云梯消防车梯架结构有限元分析

沙丽荣 余 俊

(吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118)

0 引言

自1892年马基路斯公司生产出世界上第一台塔架式云梯消防车开始[1],国外的云梯消防车发展历史已有一百多年,并且世界各国消防车制造公司都根据市场要求,竞相推出新产品,消防车的技术性能和安全性能都有了很大程度的提高.

我国在云梯消防车研究方面起步较晚,其核心技术主要依靠进口,与国外的同级别云梯消防车相比,无论是在质量上还是在性能上都相差甚远.云梯消防车上最为关键与核心的部位便是上部系统中的梯架结构 ,其性能是判断云梯消防车产品层次的重要指标之一.

本文从云梯消防车的梯架结构入手,利用ANSYS软件对云梯消防车的梯架结构模型进行仿真分析,从而校核梯架结构的强度,为梯架结构的拓扑优化提供理论依据.

图1 云梯消防车Fig.1 Aerial ladder truck

1 梯架结构简介与力学分析

一般将登高平台消防车工作时的主要承载结构分为上车系统和下车系统.上车系统主要包括:消防系统、臂架和安全装置等.下车系统主要包括:汽车底盘、支腿总成、副车架、电控系统、下车液压等.除了上述结构以外,云梯车的上车系统是可以进行360°的水平旋转,竖直范围类似-12°～75°的俯仰运动[2].某云梯消防车工作图见图1.

1.1 云梯消防车梯架结构简介

云梯消防车的梯架部分是云梯消防车进行结构优化分析的主要部分[3],其上的主要部件包括:钢结构桁架、钢丝绳和滑轮组.梯架结构采用的是四节同步伸缩钢材料桁架结构,梯架四端带有工作斗.云梯消防车梯架结构见图2所示.

图2 云梯消防车梯架结构Fig.2 Ladder structure of aerial ladder truck

图3 载荷示意图Fig.3 Load diagram

1.2 梯架结构力学分析

云梯车的梯架结构是本文的主要研究部分,梯架结构所受的载荷主要包括:梯架自身重力FG,消防水重力FN,梯架惯性力FR,消防员重力FE,风荷载FW,工作平台重力FS,工作载荷力FL,梯架所受到的载荷情况见图3所示.

通过对梯架结构的局部载荷分析,进而对整个梯架结构进行推导,可以得出梯架结构的最危险工况,即云梯处于水平全伸情况下,即变幅角为0°和伸缩量为最大时,是本文的研究重点.但是结合云梯车在实际工作时的情况,云梯车处于75°全伸的工作状况也是不可忽略的,所以这也是本文的研究内容之一,暂且将这两种工况称为工况1与工况2进行分析研究.

2 ANSYS简介及有限元模型的建立

ANSYS软件是由美国ANSYS公司研制的[4],集合了结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的有限元分析软件,其主要包括三大模块,即:前处理模块、分析计算模块和后处理模块.它不仅能够独立完成从模型的建立、模型网格的划分到模型的仿真分析等一系列完整分析过程,同时还具有各种软件接口,能够将不同软件的优点有效地结合起来,大大提高工作效率,是目前非常重要的CAE工具.

图4 梯架结构有限元模型Fig.4 Finite element model of ladder structure

2.1 有限元模型的建立

本文研究的云梯消防车梯架结构材料为高强度70钢,材料属性:密度ρ=7.85×103kg/m3,弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3,屈服极限强度σs=700MPa.梯架结构主要采用Beam188单元,网格单元大小划分为100mm,为了防止应力集中,在梯架结构连接比较复杂的地方,对网格划分做细化处理,尖角做平滑处理.所建有限元模型如图4所示.

2.2 模型约束与载荷的施加

根据国家标准规定[5]，静力情况下，测试荷载应为额定荷载的1.5倍，用梯架结构的额定荷载450kg乘以安全系数1.5，可以得到梯架结构的测试荷载为675kg.施加约束与荷载后的梯架结构如图5与图6所示.

图5 工况1约束与载荷Fig.5 Constraint and load under condition 1

图6 工况2约束与载荷Fig.6 Constraint and load under condition 2

2.3 梯架结构的应力分析

梯架结构在施加约束与荷载后,在ANASYS Workbench中经过一段时间的计算,得到云梯架构在这两种工况下相应的应力云图,分别如图7和图8所示.

图7 工况1 梯架结构应力云图Fig.7 Ladder structure stress nephogram under condition 1

图8 工况2梯架结构应力云图Fig.8 Ladder structure stress nephogram under condition 2

根据以上ANSYS Workbench的分析可知,本文研究的梯架结构在工况1下,施加测试荷载和约束后最大应力为256.12MPa,而梯架在工况2下,其最大应力为29.28MPa,是比较小的.因此，在验证梯架结构的强度时,主要是依据工况1的数据.

3 梯架结构强度与刚度校核

3.1 梯架结构强度校核

梯架结构材料为高强度钢70,屈服极限强度σs=700MPa,安全系数为2,则材料的许用应力为:

[σ]=σs/2=350MPa

图9 梯架结构位移云图Fig.9 Cloud ladder fire truck displacement nephogram

对梯架结构强度进行校核.工况1和工况2条件下的梯架结构最大应力分别为256.12MPa和29.28MPa,均小于材料的许用应力350MPa,因此梯架结构强度满足要求.

3.2 梯架结构刚度校核

云梯消防车在测试载荷下，其梯架位移云图见图9.从图9中可以得出最大位移是0.27m.根据材料力学中刚度校核条件：

计算得出梯架结构的最大位移与梯架结构的跨长之比为0.004 6，数值较小，控制在机械结构刚度许用位移值以内，因此，梯架结构刚度满足条件.

4 结论

(1) 对云梯消防车梯架结构进行力学分析,总结得出工况1和工况2两种典型工况.

(2) 对云梯消防车梯架结构建立有限元模型,分析两种工况下的应力分布情况.

(3) 对两种工况下的模型进行强度与刚度校核,为梯架结构的设计与改进提供理论依据.