超静定锚泊底盘结构设计与有限元分析

李 浩，侯守武，仝 允

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

锚泊底盘是机动式系留气球地面系留设施的重要组成部分[1]，直接影响地面系留设施的安全性、可靠性、抗风稳定性及调平精度。大型机动式系留气球锚泊底盘为多余约束的超静定结构，内力和变形比较均匀，结构自身具有较好的承载能力和稳定性[2]，其承力骨架为高强度钢板焊接而成的箱型、工字型或U型结构，构造复杂，传统的校核计算方法大多将底盘车架简化为梁结构，计算量较大且存在较大误差。文献[3]给出了一种五支腿起重机支腿力的近似计算方法，可作为车架及支腿设计的参考，但存在着计算复杂、有限元模型工况简化过多的缺点。

为此，本文采用节点自由度耦合技术，在抗倾覆支撑腿根部限位止口与车架梁限位连接处，将对应节点的自由度耦合起来，使该处的节点具有相同位移，有效提高了有限元校核分析精度和准确性。

1 底盘结构设计

1.1 设计要求

综合系留气球锚泊底盘使用工况——自重、地面系留、空中系留及地面运输，确定该底盘的设计要求如下。

1)功能要求：气球地面系留时，可支撑回转上装360°自由顺桨；行车运输状态可实现机动转移，同时确保回转上装与底盘有效锁定。

2)刚强度要求：底盘应具有足够的刚强度，可承受系留气球的净浮力、风载荷和冲击载荷，底盘结构安全系数不小于1.5。

3)轻量化设计要求：底盘结构应采用集成优化布局及模块化设计，尽可能采用轻质高强度材料，实现各零部件轻量化设计。

4)抗倾覆及抗风防滑安全性要求：底盘工作时，其与上装总自重产生的稳定力矩应大于所有外力产生的倾覆力矩[4]；底盘支撑腿与地面摩擦力应不小于系留气球对锚泊车最大水平拉力。

5)快速组装及运输要求：底盘结构应采用模块化可重组快速连接设计，装配工序简便高效[5]，拆卸后满足三级公路运输要求。

1.2 结构详细设计

系留气球锚泊底盘由底盘纵梁、底盘横梁、抗倾覆支撑腿、承重支撑腿和回转支承支座组成。其中纵梁和横梁为Domex700MCD高强度钢，含有更高的铌、钛及钒等合金化元素，在高强度条件下具有良好的可成形性、可焊接性和高冲击强度[6]。底盘结构材料力学性能参数见表1，底盘结构示意图如图1所示。

表1 底盘结构材料力学性能参数

图1 底盘结构示意图

2 载荷工况分析

锚泊底盘所承受外载荷有上装自重及所有外载荷折算到回转中心处所产生的轴向力、径向力和倾覆力矩。底盘结构受力示意图如图2所示。

图2 底盘结构受力示意图

锚泊底盘主要受自身重力载荷和回转上装安装座处传递的外载荷，其中自身重力载荷按惯性力施加，回转支承安装座载荷见表2。由于工作状态下回转上装360°自由顺桨，考虑到结构的对称性，计算工况取回转上装与底盘0°～180°范围校核计算，每隔30°计算一种工况。

表2 回转支承安装座载荷

3 底盘有限元分析

锚泊底盘是系留气球地面系留时回转上装自由顺桨的主要受力部件，因此校核其结构的强度尤为必要。依据底盘的结构形式和实际应用工况，建立有限元分析模型，对其在极限载荷工况下的结构强度和刚度响应进行有限元仿真校核分析。

3.1 有限元模型

底盘结构的主承力纵梁、支撑腿支臂均采用壳单元建模[7]，底盘悬挂结构采用集中质量模拟，螺栓连接采用刚性单元模拟，回转上装及回转轴承对底盘平台的影响等效为力和力矩施加于回转轴承形心，整个有限元模型包含264 762个壳单元、2 178个质量单元和160个刚性单元，共256 807个节点。利用ABAQUS软件建立的底盘结构有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型示意图

3.2 边界条件

回转上装自由顺桨时，上装纵梁与载车平台成一定夹角，载车平台部分支撑腿可能存在离地情况，在有限元计算时，释放离地支撑腿的约束，在承受地面支反力的支撑腿处约束其平动自由度。自重工况下8条支撑腿均匀约束时状态示意图如图4所示。

图4 自重工况模型边界约束条件

3.3 自由度耦合处理

锚泊底盘抗倾覆支撑腿与底盘车架主梁通过法兰+限位止口方式连接，底盘受载工作时，支撑腿与主梁之间的接触理论上为法兰连接端面和下限位面接触。从支撑腿与车架相对位置关系分析，如将车架视为固定，倾覆支撑腿则为一外伸梁。

倾覆支撑腿和固定车架连接法兰处无间隙，支撑腿与车架限位止口处有1～2 mm间隙，二者的面接触特点使得采用焊接连接是不合适的[8]。本文采用节点自由度耦合技术，在倾覆支撑腿与固定车架的限位面接触处将对应节点的自由度耦合起来，使接触处的节点具有相同位移。选择接触面处节点分别约束x，y，z方向的移动自由度和绕y，z轴的转动自由度，如图5所示。

3.4 有限元分析

借助ABAQUS有限元分析软件对锚泊底盘主体结构进行静强度分析。

1)自重工况。

锚泊底盘最大变形量为3.54 mm，位于悬挂侧支撑框端部；最大应力为198.4 MPa，位于抗倾覆支撑腿与底盘根部的连接区域，满足底盘结构1.5倍安全系数要求。底盘应力及位移云图分别如图6、图7所示。

图6 自重工况下底盘应力云图

2)空中系留工况。

锚泊底盘最大变形位于上抬支撑腿处，回转上装在0°～180°内顺桨时，最大上抬位移为31.8 mm，最大应力为365.2 MPa，位于抗倾覆支撑腿与底盘根部的连接区域，满足底盘结构1.5倍安全系数要求。底盘应力及位移云图分别如图8、图9所示。

3)地面系留工况。

当回转上装与底盘车架成30°夹角时，最大变形位于上抬支撑腿处，支撑腿最大上抬位移为52.4mm，最大应力为438.9 MPa，位于抗倾覆支撑腿与底盘根部的连接区域，满足底盘结构1.5倍安全系数要求。底盘应力及位移云图分别如10、图11所示。

图8 空中系留工况下底盘应力云图

图9 空中系留工况下底盘位移云图

图10 地面系留工况下底盘应力云图

图11 地面系留工况下底盘位移云图

根据上述有限元计算分析结果，锚泊底盘在自重、空中系留及地面系留工况下最大应力为438.9 MPa，最大变形为52.4 mm，满足底盘结构1.5倍安全系数要求。

4 结束语

本文依据超静定锚泊底盘总体结构布局及载荷工况，借助ABAQUS软件，采用壳单元及自由度耦合技术建立有限元分析模型，分别校核分析了底盘自重、空中系留和地面系留3种工况下应力和位移分布规律，可为类似机动式系留气球超静定底盘结构校核分析提供参考。