一種基于ANSYS的震后搜救車結構優化設計

關鍵詞：搜救車；地震；救援；ANSYS；模態分析；靜力學分析；結構優化

中圖分類號：P315.9；U469.6 文獻標志碼：A 文章編號:1003-5168（2025)12-0043-06

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.009

APost-EarthquakeSearchand RescueVehiclewith Optimized Structure based on Ansys Analysis

WU YishengSUN ZhaoXU BingWU FengXIA Junran (Schoolof Mechanical Engineering，Chaohu University，Chaohu 238Ooo，China)

Abstract: [Purposes] In view of the frequent occurrence of earthquakes in China and the post-disaster manpower shortages，this study designs a search and rescue vehicle based on ANSYS to alleviate postearthquake pressure and eliminate potential dangers.[Methods] The search and rescue vehicle is mainly composed of a six-wheel rocker arm suspension structure，a mechanical anti-shake stabilizer，a rescue supply storage box，and an alarm device.In order to ensure the stability and reliability of the search and rescue vehicle during driving，ANSYS software was employed to analyze the structural performance of the search and rescue vehicle and conduct lightweight design.[Findings] The results of finite element analysis show that the body structure design of the search and rescue vehicle is reasonable and meets the strength requirements.[Gonclusions] The designed search and rescue vehicle has effective significance and application potential in obstacle negotiation，manpower conservation and safety assurance，which provides a reference for the structural optimization design of search and rescue vehicles after earthquakes.

Keywords: search and rescue vehicles; earthquake; rescue; ansys; modal analysis; static analysis; structural optimization

0 引言

地震、泥石流等自然災害發生后，現場地勢錯綜復雜、道路損毀，各類次生災害頻發，救援人員開展救援行動困難，救援裝備成為救災應急力量體系的重要組成部分。但大型裝備無法快速抵達現場、環境難以勘測，導致受災及救援人員生命安全受到嚴重威脅。侯鑫新等設計了一種震后搜救警報車，該警報車具有小型化、多功能化和智能化的特點，替代救援人員獨自進入高危的自然災害環境執行救援探測任務。

為提高救援效率，降低救援人員進入受災地區時面臨的風險，本研究設計了一款采用六輪搖臂懸架系統和機械防抖裝置進行實地探測的搜救車。該搜救車可以靈活跨越崎嶇的地形并保持鏡頭的穩定性，實現快速探測。

1工作原理及裝置設計方案

1.1車架的工作原理

搜救車車架采用六輪驅動主副搖臂懸架形式，圖1為車架運動系統示意。運動系統主要由主搖臂、副搖臂、夾角調節機構、離合器、差動軸及車輪組成。主搖臂是懸架系統的重要組成部分，其一端連接在車架上，另一端與副搖臂相連，可以繞與車架連接的軸實現一定角度的擺動[3]。夾角調整機構可改變長臂和短臂之間的夾角，使長臂和短臂可以靈活擺動，在跨越障礙時抬高車身高度，實現輕松跨越。副搖臂連接在主搖臂和車輪之間，其與主搖臂連接處安裝有離合器。通過打開、閉合離合器，可以實現主副搖臂間自由度的釋放和鎖死。副搖臂的存在進一步增加了懸架系統的靈活性。當主搖臂擺動時，副搖臂可以根據車輪與主搖臂的相對位置進行二次調整，從而更精準地適應地形變化[4-5]

1.2機械防抖裝置工作原理

搜救車運動時，防抖裝置采用內置傳感器檢測設備的運動和抖動。這些傳感器能夠實時感知設備在三維空間中的移動和旋轉。檢測到的運動數據會被傳送到設備的控制單元。控制單元分析這些數據，計算出需要的補償量，并根據計算結果生成控制信號，驅動電機進行相應的調整。機械防抖裝置通過電機驅動云臺或懸掛系統移動設備，反向抵消檢測到的抖動。電機能夠快速響應傳感器數據，進行高精度的物理調整，保持設備穩定。通過實時的電機驅動調整，機械防抖裝置能夠在拍攝過程中持續進行抖動校正，確保圖像和視頻的穩定性[6。圖2為機械防抖裝置示意。

機械防抖技術通過物理調整設備位置，不會對圖像進行裁剪或其他處理，具有高精度防抖、全面的運動補償及不影響圖像質量的優點。這種防抖方式特別適合專業攝影設備，以及需要高穩定性拍攝的場景。

1.3搜救車整體結構設計

本研究設計的多功能地震搜救車能夠完成地震救援過程中人員探測、物資運輸、鏡頭探測等任務。該搜救車采用六輪搖臂懸架結構，可以實現前后、左右移動及原地旋轉等全向組合運動。通過設計的機械防抖裝置可有效抑制圖像采集過程中的鏡頭抖動，并配備鏡頭固定裝置以防止移動過程中鏡頭脫落。救援車內還設有存放救援物品的儲存箱，并安裝了警報裝置，以便在發現受災人員時可以提醒救援人員。圖3為震后搜救警報車模型。

