机动式系留气球的锚泊车支腿受力及稳定性分析

赵光明，潘 焕，刘 学

(三一汽车制造有限公司，湖南 长沙 410100)

机动式系留气球作为一种多用途的空中平台，通过搭载通讯、光电、中继等各种任务设备，可完成各种特殊使命，具有覆盖面积大、滞空时间长、部署灵活机动和效能费用比高四大特点，应用前景广阔[1-2]。

锚泊车是机动式系留气球的重要组成部分，主要用于系留气球的锚泊、升空、滞空、回收等作业。通过水平支臂和系留塔展开后配合实现系留气球在地面锚泊，通过主绞盘、万向滑轮释放和收卷系留缆绳实现系留气球的升空、滞空和回收[3]。

锚泊车和起重机、混凝土泵车等众多工程机械一样都设计有展开式支腿，以提高系留气球不同工况下锚泊车的稳定性。锚泊支腿受力的大小一方面对支腿、车架等的结构设计有直接影响，另一方面可用于判断整车的工作稳定性，因此准确计算出系留气球工作过程中锚泊车锚泊支腿的受力变化及最大受力值对锚泊车的设计具有重要意义。锚泊车各支腿受力大小一方面随着锚泊上装旋转而不断变化，另一方面受系留气球工作状态、风载等的重大影响，使得利用传统方法计算十分困难。为此，本文提出利用ADAMS软件来仿真计算锚泊车支腿的受力。

1 ADAMS简介及仿真建模

1.1 ADAMS简介

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)是美国 MDI 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件。该软件集建模、求解、可视化技术于一体，具备静力学、运动学、动力学分析功能，并可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等，是目前适用范围最广泛的机械系统仿真计算软件[4]。

1.2 产品建模

锚泊车可分为整体式和半挂车式。整体式锚泊车可自行移动，锚泊设施与底盘集成为一体，不需脱离；半挂车式锚泊车需要牵引车牵引，到达工作场地后需与牵引车脱离。锚泊车由可旋转的锚泊上装和不旋转的下装两部分组成。锚泊上装包括系留塔、回转平台、回转支承、水平支臂、万向滑轮、主绞盘、控制室等，下装包括半挂车、配电箱、支腿等。锚泊上装随系留气球在风载的作用下共同顺桨。本文以某半挂车形式的锚泊车为例进行分析，该锚泊上装质量为23.4 t，下装质量为14.1 t，其建模参数如图1所示。

图1 锚泊车展开状态相关参数

根据锚泊车结构及相关参数，建立锚泊车的简易模型(如图2所示)，并将锚泊车简易模型导入ADAMS软件中。在锚泊车上装与下装间定义转动副，由于工作场地多为正常硬质地面，故可将锚泊支腿和地面的作用按照接触副进行设定。为计算极限工况，不考虑轮胎、半挂车支撑腿与地面的接触。

图2 锚泊车动力学模型

1.3 仿真参数设定

根据锚泊支腿与地面接触处材质等，将接触碰撞参数设定为：刚度3 800 N/mm，力指数2，阻尼1.52 N/(mm/s)，穿透深度0.1，静平移速度0.1 mm/s，摩擦平移速度10.0 mm/s。

锚泊车与系留气球连接后，在风载的作用下，系留气球总是保持迎风状态，因此锚泊车上装随系留气球共同顺桨。由于风向的不确定性，分析时可使锚泊上装旋转一周，以仿真分析各支腿的受力。在动力学模型中定义锚泊上装的初始状态如图2所示，锚泊上装按一定的速度逆时针旋转360°。采用STEP函数设定驱动锚泊上装旋转的角速度ω[5]：

ω=STEP(time,0,0,10,10d)+STEP(time,36,0,46,-10d)

