专用水泵车回转平台轻量化设计

彭 倩，蓝平辉，阙彬元，王 方

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院,福建厦门361024; 2.福建侨龙专用车有限公司,福建龙岩364000)

专用水泵车回转平台轻量化设计

彭 倩1，蓝平辉1，阙彬元2，王 方1

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院,福建厦门361024; 2.福建侨龙专用车有限公司,福建龙岩364000)

基于某款大流量排水抢险专用车，建立其回转平台机构的有限元模型，采用Optistruct软件对回转机构尺寸厚度进行轻量化设计，通过强刚度分析验证轻量化设计结果可行性.结果表明：分别对回转机构中的180°弯头、举升油缸座加强梁和变形三通座尺寸厚度改进，不仅可以达到平台强刚度结构可靠性要求，同时实现回转平台机构质量从原来827.2 kg降低到757.7 kg，轻量化程度达到8.4%，研究结果为改进相关专用水泵车回转平台机构设计提供参考依据.

专用车；结构可靠性；轻量化；有限元方法

近年来我国大陆范围内普遍出现降雨量分布不均现象,导致多个省会城市及地区受到不同严重程度的洪涝灾害［1－4］.在洪涝灾害到来第一时间完成抢险排水工作,对整个抢险救援任务至关重要.液压水泵专用车是专门用于各种供抢排险、应急排洪救险等紧急任务的特种抢险作业车辆［5］.其中,专用车上的回转平台对突破因环境带来的作业范围的局限起着关键性作用.国内专用车关于回转平台的设计优先考虑通过平台大质量来抵抗因回转平台工作机构作业时产生的大扭矩和大倾覆力矩,从而造成整个回转平台过于笨重,影响整车的可靠性.同时,过于笨重的回转平台将导致驱动力增加,驱动装置设计复杂,进而增加生产成本［6－9］.针对以上专用车回转平台面临的不足,本文基于某款大流量排水抢险专用水泵车,采用有限元方法进行轻量化设计.

1 回转平台模型的建立

排水抢险专用车回转平台机构由上回转台、回转支承和下回转台组成.其中,上回转平台由180°弯头和举升油缸座加强梁等若干构件组成,下回转平台由箱体及内部变形三通座等组成,回转支撑采用蜗轮蜗杆形式.该专用车采用简单单动力驱动形式的前置布置结构.整个机构通过上回转平台的180°弯头和举升油缸座加强梁实现工作设备的举升和支撑运动作,由回转支撑中的蜗轮蜗杆机构实现向左、向右180°自由回转运动要求,所有上部工作机构的运动均在下回转台的支撑作用下完成.

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的大小直接影响计算运行时间,为了提高有限元分析模型的计算效率,在专用车回转平台三维几何结构基础上,对三维结构进行简化处理［10－11］.采用通用有限元网格划分软件HyperWork®模块基于表1所示的网格标准,对整个回转平台机构骨架进行网格划分,建立回转平台机构有限元模型如图1所示.

表1 有限元网格的标准Table 1 FEM standards

图1 回转平台机构有限元模型Fig.1 FEM of rotary platform mechanism

回转平台承受工作机构带来的动态载荷并传递给专用车底盘,致使平台结构受力复杂.模型采用壳单元、实体单元和刚性单元等模拟回转平台的框架结构.为了提高计算精度减少计算时间,网格大小采用10～15 mm,板件厚度与实际情况一致,模型总单元数为188 847,节点数为63 789.机构中各承载结构均采用Q345普通弹塑结构钢,其材料特性如表2所示,材料特性曲线如图2所示.

表2 材料特性Table 2 Material properties

图2 材料特性曲线Fig.2 Curve of the material characteristic

1.2 优化前强度刚度分析

在回转平台有限模型基础上,进行结构强刚度分析,不仅可以较准确判断平台受力大小和变形位移规律.同时,通过结构强刚度分析得出结果与实际情况进行对比,可以判断有限元模型的有效性和回转平台工作中的结构可靠性.

仿真试验在回转平台的极限工况条件 (试验测得所需的仿真输入载荷值)进行强刚度边界条件设置,通过给回转平台的左右举升油缸支座底板上各施加20 kN的外力载荷模拟举升液压缸的举升作用力,在上180°弯头的左右两边添加35 kN的外力载荷模拟举升工作面的竖直极限作用力,同时,对回转平台的箱体底部6个自由度进行约束,具体边界条件如图3所示.

图3 极限边界条件Fig.3 Limit boundary conditions

经Optistruct模块计算结果可知,整个回转平台的最大应力出现在回转支撑下部受压的一侧,为162.839 MPa,此时的应力值远远小于其材料的屈服强度345 MPa.应力在许用材料强度范围内,结构完整未出现压溃现象.对整个强度分析过程发现,由回转平台以上部分结构引起的扭矩对回转平台的应力和变形影响不大,而回转平台以上部分结构的自身重力,以及引起的弯矩在结构上却产生很大的应力和变形,为此,后续可根据分析的需要更改主要结构的板厚,以求设计出满足工作条件的回转平台.

