应急救援拖车悬架结构设计及静力学分析

王智森

(景德镇学院 机械电子工程学院，江西 景德镇 333400)

0 引言

随着现代经济社会和城镇化进程的飞速发展，引发公共安全隐患的不确定因素逐年增多[1]。洪涝险情、森林火灾、交通事故及突发公共卫生事件等时有发生，严重危及人民群众的生命健康和财产安全，因此应急救援及处突维稳工作显得十分关键[2-3]。应急救援拖车作为现代应急救援体系中必不可少的组成装备之一，机动能力强，可以实现救援设施的快速转移与调配，对于争取黄金救援时间具有非常重要的作用[4-6]。

本文以某型应急救援拖车悬架为研究对象，对其关键零件转向节进行静力学分析，校核最大应力值及最大变形量以满足使用性能要求。

1 应急救援拖车悬架简化模型建立

1.1 应急救援拖车悬架工作原理

应急救援拖车整体参数如表1所示，悬架系统主要部件包括减震器、弹性元件、导向元件等。两套悬架系统以应急救援拖车中间轴线成对称分布，转向节通过三个球副分别与下横臂、上横臂及转向拉杆连接；减震器上端通过球副与车体连接，下端通过转动副与下横臂连接，减震器伸缩实现车体高度的调节[7-8]。在路面坑洼不平的情况下，悬架系统的减震器液压缸伸缩运动配合减震器套筒端俯仰运动，使车体随时动态调整水平和高度姿态，维持车体运行平稳，保证车体载荷在一对车轮上均匀分布[9]。

表1 应急救援拖车整体参数

1.2 悬架部件三维建模

由于应急救援拖车整体结构呈轴对称分布，因此选取一套悬架系统建立简化模型。根据应急救援拖车整体参数，通过UG软件完成悬架系统主要部件的三维建模[10]。UG中通过旋转命令建立车轮的三维模型，车轮厚度为185mm。转向节立柱部分采用Z字形结构设计，以提高抗弯能力；尺寸自顶向下呈梯形分布，上半部分钢板厚度为36mm，下半部分钢板厚度为28mm，中间部分采用圆角过渡，在UG中通过拉伸、修剪体、凸台、扫掠及边倒圆等命令建立转向节立柱部分的三维模型，通过球命令建立立柱部分的三个球副结构，得到立柱部分整体结构的三维模型如图1所示。

图1 转向节整体结构三维模型

上、下横臂借助三角形稳定性原理采用等腰直角三角形结构布置，UG中通过拉伸、抽壳、孔特征等命令建立三角支承架的三维模型；液压缸底端采用人字形结构设计，保证支承强度及刚度，UG中通过块特征、曲面扫描等命令建立液压缸的简化三维模型；叉形结构设计采用月牙形，结构布置为三点连接轴对称形式，UG中通过扫掠、拉伸、孔特征等命令建立叉形的三维模型；转向杆采用二力杆结构设计，UG中通过拉伸、孔特征等命令建立转向拉杆的三维模型。将完成三维建模的悬架系统各零件按照运动副连接方式进行装配，得到悬架部件的三维模型如图2所示，其中红色表示关键零件转向节立柱。

图2 悬架部件三维模型

2 关键零件转向节立柱静力学分析

2.1 定义材料特性

在应急救援拖车悬架系统整体结构中，转向节是支撑和抗弯扭的关键零件之一。为了避免拖车工作过程中转向节发生断裂、疲劳裂纹及支承面被压溃的情况，通过对其进行结构静力学分析，求出应力及应变等结果并进行校核。

在Windows 7系统下执行ANSYS 15.0的Workbench 15.0命令，启动ANSYS Workbench 15.0进入主界面，选择菜单栏Units的Metric命令，设置模型尺寸单位为mm；展开左侧工具箱中的Analysis Systems菜单栏，双击Static Structural选项载入建立一个含有结构静力学分析的项目模块。首先在UG中将转向节三维模型文件格式(.prt)另存为产品数据交换标准格式(.igs)，然后回到ANSYS Workbench 15.0界面，在Static Structural的项目模块中右击Geometry，从弹出的快捷菜单中选择Import Geometry的Browse命令，打开igs文件完成转向节模型的导入。

在Project Schematic窗口中右击Engineering Data弹出定义转向节材料特性对话框，单击工具栏中的Engineering Data Sources，将其中的General Materials点亮。在Outline of General Materials窗格中选择Structural Steel并添加到当前项目中，得到转向节材料性能参数如表2所示，返回Project Schematic窗口右击Model栏，选择Refresh命令进行一次数据刷新。返回Mechanical窗格，点击Geometry分支下的Part1，选择Material的Assignment栏设置为结构钢的材料特性。

在Mechanical窗格的树形目录中单击Mesh分支，激活网格尺寸划分Sizing命令。在Sizing的属性窗格中，选择整个转向节实体，Scope分支下的Geometry显示为1 Body；定义网格尺寸为8mm，转向节网格划分结果如图3所示。

图3 转向节网格划分

表2 转向节材料性能参数

2.2 施加载荷求解

在Mechanical窗格的树形目录中单击Static Structural分支，单击Environment工具栏中Supports的Fixed Support命令添加到转向节的三个球副面上作为固定约束，单击左下角属性窗格Scope分支下Geometry中的Apply按钮确定。单击Environment工具栏中Loads的Force命令，为转向节上顶面施加压力。由1.1节可知，应急救援拖车最大载重2000kg，加上自重100kg，总计重量2100kg，因此在单个悬架系统上的作用力约为10500N。设置左下角属性窗格Definition分支下Magnitude为10500N，Direction为垂直向下。

在Mechanical窗格的树形目录中单击Solution分支，单击Solution工具栏中Stress的Equivalent命令，添加Equivalent Stress结果；单击Solution工具栏中Deformation的Total命令，添加Total Deformation结果。单击工具栏内的Solve命令，对转向节静力学模型进行求解，得到转向节应力分布如图4所示，变形分布如图5所示，图中Max标分别表示最大应力点和最大变形处。由图可知：转向节在满载工况下受到的最大应力值为49.564MPa，最大应力位置在转向节上球副与拨叉的连接杆处，处于转向节结构钢材料的屈服强度安全值范围内；受到的最大变形量为0.0095mm，发生在转向节中部过渡处偏下位置。转向节变形量较小，刚性较强，能够保证应急救援拖车悬挂系统正常工作。

图4 转向节应力分布云图

图5 转向节变形分布云图

3 结论

本文以某型应急救援拖车悬架为例，介绍运用UG/ANSYS Workbench软件进行应急救援拖车悬架结构设计及转向节静力学仿真分析方法和操作步骤。根据应急救援拖车整体参数进行结构设计，建立悬架系统主要部件转向节、上和下横臂、减震器等的三维模型，添加连接约束完成装配。转向节作为应急救援拖车悬架系统的关键零件之一，通过对其进行静力学分析，求解得到转向节结构最大应力值为49.564MPa，最大变形量为0.0095mm，说明在受载条件下转向节不会发生断裂、疲劳裂纹及弯曲变形现象。