横风风载对云梯消防车臂架变形及振动特征的影响分析.pdf

消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期消防理论研究横风风载对云梯消防车臂架变形及振动特征的影响分析刘洪永1,2,3,宋霏1,2,3,李子昂4,王玉珊1,2,3（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 江苏省城市地下空间火灾防护重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；4.内蒙古能源发电投资集团有限公司，内蒙古 呼和浩特 010011）摘要：为探究横风对云梯消防车臂架的变形及振动特征的影响，采用有限元软件研究不同横风风速条件下云梯臂架的结构振动规律。臂架的风载变形主要体现在副臂在风载作用下的摆动，以偏心力矩造成的弯曲变形为主。臂架在外载荷与周期性变化的内应力共同作用下产生了低频震源，激发了臂架的低阶模态，云梯消防车臂架形变呈现出周期性振动的特征，随着风速的增加，振动幅度逐渐增大。基于该研究成果提出了一种解决方案，可为改良云梯消防车的设计提供思路。关键词：云梯消防车；臂架；有限元分析；横风；振动中图分类号：TU998.1；U469.68文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）11-1467-05随着我国城市化进程的加快，高层建筑因其较高的土地利用率，在城市建设中占比逐渐增加，越来越多的高层建筑群的涌现，使得高层建筑火灾形势日趋严峻。云梯消防车作为高层建筑火灾救援的主战装备，其较强的综合救援能力和高空作业优势使其在高层建筑火灾救援中起到至关重要的作用。随着云梯消防车作业高度不断增加，风载荷对于高、细、柔性臂架结构的影响越来越显著，其中最主要的是横风风载的影响。因此，开展横风风载对云梯消防车臂架影响的研究十分必要。云梯消防车臂架为柔性臂架系统，目前对于柔性臂架系统稳定性的研究多通过数值模拟展开，综合利用仿真分析与数值计算的方式识别臂架结构的振动参数。焦文瑞等1以某型号起重机伸缩臂为例，对全伸工况分析了计算工况与载荷，对结构进行有限元分析。纪爱敏等2、杨晶3对不同类型汽车起重机的吊臂进行了有限元受力分析与结构优化，详细描述了吊臂结构的简化处理过程、有限元建模方法、关键载荷的加载等，计算结果与试验结果比较接近，对吊臂的开发设计具有指导意义和参考价值。侯志嵩4对 TD60 云梯消防车梯架结构进行了有限元静力和动力学分析，并且对比了典型工况应力测试试验，测试结果与有限元分析结果一致，验证了有限元模型分析的正确性。李长青5对某企业新开发的登高消防车系列产品的臂架系统进行了较详细的有限元结构分析，在分析过程中建立了伸缩机构，在分析结果基础上，给出了臂架结构的改进方案，对曲臂变幅机构进行了优化。多名学者6-12对各种不同型号的云梯消防车臂架结构进行了有限元静力分析和瞬态动力学分析。目前，臂架有限元分析多集中于臂架静力分析和瞬态动力学分析，对臂架的形变规律尤其是不同横风工况下的变形规律研究较少。目前市面上的云梯消防车多为柔性臂架系统，笔者以某型号超高型云梯消防车为例，探究横风对云梯消防车臂架形变的控制作用及臂架振动特性。1有限元分析模型建立1.1臂架模型建立模拟选取的某型号超高型云梯消防车，其车体尺寸为17 000 mm 2 550 mm 3 960 mm，额定工作高度为100 m，最大工作幅度为27 m。臂架可分为 13 个部件：主臂 1至 6节、副臂 1至 3节、飞臂、工作斗、转台、变幅机构。对其测绘后进行建模，但由于臂架结构较为复杂，构件较多，为便于有限元网格划分，建立模型时将对臂架中不影响有限元分析的部分复杂结构进行简化处理。本文主要探究臂架在横风作用下的变形规律，对臂架完全展开状态下的风载变形进行模拟，即主臂、副臂均处于全伸缩状态，且均达到最大仰角和最大伸长量。几何模型也基于此状态进行构建。臂架整体模型见图 1。工作斗副臂主臂图 1臂架系统整体模型Fig.1Overall model of boom system1.2有限元网格建立本文使用 Mechanical 结构及热力学物理场参照模型，采用雅可比比率对网格质量进行评估，使用四面体网格，网格尺寸为 0.1 m，平滑度设置为精细，划分后网格雅基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2020ZDPYMS13）1467Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11可比比率如图 2 所示，表明网格划分比较均匀，且与模型几何形状符合较好。