多用途抢险救援车辆的驱动桥壳结构强度分析

刘　钢，涂群章，潘　明，李　沛，赖喜涛，黄　皓，张　帅，张庆宇

（陆军工程大学野战工程学院，江苏 南京210007）

多用途抢险救援车辆是针对我国灾害事件的多样性和复杂性特点，以及应急装备落后的情况而设计。形成一批应急救援装备，建立高机动多功能应急救援装备标准体系，才能为全面提升我国公共安全保障能力提供有力的科技支撑。目前对于重型车辆的车桥的性能要求越来越高，为了提高强度和刚度，现使用的是现代设计方法，并且用有限元法对于车桥桥壳进行分析。车辆的驱动桥壳是车辆的主要承载构件之一，由于抢险救援车辆经过的路面地形比较复杂，路面条件较差，车辆行驶过程中会产生较大的动载荷，对驱动桥的承载能力提出了更高的要求，局部的应力会导致驱动桥壳的变形[1]，车桥受力过大会导致断裂。设计的时候，要考虑受力以及材料的属性和位移变化量，这样才能提高稳定性。

针对某型高机动应急救援车辆，课题组设计了其驱动桥的结构，本文拟对驱动桥壳进行应力和变形进行相应的分析[2]，为下一步驱动桥壳结构的优化与改进打下基础。

一般情况下，在对桥壳进行设计的过程中，可以将驱动桥壳看成简支梁来进行简化计算，求出断面的最大应力值，运用有限元能够很好地解决此类问题[3]。计对桥壳比较复杂，这样计算工作量比较庞大，所以需要对一些不重要的构件进行简化，其中包括：对一些不重要的尺寸忽略不计，对于焊接处材料性质忽略其变化；忽略在生产过程中桥壳材料的不均质[3]。表1为驱动桥壳材料特性。桥壳在SolidWorks中进行建模，完成后将模型导入到ANSYS Workbench中[5]，并进行网格划分，得到355 591个节点数和215 582个单元，最后得到有限元模型，如图1所示。

表1　驱动桥壳的材料特性

图1　驱动桥桥壳有限元模型

1　车桥有限元模型

本文研究的桥壳模型是经过钢板冲压和焊接的整体式桥壳。使用SolidWorks三维制图软件对车桥壳的模型进行构造建立[4]。由于应急抢险救援车辆所设

2　对桥壳的结构和强度进行计算和有限元分析

2.1　四种工况下的计算[3]

（1）最大垂向力工况

多用途抢险救援车辆以较高的速度行驶在凹凸不平路面时，驱动桥壳除了受到静载荷外，还受到相应的冲击载荷[6]，此时桥壳所受到最大的垂向力，并且不受其它力和弯矩，所受到的最大垂直向下的力为：

式中，G1为该救援车辆静止时，驱动桥所受的重力；δ为动载荷系数，这里取2.5；g为重力加速度，一般为9.8m/s2；m1为所受的最大静载荷，取12 000 kg（车辆最大载荷为24 t.这里取最大值一半）。

（2）最大驱动力工况

多用途抢险救援车辆在牵引力达到最大时直行，忽略所受到的侧向力，只受到的载荷有垂直向下的力和驱动力，桥壳的一端所受到的垂直向下的力为：

式中，α为车辆行驶时后桥的负载转移系数，取1.2.

车桥所受到的最大驱动力为：

式中，Temax为发动机的最大转矩（N·m）；i1为变速器速比；i0为主减速器比；η为发动机的效率；r为车轮的半径（m）.

（3）最大制动工况

多用途抢险救援车辆在刹车时，忽略所受到的侧向力，桥壳只受垂向力和制动力。桥壳的一端所受的垂直向下的力为：

式中，χ为车辆行进过程中驱动桥的转移系数。

一端桥壳所受的制动力达到最大为：

式中，φ为地面附着系数，此处取值0.8.

（4）最大侧向力工况

多用途抢险救援车辆在需要急转弯的时候，进行急转，车辆发生侧滑，在侧滑方向，此处的侧向力和垂向力都达到最大值，而桥壳的另一端所受的力可以视为零，忽略纵向力。桥壳发生侧滑一端所受到的垂向力和侧向力为：

式中φ1为侧滑附着系数，此处取值1.0.

2.2　针对不同的工况确定边界约束条件和加载方式

针对前述四种工况来确定边界的约束条件和相应的加载方式，如表2所示。

表2　四种工况下边界约束条件和加载方式

2.3　对四种工况下桥壳结构强度进行计算分析

（1）最大垂向力工况

当达到最大垂向力时，用有限元分析软件对模型进行约束和加载后得到的等效应力和位移如图2、图3所示。

图2　最大垂向力工况等效应力图

图3　最大垂向力工况位移图

该工况下驱动桥壳的最大应力发生在板簧和桥壳体结合处附近，最大位移发生在桥体靠近凸起部位。

（2）最大驱动力工况

当在最大驱动力下工作时，用有限元分析软件对模型进行约束和加载后得到的等效应力和位移如图4、5所示。

图4　最大驱动力工况等效应力图

图5　最大驱动力工况位移图

该工况下驱动桥壳的最大应力发生在板簧和桥壳体结合处附近，最大位移发生在桥体靠近凸起部位。

（3）最大制动力工况

当进行制动，制动力达到最大时，用有限元分析软件对模型进行约束和加载后得到的等效应力和位移如图6、7所示。

图6　最大制动力工况等效应力图

图7　最大制动力工况位移图

该工况下驱动桥壳的最大应力发生在板簧附近，最大位移发生在凸包附近。

（4）最大侧向力工况

当一侧受力为零，一侧所受的侧向力最大时，用有限元分析软件对模型进行约束和加载后得到的等效应力和位移如图8、9所示。

图8　最大侧向力工况等效应力图

图9　最大侧向力工况位移图

该工况下驱动桥壳的最大应力发生在侧滑方向一端的半轴套管变截处，最大位移发生在侧滑一端的轴端处。

各工况下桥壳的等效应力和位移如表3所示。

表3　各工况下等效应力和位移

分析：查阅资料《汽车驱动桥台架试验评价指标》，其中要求轮距的最大变形量控制在1.5 mm/m.1）在最大垂向力工况下，最大应力为151.57 MPa，小于桥壳体材料的屈服强度345 MPa.最大位移0.504 08 mm符合要求。2）在最大驱动力工况下，最大应力为156.34 MPa，小于小于桥壳体材料的屈服强度。最大位移1.1573 mm符合要求。3）在最大制动力工况下，最大应力为67.695 MPa，小于桥壳体材料的屈服强度345 MPa.最大位移0.3 456 mm符合要求。4）在最大垂向力工况下，最大应力为24.38 MPa，小于桥壳体材料的屈服强度785 MPa.最大位移0.24315 mm符合设计要求。

3　结束语

通过以上的计算研究可知：（1）经过静力学计算分析，设计的驱动桥桥桥壳满足各工况下所需的强度和刚度的要求。

（2）使用三维制图软件SolidWorks设计桥壳，具有便捷的特点。在运用ANSYS Workbench进行分析的时候更能模拟出各工况下的情况，也能更好地帮助设计者进行分析。

（3）可以进一步对桥壳进行模态分析和动态应力分析，在此基础上进行桥壳结构的优化设计，最大限度地节约成本，使结构达到要求。