KT58階梯式旅客登機車整車有限元分析

摘要：旅客登機車主要用于旅客登機作業，整車結構受力情況復雜，為保證旅客安全登機，需要對整車結構有很高的可靠性要求。通過有限元分析的方法，對KT58階梯式旅客登機車整車強度及剛度進行分析計算，進而為結構設計及優化提供指導。

關鍵詞：ANSYS;有限元;旅客登機車;結構強度;設計優化

中圖分類號：U462收稿日期：2022-04-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.08.010

1 前言

某公司自主研發的KT58階梯式旅客登機車（以下簡稱KT58客梯車），是為旅客提供上下飛機服務的專用設備，是為飛機提供地面服務的機場必備特種作業車輛。當飛機無法對接旅客登機橋時，客梯車是保證旅客及機務人員上下飛機的主要工具。KT58客梯車整車結構受力情況復雜，為保證旅客安全登機，需要對整車結構有很高的可靠性要求。

張積洪等對客梯車的中置雙液壓油缸直推式舉升機構進行了運動仿真，并對液壓缸最大工作壓力進行優化;李亞博2根據行駛特點，對船用客梯車車架在彎曲工況、扭轉工況、緊急制動工況下做了分析，并對車架質量進行了優化;林奎3對客梯車的剪叉式主升降結構進行了強度、剛度、穩定性分析。以上研究對現有客梯車客梯整體的強度分析較少，無法為客梯車的整體設計及優化提供充足的理論依據。因此，本文通過建立客梯完整三維模型，通過有限元法對客梯結構進行強度分析，為后續客梯結構設計及優化提供理論依據。

2 有限元建模

2.1 結構介紹

KT58客梯車主要由自制底盤、梯身總成、起升機構、液壓系統、電氣系統等組成。

底盤車架為框架式整體焊接結構，車架前部安裝駕駛室，中部安裝動力系統總成，升降機構及固定梯通過鉸接的方式安裝于車架上，燃油箱及液壓油箱通過支架安裝于車架縱梁兩側，整個車架通過鋼板彈簧與前后車橋連接。

梯身總成主要包括固定梯、滑動梯、尾梯、鎖止機構、推舉油缸等。固定梯和滑動梯之間的相對滑動通過推舉油缸的舉升、起升油缸的舉升及滾輪機構的滾動來實現，當滑動梯舉升到指定位置后，通過鎖止機構的棘爪與滑動梯上的限位塊進行鎖止，防止滑動梯下滑。整個梯身總成主要靠起升機構和鎖止機構進行支撐。起升機構主要包括起升油缸、連接架、支撐架、限位支架等。

KT58客梯車整車主體承載結構如圖1所示。

2.2 材料參數

KT58客梯車的固定梯、滑動梯左右梯梁、導軌等的材質為HG70;底盤車架左右縱梁、橫梁、液缸支座、板簧支座等結構的材質為Q345D;滾輪及棘爪材料為45鋼;銷軸及軸套材料為40Cr。各種材料的力學性能參數見表1。

2.3 分析工況

根據實際的登機作業情況，結合《MH/T 6029-2014旅客登機梯》的要求41，靜強度計算共包含四個工況，如表2所示。

2.4 失效準則

由于KT58客梯車主要結構由高強度板材、型材焊接而成，根據材料力學的有關知識，應采用第四強度理論作為材料失效的評判依據。

第四材料強度理論認為，畸變能是引起材料屈服的原因，材料破壞之前會經歷明顯的屈服變形，例如碳鋼的扭轉破壞和拉斷破壞。第四強度理論表示為：

式中σ為第四強度理論等效應力強度，又稱馮·米塞斯應力（Von-Mises）;為三個方向的主應力。根據第四強度理論，可將強度條件寫為：

式中，[σ]為材料許用應力，MPa;σ為材料屈服強度，為安全系數。

本次計算分析采用“評估安全系數=許用應力/等效應力”的方式對計算結果進行評估，當評估安全系數大于等于1時，說明結構強度符合要求，當評估安全系數小于1時，說明結構強度不符合要求。

根據旅客登機車相關標準要求，工況3與工況1最大位移差不能超過50mm。

2.5 有限元模型

以KT58客梯車整車結構作為有限元分析模型，梯身主體及底盤車架主體采用殼單元，液壓油缸采用實體單元，鉸接位置采用鉸接單元[6]，底盤車架相關部件采用質量點進行模擬。整個模型共離散為46.8萬單元，48.4萬節點，有限元模型如圖2所示。

2.6 約束方式

根據客梯車實際的作業情況，四個支腿油缸支腳盤約束三個方向平動自由度和三個方向轉動自由度，支腿油缸缸桿球形末端與支腳盤的球形接觸面設置球鉸，限制三個方向的平動，放開轉動，如圖3所示。

2.7 加載方式

整車自重采用一倍的重力加速度進行加載，上平臺、過渡平臺及臺階上的載荷，采用在臺階花紋鋁板以及臺階框架表面加載均布壓力的方式進行。

加載數據如表3所示，以工況3為例，加載方式如圖4所示。

3 分析計算結果

KT58客梯車工況1～工況4的整體位移結果統計見表4，工況1與工況3整體位移云圖如圖5～圖6所示。

KT58客梯車主要結構等效應力極值位置的統計結果見表5，等效應力較大位置主要分布在滑動梯梯架與起升機構滾輪接觸位置、固定梯梯梁與滑動梯滾輪接觸位置、底盤車架尾部與固定梯鉸接銷軸安裝座焊接位置，最大等效應力為238.60 MPa，發生在工況3，位于固定梯梯梁與滑動梯滾輪接觸位置，評估安全系數為1.24。最小評估安全系數為1.00，發生在工況3，位于滑動梯梯架與起升機構滾輪接觸位置，等效應力為171.95MPa。工況3等效應力云圖如圖7～圖9所示。

4 結語

a.根據靜強度計算工況1～工況4的計算結果，KT58客梯車各結構等效應力均未超出相應材料的許用應力，整體結構靜強度滿足相關設計要求。

b.工況3與工況1最大合位移差為48.95mm，滿足相關標準要求。

參考文獻：

[1]張積洪，劉洪濤.可變軸距客梯車舉升機構優化仿真分析[J].機械設計與制造，2019（12）：177-180.

[2]李亞博.船用客梯車車架有限元分析及優化設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[3]林奎.新型客梯車叉架結構參數優化設計及分析[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[4]MH/T6029-2014 旅客登機梯[S].

[5]劉鴻文.材料力學[M].6版.北京：高等教育出版社，2017.

[6]劉笑天.ANSYSWorkbench結構工程高級應用[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

作者簡介：

隋曉東，男，1984年生，工程師，研究方向為空港地面裝備、消防裝備的仿真及優化設計。