1.3参数设置1）臂架主体材料为高强度 70钢，参数见表 1。2）自重载荷设置为标准地球重力。3）工作载荷指工作斗内人员及装备的载荷，设置为400 kg，以及施加在工作斗底面的载荷。4）风载设置为模型侧面施加相应的风压来代替空气流动。设置风载的横风风速由 0 m/s增加至 8 m/s（对应 0至 5 级风），共 9 组条件。考虑到实际中高处风速大于地面风速，臂架侧面的风压随高度增加而增加，为简化运算，本文将风压取最大值，设置为均布载荷。其计算公式见式（1）。p=1V2s2（1）式中：p为工作状态计算风压，Pa；1为空气密度，在 20 时，取值为 1.2 kg/m3；Vs为平均风速，m/s。风载荷Pw的计算公式见式（2）。Pw=CpA（2）式中：Pw为臂架系统收到的风载荷，N；C 为风力系数；A为臂架系统垂直于风向的实体迎风面积，m2。5）将转台的底面进行全约束，以模拟转台固定在车辆上的情况。载荷设置如图 3所示。2结果与讨论2.1臂架受力分析臂架的简化受力情况如图 4（a）所示，将臂架整体看作一根一段固定的竖直杆，其顶部受偏心下压力 F 作用，侧面受均布载荷Pw作用，不难判断出臂架的变形形式为两种弯曲变形的结合。要减小臂架变形，应提高臂架的抗弯能力。将主臂和副臂简化为两根连接在一起的杆，主臂为一端固定的竖直杆，副臂为一段铰接的倾斜杆，显然副臂的受力情况更加不利，相比于主臂更容易变形，如图 4（b）所示。2.2臂架整体总变形结果分析梯架整体在横风作用下的总变形呈现出周期性摆动的特征，摆动频率约为 10 s，如图 5所示。风速/m/s0 2 4 6 82.82.62.42.22.01.81.61.4总变形/m图 5不同横风风速下臂架整体的总变形Fig.5Total deformation under different cross wind speeds198 792.00175 000.00150 000.00125 000.00100 000.0075 000.0050 000.0025 000.000.00单元数量单元指标1.0010.005.0015.00 20.00 25.00 30.00 35.00 39.99图 2单元雅可比率Fig.2Unit Jacobian ratio表 1材料参数设置Table 1Material parameter settings材料参数弹性模量 E/MPa泊松比 密度/kg/m3屈服极限强度 s/MPa高强度 70钢2.061050.37.85103700工作载荷风载重力/自重荷载ABC固定约束0.00030.000（m）15.000zxy7.50022.500图 3载荷及约束Fig.3Loads and constraintsFPwPwFG （a）臂架的简化受力情况 （b）主臂、副臂简化杆图 4臂架简化受力分析图Fig.4Simplified stress diagram of boom在横风作用下，臂架整体总变形随着风速的增加而逐渐增大，当风速为 8 m/s时，总变形幅度为 2.7 m，如图 6所示。主臂的截面积更大，具有更大的惯性矩，即使在承受更大力矩的情况下，主臂的变形程度明显小于副臂，如图7图 8所示。主臂和副臂的变形也体现出周期性摆动的特征，因主臂的抗弯能力更强，在较低的风速下变形更小，摆动周期减小，副臂的摆动周期与梯架整体的摆动周期基本一致。2.3臂架定向变形结果分析臂架的横向摆动对救援人员开展作业有较大影响，因此对臂架的横向摆动变形进行分析。臂架的横向变形体现了其抵抗风载的能力，横向的周期性摆动由臂架受弯后产生的弯曲应力与风载相互作用造成。在横向上的变形呈现出明显的周期性摆动特征，同时可观察到逆风方向的变形明显小于顺风方向的变形。逆风方向的横向变形主要由交错布置的副臂及工作斗的载荷形成的偏心力矩导致，随着风速的增大，偏心力矩被风载抵消，逆风方向变形逐渐减小，如图 9所示。臂架的纵向变形体现了其承载工作载荷及自重载荷的能力。因工作载荷相同，臂架在不同风速下的纵向变形差距不大，且纵向变形同样具有周期性摆动的特征，如图 10所示。2.4臂架振动机理分析模态是结构系统的固有振动特性，一个系统的自由振动可以被解耦合为 N 个正交的单自由度振动系统，对应了该系统的 N 个模态，各个模态具有独特的固有频率、阻尼比及模态振型。通过模态分析的方法，可以得到特定机械结构在特定频率范围内各阶模态的振动特性，以及此结构在特定频段内在各种振源激励作用下的相应结果。因此，臂架的模态分析结果是控制臂架振动的重要参考。本文对臂架进行了六阶模态分析，各阶模态振型及频率如图 11所示，为便于观察各阶振型，对振型进行了放大展示。