大跨度举高消防车底架支腿接触非线性计算及试验验证

摘要：针对传统大跨度举高消防车的底架支腿之间接触区域应力较难准确评估的问题，基于接触非线性计算方法对某款大跨度举高消防车底架支腿的接触区域强度进行有限元分析，通过对典型位置的仿真结果与实车测试结果进行对比，验证了接触非线性计算的准确性，为底架支腿的轻量化设计提供了新思路，可广泛应用于大跨度举高消防车优化设计中。

关键词：大跨度举高消防车；底架支腿；接触非线性计算；有限元分析

中图分类号：U467 收稿日期：2023-01-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.013

1 前言

在大跨度举高消防车灭火救援时，底架支腿作为主要的承载部件，承受整车重力、上装臂架的倾翻力矩及喷水反力矩[1-2]。因而，底架支腿受力的准确计算，对大跨度举高消防车的整车安全性和稳定性尤为重要。

然而，传统的底架支腿设计计算方法难以准确计算大跨度举高消防车多工况、多角度、多姿态，底架与活动支腿之间接触区域的接触应力。目前，较为通用的方法是建立底架与支腿的Shell181单元壳体有限元模型，在底架与活动支腿之间添加CERIG单元进行刚性连接来计算接触区域应力，从而忽视了该处滑块对支腿上下盖板的接触挤压作用，如图1所示。

基于此，以某型大跨度举高消防车为例，选取典型工况对底架支腿结构进行接触非线性计算，并通过实车结构试验验证模型的准确性。

2 底架支腿有限元模型

本文利用ANSYS软件多种单元类型的特点，对SOLIDWORKS中底架支腿三维模型进行中面提取和几何处理，应用HyperMesh软件对底架支腿进行网格划分，添加有限元信息，建立底架支腿焊接装配体有限元模型。

如图2所示，支腿和底架是由钢板焊接而成的装配结构，采用Shell181壳单元来模拟；对于二级活动支腿垂直油缸、后摆腿摆动油缸采用Link180杆单元来模拟；对于轴与轴承之间力的传递，采用Beam188梁单元来模拟；一级活动支腿和二级活动支腿搭接处、底架与一级支腿搭接处采用Solid185实体单元来模拟，如图3a所示。

受力的质量点采用Mass21单元来模拟。对于底架支腿结构中一些非承载结构，如水路、副车架、副梁、底盘大梁附属结构，其质量不能直接忽略，在ANSYS中简化实体为质量点加载在相应重心位置。

底架与后摆腿之间简化连接方法如图3b所示，只在轴与轴套接触位置添加Beam188单元模拟受弯受剪。该简化连接方法能高效模拟轴对轴套的作用，保证模型中底架与后摆腿之间力传递的正确性。

为了更好地模拟底架支腿间传力，有限元模型中对底架支腿搭接位置采用面面接触分析。面面接触算法是通过目标面和接触面构成接触对来模拟面面接触力学行为，而且支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；提供为工程目的需要的更精确的接触结果，如法向压力和摩擦应力。目标面采用TARGET 170模拟，接触面采用CONTA173模拟。

如图4所示，接触对1、2、5、6为二级伸缩支腿与一级伸缩支腿之间的接触位置；接触对3、4、7、8为一级伸缩支腿与底架之间的接触位置；接触对9为回转支撑面与回转中心上装质量点之间的接触位置；接触对10为底架与副梁之间的接触位置。

所建立的最终模型如图2所示，网格单元数为34.3万，节点数为33.8万；控制四边形单元长宽比≤5.0，翘曲度≤16°，偏斜度≤60°，内角范围为40°～135°[3]；控制三角形单元长宽比≤5.0，偏斜度≤60°，内角范围为20°～120°。

3 边界条件

3.1 力边界条件

大跨度举高消防车底架支腿结构灭火救援工作中所受的载荷，主要有上装臂架回转部分所产生的垂直载荷和弯矩、喷水反力和反力矩、风载荷和风载荷的作用力矩等，选取的载荷组合为臂架结构自重加水自重后乘以1.1，喷水反力载荷系数1.25[4-5]。

大跨度举高消防车工作时，底架支腿结构承受上装回转部分的垂直载荷和倾翻力矩，现将其分别通过节点耦合的方式加载到回转支撑法兰面中心，如图5所示。下车载荷通过配重心的方式加载到底盘大梁上。

3.2 位移边界条件

消防车工作时，前后支腿展开着地后将整车支撑起来，轮胎离地。由于上装倾翻力矩的作用，底架支腿结构出现一定的扭转变形，以至于前后支腿在左右、前后方向发生滑动[6]。故在设置支腿垂直油缸的约束时，应当考虑释放底架支腿前后、左右运动的自由度。底架支腿的位移边界条件如图6所示。

4 工况分析

消防车灭火救援作业时，臂架有多种展开形式，当一臂变幅角度最低，其余臂节水平全伸时，上装对下车的倾翻力矩最大，为底架支腿结构受弯最危险工况；水箱、泡沫箱空箱，器材室无器材，驾驶室无乘员载员，为底架支腿受扭最危险工况。

为了更全面地对比底架支腿结构的接触区域的应力及变形情况，使臂架做360°回转，对底架支腿进行接触非线性计算，并依据支反力最大或抬腿量最大的原则[4]，选择0°、46°、90°、126°、180°、235°、270°、315°等共 8个典型工况，上装臂架在正后方时为0°。