驱动函数曲线如图3所示。

图3 驱动函数曲线图

2 支腿受力分析

根据系留气球受力特点，锚泊车在系留气球不同工作状态下最危险工况可按图4所示的4种工况进行分析[6]，采用ADAMS软件分析得到的各支腿受力结果如图5～图8所示。

图4 锚泊车4种工况

图5 工况1各支腿受力

图6 工况2各支腿受力

图7 工况3各支腿受力

图8 工况4各支腿受力

工况1：锚泊车未连接系留气球，此时锚泊车仅受重力作用，如图4(a)所示。在锚泊上装旋转过程中各支腿受力呈正弦(余弦)规律性变化，如图5所示。曲线中的突变与简化模型、碰撞参数设置等有关，可不予考虑。由图可知，支腿1、支腿2最大受力为89 kN，最小受力为60 kN；支腿3、支腿4最大受力为130 kN，最小受力为99 kN。

工况2：系留气球处于滞空状态，此时系留气球与锚泊车之间仅通过主缆绳连接，其作用在万向滑轮上的最大力为50 kN。分析时按图4(b)所示在万向滑轮处施加50 kN力，锚泊上装旋转过程中各支腿受力情况如图6所示。由图可知，支腿1、支腿2最大受力为106 kN，最小受力为30 kN；支腿3、支腿4最大受力为140 kN，最小受力为59 kN。

工况3：系留气球处于锚泊、迎风状态，此时系留气球通过系留索与水平支臂、系留塔连接。在水平支臂和系留塔上按图4(c)所示施加力，各支腿受力如图7所示。由图可知，支腿1、支腿2最大受力为78 kN，最小受力为49 kN；支腿3、支腿4最大受力为106 kN，最小受力为75 kN。

工况4：系留气球处于锚泊状态，按图4(d)所示瞬间侧风旋转计算，支腿受力如图8所示。由图可知，支腿1、支腿2最大受力为134 kN，最小受力为7 kN；支腿3、支腿4最大受力为168 kN，最小受力为30 kN。

由上述4种工况支腿受力分析结果可知：锚泊车工作过程中，支腿1、支腿2最大受力为134 kN，最小受力为 7 kN；支腿3、支腿4最大受力为168 kN，最小受力为30 kN。因此，可参考支腿最大受力进行支腿、车架等结构件的刚强度设计。

3 整车稳定性分析

目前判断整车稳定性的主要方法有力矩法和稳定圆法。力矩法是从稳定性的定义出发，通过计算对比倾覆线内侧的稳定力矩与外侧的倾覆力矩是否相等来判断整车的稳定性[7]。稳定圆法是通过重心圆是否落在相邻支腿连线内部来判断整车的稳定性，该方法在泵车、起重机等重力载荷类设备上应用较多且简单、方便[8]。而锚泊车在工作时所受的外部载荷主要来自于系留气球及风载，情况复杂，所以需找出一种能够方便计算且能充分考虑各种载荷的间接校核方法来进行稳定性分析。

第2节中对锚泊车在系留气球不同工作状态下最危险工况支腿受力进行了分析，因此可借助支腿受力情况来分析整车的稳定性。若锚泊车发生倾覆则必有支腿的受力为0。若任意工况下均有3条不在同一直线上的支腿进行有效支撑，根据不在同一直线上的三点可以确定一平面可知，整车可由此3条支腿支撑而不发生倾覆；若任意状态仅有2条或1条支腿有效支撑，则该状态下整车即将或已经发生了倾覆。由图5～图8可知，本文的锚泊车各支腿的最小受力均大于0，即任意工况下均有4条有效支撑腿，锚泊车稳定性良好。因此，设计时只要保证任意状态下均有3条及以上不在同一直线上的支腿有效支撑，就能满足整车稳定性要求。

4 结束语

锚泊车各支腿的受力一方面随着锚泊上装的旋转不断变化，另一方面受系留气球工作状态、风载的重大影响。本文利用ADAMS仿真，对不同工况下的锚泊车支腿受力情况进行分析，得到了各支腿的最大受力值，为锚泊车结构、刚强度设计提供了依据；根据各支腿的受力情况，判断整车工作的稳定性。该方法可推广至其他具有支腿的工程类机械、装备等进行工作稳定性及支腿最大受力分析。