通过模态分析结果可知，臂架受横风作用影响产生的周期性振动频率与臂架在低阶模态下的模态振型较为接近，且臂架的固有频率较低，易受低频振源激发。结合臂架变形的周期性特征，可以分析得出臂架在横风作用下的振动机理。时间/s0 5 10 15 203.02.52.01.51.00.50.0变形/m8 m/s7 m/s6 m/s5 m/s4 m/s3 m/s2 m/s1 m/s0 m/s图 6不同横风风速下梯架整体的最大变形Fig.6Maximum deformation under different cross wind speeds时间/s0 5 10 15 201.41.21.00.80.60.40.20.0变形/m0 m/s1 m/s2 m/s3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8 m/s图 7不同横风风速下的主臂变形Fig.7Deformation of main boom under different wind speeds时间/s0 5 10 15 202.52.01.51.00.50.0变形/m0 m/s1 m/s2 m/s3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8 m/s图 8不同横风风速下的副臂变形Fig.8Jib deformation under different wind speeds时间/s0 5 10 15 202.52.01.51.00.50.00.5变形/m1 m/s（-）1 m/s（+）2 m/s（-）2 m/s（+）3 m/s（-）3 m/s（+）4 m/s（-）4 m/s（+）5 m/s（-）5 m/s（+）6 m/s（-）6 m/s（+）7 m/s（-）7 m/s（+）8 m/s（-）8 m/s（+）图 9不同横风风速下的横向变形Fig.9Lateral deformation under different cross wind speeds时间/s0 5 10 15 200.500.450.400.350.300.250.200.150.100.05变形/m0 m/s1 m/s2 m/s3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8 m/s图 10不同横风风速下的纵向变形Fig.10Longitudinal deformation under different cross wind speeds1468消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期在横风作用下，臂架整体总变形随着风速的增加而逐渐增大，当风速为 8 m/s时，总变形幅度为 2.7 m，如图 6所示。主臂的截面积更大，具有更大的惯性矩，即使在承受更大力矩的情况下，主臂的变形程度明显小于副臂，如图7图 8所示。主臂和副臂的变形也体现出周期性摆动的特征，因主臂的抗弯能力更强，在较低的风速下变形更小，摆动周期减小，副臂的摆动周期与梯架整体的摆动周期基本一致。2.3臂架定向变形结果分析臂架的横向摆动对救援人员开展作业有较大影响，因此对臂架的横向摆动变形进行分析。臂架的横向变形体现了其抵抗风载的能力，横向的周期性摆动由臂架受弯后产生的弯曲应力与风载相互作用造成。在横向上的变形呈现出明显的周期性摆动特征，同时可观察到逆风方向的变形明显小于顺风方向的变形。逆风方向的横向变形主要由交错布置的副臂及工作斗的载荷形成的偏心力矩导致，随着风速的增大，偏心力矩被风载抵消，逆风方向变形逐渐减小，如图 9所示。臂架的纵向变形体现了其承载工作载荷及自重载荷的能力。因工作载荷相同，臂架在不同风速下的纵向变形差距不大，且纵向变形同样具有周期性摆动的特征，如图 10所示。2.4臂架振动机理分析模态是结构系统的固有振动特性，一个系统的自由振动可以被解耦合为 N 个正交的单自由度振动系统，对应了该系统的 N 个模态，各个模态具有独特的固有频率、阻尼比及模态振型。通过模态分析的方法，可以得到特定机械结构在特定频率范围内各阶模态的振动特性，以及此结构在特定频段内在各种振源激励作用下的相应结果。因此，臂架的模态分析结果是控制臂架振动的重要参考。本文对臂架进行了六阶模态分析，各阶模态振型及频率如图 11所示，为便于观察各阶振型，对振型进行了放大展示。通过模态分析结果可知，臂架受横风作用影响产生的周期性振动频率与臂架在低阶模态下的模态振型较为接近，且臂架的固有频率较低，易受低频振源激发。结合臂架变形的周期性特征，可以分析得出臂架在横风作用下的振动机理。