2搜救車關鍵結構設計

2.1車架結構設計

搜救車車架采用六輪驅動的主副搖臂懸架系

1.軸承；2.車身；3.防抖裝置；4.鏡頭固定裝置；5.警報器；6.車廂；7.車輪架；8.電機。

統，6個車輪均勻分布在車架的兩側，呈對稱布局。每個車輪分別配置了啟動裝置和轉向機構。當某一車輪發生故障時，主副搖臂協同作業將故障車輪抬起，以免損壞輪胎，并通過其他車輪繼續執行移動探測任務，從而提升搜救車的故障容錯能力和使用壽命。圖4為車架模型。

2.2機械防抖裝置

機械防抖裝置通過機器內部的物理結構達到穩定的效果。該裝置通過物理調整設備位置，不會對圖像進行裁剪或其他處理。這種防抖方式特別適合專業攝影設備和需要高穩定性拍攝的場景。相比于數字圖像處理防抖技術，機械防抖具有實時性好、對處理速度和功耗要求低等優點。目前，機械防抖技術已在智能手機、無人機、運動相機等領域得到廣泛應用，成為保證拍攝畫面穩定的重要技術之一。圖5為機械防抖裝置模型。

研究對搜救車的主要受力位置及關鍵零件進行了有限元分析。應用ANSYSWorkbench2021R1有限元分析軟件，分析搜救車的動靜態特性，以驗證搜救車結構設計的合理性、穩定性和可靠性。

3.1車身有限元模型建立

搜救車車身是重要的承載部件，運動過程中要保證其強度。搜救車采用Q235鋼材料，材料密度為 7.85g/cm³ ，泊松比為0.3，屈服強度為 235MP ，彈性模量為 2.01e11N/m² 。在對模型進行網格劃分時，為提高計算精度和計算結果的可靠性，將主要承受載荷的上端面網格邊長設為 3mm ，其余邊長設為 5mm 。采用程序控制的方法進行自動劃分，網格劃分的結果如圖6所示，得到111281個節點與55047個單元7]。

3.2 模態分析

模態分析可以幫助了解結構的共振頻率及振幅位置，為結構設計提供指導，是開展其他動力學特性分析的基礎。通過模態分析，可以認識到結構對不同動力載荷的響應特性，為結構系統的振動特性、振動故障診斷及結構動力特性的優化設計提供依據[8]。搜救車車身前六階模態分析結果如圖7所示，其固有頻率及振型位置見表1。

小

3關鍵部件有限元分析

為驗證搜救車在結構上是否滿足設計要求，本

分析前六階振型發現，最小頻率為 168.21Hz ，最大頻率為 1559.2Hz ，變形主要發生在車身前、后端面及底面，主要為有彎曲和扭轉變形。第六階振

型中，上端面發生變形較大，在設計上端面時，可考慮增加幾何中心附近處的剛度和強度，提高搜救車使用性能[9-10]

3.3靜力學分析

對搜救車進行靜力學分析可以得到其最大承載載荷。靜力學分析的網格劃分與模態分析相同，將車身與車架連接處設置為固定支撐，并使用NX12.0軟件賦予車身及車廂相應的材料密度，計算得到重量為 824N 。隨后，對車身上端面受載部位施加3倍自重的載荷進行求解。

由圖8和圖9可知，應力集中點主要分布在車身上端面與側面的交會處，最大應力為 122.53MP 。Q235鋼的許用應力可以通過屈服極限除以安全系數來計算。屈服極限為 235MPa ，安全系數取1.6，可得Q235鋼的許用應力為 147MP ○

車身受到的最大應力小于許用應力，滿足強度要求。在變形方面，搜救車的變形量較小，車身與車架連接處變形在 0.003mm 以下，峰值出現在車身尾部，數值約 0.1mm ，分析小車實際工況，整體變形量均不是很大，可忽略不計。由此表明，車身剛度較高，符合設計要求[11-12]

3.4輕量化設計通過上述分析可以看出，車身結構強度滿足使用要求。為保證搜救車在實際應用中靈活輕便，本研究對車身進行了輕量化設計。車身前后端面及側面的壁厚為 7.5mm ，下面將壁厚分別設置為 5mm 和 3mm 進行靜力學分析，網格劃分和分析設置條件不變。

如圖10、圖11所示，壁厚為 5mm 時，車身受到的最大應力為 124MPa ，最大變形為 0.15mm 。壁厚為 3mm 時，車身受到的最大應力為 146MPa ，最大變形為 0.19mm ，此時最大應力接近許用應力，車身變形程度較大。從實用和安全性能考慮，車身壁厚應為 5mm ，與原本的 7.5mm 壁厚相比，車身重量減輕了12N，可以看出搜救車在結構設計、材料選擇方面還有提升的空間[13]。

4結語

本研究設計了一種震后搜救車，能夠解決震后人力資源匱乏等問題，有效利用機械代替人工進入受災地區進行探測，同時將受災程度及危險地帶等信息以圖像形式傳遞給救援人員，減少遇害風險。此外，本研究將機械防抖裝置、火星車車架、鏡頭固定裝置等進行合理的創新結合，并對已有的相關機構進行了優化，能夠較好地解決拍攝畫面抖動、不能適配多種型號攝像機、功能單一、耗費電力大、成本高等問題，提高了搜救車在復雜地形的靈活度。并且，使用ANSYS軟件分析了搜救車的強度，確保設計的合理性，在完成工作要求的情況下，進行輕量化設計，為未來震后救援提供了新的救援設備，對保障人類安全及生命財產具有重大意義。

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