超靜定錨泊底盤結構設計與有限元分析

李 浩，侯守武，仝 允

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

錨泊底盤是機動式系留氣球地面系留設施的重要組成部分[1]，直接影響地面系留設施的安全性、可靠性、抗風穩定性及調平精度。大型機動式系留氣球錨泊底盤為多余約束的超靜定結構，內力和變形比較均勻，結構自身具有較好的承載能力和穩定性[2]，其承力骨架為高強度鋼板焊接而成的箱型、工字型或U型結構，構造復雜，傳統的校核計算方法大多將底盤車架簡化為梁結構，計算量較大且存在較大誤差。文獻[3]給出了一種五支腿起重機支腿力的近似計算方法，可作為車架及支腿設計的參考，但存在著計算復雜、有限元模型工況簡化過多的缺點。

為此，本文采用節點自由度耦合技術，在抗傾覆支撐腿根部限位止口與車架梁限位連接處，將對應節點的自由度耦合起來，使該處的節點具有相同位移，有效提高了有限元校核分析精度和準確性。

1 底盤結構設計

1.1 設計要求

綜合系留氣球錨泊底盤使用工況——自重、地面系留、空中系留及地面運輸，確定該底盤的設計要求如下。

1)功能要求：氣球地面系留時，可支撐回轉上裝360°自由順槳；行車運輸狀態可實現機動轉移，同時確?；剞D上裝與底盤有效鎖定。

2)剛強度要求：底盤應具有足夠的剛強度，可承受系留氣球的凈浮力、風載荷和沖擊載荷，底盤結構安全系數不小于1.5。

3)輕量化設計要求：底盤結構應采用集成優化布局及模塊化設計，盡可能采用輕質高強度材料，實現各零部件輕量化設計。

4)抗傾覆及抗風防滑安全性要求：底盤工作時，其與上裝總自重產生的穩定力矩應大于所有外力產生的傾覆力矩[4]；底盤支撐腿與地面摩擦力應不小于系留氣球對錨泊車最大水平拉力。

5)快速組裝及運輸要求：底盤結構應采用模塊化可重組快速連接設計，裝配工序簡便高效[5]，拆卸后滿足三級公路運輸要求。

1.2 結構詳細設計

系留氣球錨泊底盤由底盤縱梁、底盤橫梁、抗傾覆支撐腿、承重支撐腿和回轉支承支座組成。其中縱梁和橫梁為Domex700MCD高強度鋼，含有更高的鈮、鈦及釩等合金化元素，在高強度條件下具有良好的可成形性、可焊接性和高沖擊強度[6]。底盤結構材料力學性能參數見表1，底盤結構示意圖如圖1所示。

表1 底盤結構材料力學性能參數

圖1 底盤結構示意圖

2 載荷工況分析

錨泊底盤所承受外載荷有上裝自重及所有外載荷折算到回轉中心處所產生的軸向力、徑向力和傾覆力矩。底盤結構受力示意圖如圖2所示。

圖2 底盤結構受力示意圖

錨泊底盤主要受自身重力載荷和回轉上裝安裝座處傳遞的外載荷，其中自身重力載荷按慣性力施加，回轉支承安裝座載荷見表2。由于工作狀態下回轉上裝360°自由順槳，考慮到結構的對稱性，計算工況取回轉上裝與底盤0°～180°范圍校核計算，每隔30°計算一種工況。

表2 回轉支承安裝座載荷

3 底盤有限元分析

錨泊底盤是系留氣球地面系留時回轉上裝自由順槳的主要受力部件，因此校核其結構的強度尤為必要。依據底盤的結構形式和實際應用工況，建立有限元分析模型，對其在極限載荷工況下的結構強度和剛度響應進行有限元仿真校核分析。

3.1 有限元模型

底盤結構的主承力縱梁、支撐腿支臂均采用殼單元建模[7]，底盤懸掛結構采用集中質量模擬，螺栓連接采用剛性單元模擬，回轉上裝及回轉軸承對底盤平臺的影響等效為力和力矩施加于回轉軸承形心，整個有限元模型包含264 762個殼單元、2 178個質量單元和160個剛性單元，共256 807個節點。利用ABAQUS軟件建立的底盤結構有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖

3.2 邊界條件

回轉上裝自由順槳時，上裝縱梁與載車平臺成一定夾角，載車平臺部分支撐腿可能存在離地情況，在有限元計算時，釋放離地支撐腿的約束，在承受地面支反力的支撐腿處約束其平動自由度。自重工況下8條支撐腿均勻約束時狀態示意圖如圖4所示。

圖4 自重工況模型邊界約束條件

3.3 自由度耦合處理

錨泊底盤抗傾覆支撐腿與底盤車架主梁通過法蘭+限位止口方式連接，底盤受載工作時，支撐腿與主梁之間的接觸理論上為法蘭連接端面和下限位面接觸。從支撐腿與車架相對位置關系分析，如將車架視為固定，傾覆支撐腿則為一外伸梁。

傾覆支撐腿和固定車架連接法蘭處無間隙，支撐腿與車架限位止口處有1～2 mm間隙，二者的面接觸特點使得采用焊接連接是不合適的[8]。本文采用節點自由度耦合技術，在傾覆支撐腿與固定車架的限位面接觸處將對應節點的自由度耦合起來，使接觸處的節點具有相同位移。選擇接觸面處節點分別約束x，y，z方向的移動自由度和繞y，z軸的轉動自由度，如圖5所示。

3.4 有限元分析

借助ABAQUS有限元分析軟件對錨泊底盤主體結構進行靜強度分析。

1)自重工況。

錨泊底盤最大變形量為3.54 mm，位于懸掛側支撐框端部；最大應力為198.4 MPa，位于抗傾覆支撐腿與底盤根部的連接區域，滿足底盤結構1.5倍安全系數要求。底盤應力及位移云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 自重工況下底盤應力云圖

2)空中系留工況。

錨泊底盤最大變形位于上抬支撐腿處，回轉上裝在0°～180°內順槳時，最大上抬位移為31.8 mm，最大應力為365.2 MPa，位于抗傾覆支撐腿與底盤根部的連接區域，滿足底盤結構1.5倍安全系數要求。底盤應力及位移云圖分別如圖8、圖9所示。

3)地面系留工況。

當回轉上裝與底盤車架成30°夾角時，最大變形位于上抬支撐腿處，支撐腿最大上抬位移為52.4mm，最大應力為438.9 MPa，位于抗傾覆支撐腿與底盤根部的連接區域，滿足底盤結構1.5倍安全系數要求。底盤應力及位移云圖分別如10、圖11所示。

圖8 空中系留工況下底盤應力云圖

圖9 空中系留工況下底盤位移云圖

圖10 地面系留工況下底盤應力云圖

圖11 地面系留工況下底盤位移云圖

根據上述有限元計算分析結果，錨泊底盤在自重、空中系留及地面系留工況下最大應力為438.9 MPa，最大變形為52.4 mm，滿足底盤結構1.5倍安全系數要求。

4 結束語

本文依據超靜定錨泊底盤總體結構布局及載荷工況，借助ABAQUS軟件，采用殼單元及自由度耦合技術建立有限元分析模型，分別校核分析了底盤自重、空中系留和地面系留3種工況下應力和位移分布規律，可為類似機動式系留氣球超靜定底盤結構校核分析提供參考。