在ANSYS软件中计算的应力值均为Von Mises Stress应力值，遵循第四强度理论[7-9]。

许用应力值计算公式如下[10]：

式中，[σ]为许用应力值，304 MPa；n为安全系数，取2；[σs]为屈服强度，690 MPa；[σb]为抗拉强度，750 MPa。

端面承压许用应力值计算公式如下：

式中，[σcd]为许用应力值，426 MPa。

5 结果分析

5.1 模型正确性验证

利用ANSYS软件进行底架支腿接触非线性计算，提取8个工况支腿反力与稳定性软件计算结果进行对比。为了更清晰地对比支反力数据的差异，绘制对比曲线，如图7所示。

由图7可知，接触非线性计算的支腿反力与整车稳定性软件计算的支腿反力随回转角度变化趋势是一致的。接触非线性计算的支腿合反力与整车计算表的整车总载荷之间的误差不应超过1 t；接触非线性计算的单支腿反力与稳定性计算软件计算的单支腿反力之间误差不应超过2 t；接触非线性计算支腿反力最大时回转角度与稳定性计算软件计算的回转角度的误差不应超过10°；接触非线性计算三点支撑时回转角度与稳定性计算软件计算的回转角度的误差不应超过10°；可以验证底架支腿结构的接触非线性计算有限元模型是有效的。

5.2 应力计算结果对比

采用传统有限元计算方法计算的右前支腿与底架之间接触区域应力如图8所示。右前二级支腿与右前一级支腿之间接触区域最大应力为1 459 MPa，右前一级支腿与底架之间接触区域最大应力为1 023 MPa，计算值远大于端面承压许用应力，与实测值相差较大。

采用接触非线性计算方法计算的右前支腿与底架之间接触区域应力如图9所示。右前二级支腿与右前一级支腿之间接触区域最大应力为543 MPa，右前一级支腿与底架之间接触区域最大应力为345 MPa，计算值与实测值相差较小。

6 底架局部结构优化

基于5.2节的应力计算结果对比，还可以得到右前支腿和底架整体应力较传统计算方法要小，存在一定的材料冗余。以底架为例，底架原方案局部加强结构如图 10a所示，底架局部加强结构是由三块钢板焊接而成的箱型结构，两块立板横穿底架两侧侧板，在横穿位置还焊有贴板，焊接加工工艺复杂。其应力如图11所示，加强区域应力普遍较低，不超过137 MPa。

借鉴国外先进汽车起重机底板加强结构，对底架原方案局部加强结构进行优化布局。优化后底架局部加强结构如图10b所示，优化后底架局部加强结构由多块间隔相同的加强板焊接而成。单个加强板两端宽，中间窄，之间呈圆弧过渡。优化后加强结构不用横穿底架侧板，优化了力的传递，同时减轻了底架重量。其应力如图12所示，加强区域应力最大应力345 MPa，小于端面承压许用应力426 MPa，满足强度要求。

7 试验验证

7.1 整车稳定性试验

将大跨距举高消防车按支腿最大跨距、臂架最大工作幅度展开，臂架末端用铁链吊1.25倍额定载荷的重物。臂架每回转10°，记录下回转角度、支腿反力、离地间隙。试验过程如图13所示。

将记录的回转角度与支腿反力绘制成曲线图（见图14）。从图14可以看出，支腿反力的试验值与计算值的相对误差在9%以内，计算值与试验值吻合程度很高。

7.2 底架支腿结构应力试验

根据接触非线性计算结果，在底架龙门板的开口处贴应变片（见图15）。为了消除温度对应力试验的影响，采用半桥应力测试方法，按要求将测试应变片与其匹配的温度补偿片接入应变测试仪的测试通道中，在确保线路连通后，进行应力试验（见图16）。

将记录试验测试应力值与有限元分析值绘制成曲线图（见图17）。从图17可以看出，80%的关键测点测试数据正常，关键测点试验应力值与计算应力值相对误差在15%以内，计算结果与试验结果吻合程度较高。

综上可知，底架支腿结构接触非线性计算模型的简化合理，边界条件及力的传递正确，接触非线性计算结果可靠。底架支腿局部优化后结构满足刚度、强度、稳定性要求。

8 结语

a.底架支腿接触非线性计算接触区域强度较传统有限元计算方法更接近真实值。

b.底架支腿接触非线性计算结果表明，现有底架支腿局部加强结构存在材料冗余的现象。

c.底架支腿接触非线性计算结果，可用于指导底架支腿结构优化设计。

参考文献：

［1］石鹏飞，陈明，胡亮.大跨度举高喷射消防车设计研究[J].机械工程与自动化，2015（4）：110-112.

［2］徐国荣，石祥，李翔，等.新型大跨度举高喷射消防车的关键技术[J]消防科学与技术，2017，36（10）：1412-1413.

［3］陈新志，杨军.基于拓扑优化的举高消防车转台轻量化设计[J].专用汽车，2022（9）：46-47.

［4］BS EN 1777：2010 Hydraulic platforms for fire fighting and rescue services-Safety requiirements and testing[S].

［5］EN 14043：2014 High rise aerial appliances for fire and rescue service use -Turntable ladders with combined movements-Safety and performance requirements and test methods[S].

［6］邹宁波，周敏，杨军.举高消防车活动支腿纵向跨距对支腿离地距离的影响[J].专用汽车，2023（8）：31-32.

［7］曾庆礼，刘召华，杨军.消防车支腿反力理论计算及有限元验证[J].专用汽车，2022（8）：40-44.

［8］苏复兵，刘志斌，胡步云，等.基于有限元分析的混凝土泵车底架支腿整体计算及测试[J].建设机械技术与管理，2022（3）：58-60.

［9］王湘，王文辉，张立业，等.混凝土泵车支腿门板接触非线性计算及试验验证[J].建筑机械，2015（11）：66-67.

［10］陈玲，葛超波，曹富龙，等.混凝土泵车下车结构有限元仿真计算及测试[J].工程机械与维修，2020（3）：104-106.

作者简介：

禹源，男，1987年生，工程师，研究方向为消防车辆设计开发。