前后托架、前后縱移小車、縱移液壓缸和定位機構等組成。前托架安裝在前縱移小車上，后托架安裝在后縱移小車上，前后托架用2根連桿連接起來，通過滾輪在上架體的滑道中的滾動，用縱移液壓缸實現舉托物體縱向位移。

圖9 上托架

掛裝微調系統由液壓泵、電液比例流量敏感多路閥、電磁換向閥、雙作用液壓鎖以及3個舉升液壓缸、1個縱移液壓缸和1個橫移液壓缸等組成。液壓泵與整車升降系統共用。電液比例流量敏感多路閥可采用手動控制或電比例遠程線控，能夠控制液壓執行元件的運動方向和運動速度，控制柔和、平穩。電磁換向閥用來選擇工作通路，控制各個液壓缸的運動方向。舉升液壓缸用于升降、滾轉和俯仰動作，雙作用液壓鎖可確保舉升液壓缸停留在任意位置。縱移液壓缸用于前后滑動小車的縱向移動，橫移液壓缸用于整個掛裝托升裝置的橫向移動。通過以上6個自由度的調節，可順利完成掛裝作業。

2.4 整車升降系統

整車升降系統由液壓泵、電液比例流量敏感多路閥、雙作用液壓鎖及整車升降液壓缸組成。升降液壓缸選用多級液壓缸以減小液壓缸尺寸及車身高度。電液比例流量敏感多路閥采用手動控制或電比例遠程線控，能夠控制液壓執行元件的運動方向和運動速度，控制柔和，平穩。同時，電液比例流量敏感多路閥可以穩定控制通過液壓缸兩個方向的流量，保證掛裝車升降過程同步運動。雙作用液壓鎖可確保整車升降過程中能夠停留在任意位置。

2.5 車架

如圖10所示，車架主體采用矩形鋼管焊接而成。車架前部安裝發動機、液壓系統部件、電氣系統部件與動力系統附件等；車架中間部分安裝掛裝托升機構；轉向驅動橋帶有減震鋼板彈簧，支撐在前拱梁上；2個后輪驅動液壓馬達與后拱梁剛性連接。前后拱梁的后端設有4個液壓缸支座，為25 mm厚的鋼板結構。車架左右縱梁與拱梁焊接而成。

圖10 車架模型

車架整體較長，承受8 000 kg的載荷，需對其進行強度校核。其受力狀態有2種工況，一種是前后輪承載工況，另一種是4個車身升降液壓缸舉升使前后輪離地時的工況，需對這2種工況分別進行強度校核。

車架選用Q355鋼，彈性模量為E＝206 GPa，密度ρ＝7 850 kg/m3，泊松比ε＝0.3，許用應力為177.5 GPa。將SolidWorks設計的車架模型導入到Ansys Workbench中，采用四面體單元的劃分方式，對整體采取分區劃分網格的方式。為了生成高質量網格，對構件中的車架集中受力部分進行細化處理，控制單元網格最大尺寸為10 mm。前后輪承載時架整體網格劃分共得到1 237 533個單元、732 370個節點；液壓缸支撐時車架整體網格劃分共得到2 093 712個單元、1 257 693個節點。網格單元質量較好，能較精確地進行計算。

2.2.1 靜力學結果分析

設計額定載重為8 t，均分在車架中部橫梁上。在對車架進行力學分析時，車架橫梁上施加80 000 N載荷，求解可得車架靜力學等效應力分布圖、位移分布圖。

圖11、圖12分別為輪胎支撐和液壓缸支撐時的等效應力分布圖。由圖可知，排除各連接梁因連接或尺寸造成的應力集中情況，輪胎支撐時最大應力值位于前梁與橫梁的交接處，最大值為90.952 MPa，小于許用應力，滿足設計要求；液壓缸支撐時最大應力值位于車架中間承重處，最大值為112.52 MPa，小于許用應力，滿足設計要求。

圖11 輪胎支撐時應力云圖

圖12 液壓缸支撐時應力云圖

如圖13、圖14所示，在車架承載時變形量均為中間較大、向四周依次遞減，此部位需后期進行結構優化。

圖13 輪胎支撐時等效變形圖

圖14 液壓缸支撐時等效變形圖

將等效應力圖與等效變形圖進行對比分析，得到以下2點結果：1）對照等效應力分析結果整個車架的最大應力值位于液壓缸安裝與梁交接處及車架中間承重處，除考慮有應力集中現象發生外，還說明此處的結構強度比較薄弱，在后期對結構進行優化時，需對此處進行重點考慮。2）對照分析結果最大變形值位于整個車架的中心處，對結構優化時需要增加連接梁以減少其變形量。

3 結論

本文以某型號的掛裝車為研究對象，介紹了整車升降掛裝車關鍵系統；運用Solidworks建立三維模型，應用CAE有限元分析軟件Ansys Workbench對車架模型的兩種工況進行靜力學分析，模擬整體架構在承受載荷時的受力狀況，能準確直觀地得到車架上應力、應變的分布規律。結果顯示，所選用材料均滿足設計要求，并對車架提出了改進優化方案。車身整體可升降掛裝車樣機完成試制后，對其進行了全面的試驗和檢測。測試結果表明，各項技術指標均符合設計要求。該車制動性能良好、轉向靈活輕便、調速方便、微動性能優異；其人員操作簡單、對接飛機方便、作業安全可靠。事實證明車身整體可升降掛裝車設計是合理、適用的。