在回转平台的静态刚度要求方面,国内还没有一个严格的校核标准.因为回转平台的静态刚度最重要的是满足回转支承平稳运行条件,即移动水泵车在额定载荷作用下,回转支承要平稳运行,其内外圈之间的间隙必须在允许的范围内,所以,本文以回转支承的允许间隙作为静态刚度校核准则,即回转平台的最大轴向位移必须小于回转支承允许的轴向间隙,最大横向位移必须小于回转支承允许的横向间隙.根据回转支承径向大小可以计算出允许的轴向间隙最大值为0.25 mm,允许的横向间隙最大值为0.08 mm.通过分析整个回转平台的位移变形量发现,回转平台机构的变形最大位移出现在举升油缸座加强梁,位移值为0.196 mm.其中,Z轴方向 (轴向)位移最大值为0.148 mm、X轴 (横向)方向位移最大值为0.029 mm,所有位移变形都在允许的位移范围内,整个回转平台结构刚度均满足要求.

2 回转平台机构轻量化设计

2.1 Optistruct模块轻量化原理[12]

基于Hyperwork软件中的Optistruct模块具有强大的结构优化功能,支持全面的优化类型,包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化和自由形状优化,通过各种内部优化功能可以寻找较优的尺寸结果,从而实现机构的轻量化要求.

其中,软件内部尺寸优化设计数学模型为

式中：X＝(x1,x2,…,xn)是设计变量；XL和XU是设计变量X的上下限；f(X)是设计目标；gj(X)和hk(X)是需要进行约束的设计响应.

2.2 尺寸优化

对回转平台的强度分析结果可知,采用尺寸优化的轻量化方法可以在满足整体强度的同时较好地实现轻量化目标.依据以上的优化数学模型,文中通过在Optistruct模块中定义离散变量X＝(x1,x2,…,xn),其中,XL和XU厚度取1.0～20 mm上下限内的值,增量定义为1 mm,模型的设计目标f(X)为质量最小,即：Minmize：f(X)＝f(x1,x2,…,xn)＝Mmin,定义优化模型的设计响应为强刚度工况.模型经优化分析仿真计算得到回转平台各结构部件优化后的厚度分布图,如图4所示.其中,优化前后的厚度变化情况如表3所示,分析后可以得到各部件优化结果如表4所示.

图4 优化后厚度分布图Fig.4 Optimized thickness distribution

表3 优化前后的厚度变化情况Table 3 Thickness variation of the optimized front and rear

表4 各部件优化表Table 4 Optimization of parts

由表4可以知道,对回转平台机构中举升油缸座加强梁、180°弯头和变形三通座等结构的厚度尺寸优化,可以实现整个回转平台总质量从原质量827.2 kg降低到优化后质量757.7 kg,轻量化前后质量减轻69.5 kg,轻量化程度达到8.4%,轻量化效果较为明显有效.

2.3 优化后的强度刚度分析

尺寸优化后的回转平台机构实现了较高轻量化目标要求,对优化后的整个回转平台机构进行强刚度结构可靠性校核,应力分析结果输出如图5所示.

观察图5发现整个回转平台机构的最大应力仍然出现在回转支撑下部受压的一侧值为282.8 MPa,小于其材料的屈服强度345 MPa,回转平台的强度校核满足材料结构可靠性要求.

回转机构位移变形量输出如图6所示,通过对比发现,变形最大位移出现在举升油缸座加强梁,位移值为0.327 mm.其中,Z轴方向位移最大值为0.22 mm(＜0.25 mm),X轴方向位移最大值为0.0263 mm(＜0.08 mm),变形的轴向和横向位移均未超出间隙要求,回转平台机构的刚度满足结构可靠性要求.

通过以上分析校核得知,优化后回转平台机构强刚度校核分析满足实际结构的强刚度要求.

图5 优化后应力分布情况Fig.5 Distribution of stress after optimization

图6 优化后位移变形情况Fig.6 Displacement deformation after optimization

3 结语

针对某款大流量排水抢险专用水泵车的回转平台机构进行了轻量化研究设计,设计结果使该回转平台机构的总质量在轻量化前后减轻了69.5 kg,轻量化程度达到8.4%.依据强刚度结构可靠性要求对轻量化后的回转平台进行了安全校核,通过分析可知优化后回转平台较好地完成了轻量化的可行性验证.研究结果在实践工程应用中具有较好的实践指导和参考意义.

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Design of a Lightweight Rotary Platform for Special Pump Vehicles

PENG Qian1，LAN Ping-hui1，QUE Bin-yuan2，WANG Fang1
（1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Fujian Qiaolong Special Purpose Vehicle Co.Ltd.，Longyan 364000，China）

The finite element model of a rotary platform for special pump vehicles was designed using Optistruct to decide thickness of the rotary mechanism and its strength and stiffness was analyzed to verify feasibility of this lightweight design.The results show that the improved thickness of the 180°elbow，the strengthening beam of the lifting oil cylinder bridge and the deformation tee meets the requirements of reliability of the platform strength and stiffness，and at the same time reduces the weight of the platform from 827.2 kg to 757.7 kg by 8.4%，making it a remarkable lightweight design.The design provides useful references for relevant improving rotary platform mechanism for special pump vehicles.

vehicle；reliability；lightweight；finite element method

U462.2

A

1673－4432（2015）05－0007－05

（责任编辑 李 宁）

2015－07－25

2015－10－20

国家外专局高端外国专家项目 (GDT20153600065)；厦门理工学院对外科技合作交流专项(E2014039)；厦门理工学院高层次人才项目 (YJK13002R)

彭倩 (1983－),男,讲师,博士,研究方向为车辆安全、结构轻量化.E-mail：2012110804＠xmut.edu.cn