时间/s0 5 10 15 203.02.52.01.51.00.50.0变形/m8 m/s7 m/s6 m/s5 m/s4 m/s3 m/s2 m/s1 m/s0 m/s图 6不同横风风速下梯架整体的最大变形Fig.6Maximum deformation under different cross wind speeds时间/s0 5 10 15 201.41.21.00.80.60.40.20.0变形/m0 m/s1 m/s2 m/s3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8 m/s图 7不同横风风速下的主臂变形Fig.7Deformation of main boom under different wind speeds时间/s0 5 10 15 202.52.01.51.00.50.0变形/m0 m/s1 m/s2 m/s3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8 m/s图 8不同横风风速下的副臂变形Fig.8Jib deformation under different wind speeds时间/s0 5 10 15 202.52.01.51.00.50.00.5变形/m1 m/s（-）1 m/s（+）2 m/s（-）2 m/s（+）3 m/s（-）3 m/s（+）4 m/s（-）4 m/s（+）5 m/s（-）5 m/s（+）6 m/s（-）6 m/s（+）7 m/s（-）7 m/s（+）8 m/s（-）8 m/s（+）图 9不同横风风速下的横向变形Fig.9Lateral deformation under different cross wind speeds时间/s0 5 10 15 200.500.450.400.350.300.250.200.150.100.05变形/m0 m/s1 m/s2 m/s3 m/s4 m/s5 m/s6 m/s7 m/s8 m/s图 10不同横风风速下的纵向变形Fig.10Longitudinal deformation under different cross wind speeds1469Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11臂架在横风风载的扰动下产生了变形，同时获得了一定的初速度并继续变形，此时臂架处于弯曲变形状态，可以将臂架看作一个将很多个杆用扭力弹簧连接起来构成的整体，在持续变形的过程中内应力逐渐增大，变形速度逐渐减小，当速度减小为 0 m/s 后，此时内应力大于外部扰动的力，臂架将向反方向变形，直到外部扰动再次大于内应力，开始下一个周期的变形。在这个过程中应力是周期性变化的，力的变化使臂架部件产生的微小变形形成了低频振源，激发了臂架的低阶模态，使臂架产生了振动。这一点通过臂架的变形曲线可以很容易地观察到，变形的周期在 10 s左右，其频率与臂架低阶模态的频率较为接近。B：Modal总变形 4类型：总变形频率：0.354 84 Hz单位：m变形比例因子：2.7e+002（0.5自动）B：Modal总变形 6类型：总变形频率：0.927 13 Hz单位：m变形比例因子：2.2e+002（0.5自动）B：Modal总变形 7类型：总变形频率：1.242 4 Hz单位：m变形比例因子：2.3e+002（0.5自动）B：Modal总变形 5类型：总变形频率：0.475 12 Hz单位：m变形比例因子：2.9e+002（0.5自动）B：Modal总变形 3类型：总变形频率：0.133 74 Hz单位：m变形比例因子：2.4e+002（0.5自动）0.009 157 1 最大0.008 139 70.007 122 20.006 104 80.005 087 30.004 059 80.003 052 40.002 034 90.001 017 50 最小0.0003.500 7.000（m）1.750 5.250zxyB：Modal总变形 2类型：总变形频率：0.111 74 Hz单位：m变形比例因子：2.4e+002（0.5自动）0.009 163 7 最大0.008 145 50.007 127 30.006 109 20.005 0910.004 072 80.003 054 60.002 036 40.001 018 20 最小zxy0.000 3.500 7.000（m）1.750 5.2500.008 478 5 最大0.007 535 50.006 594 40.005 652 30.004 710 30.003 768 20.002 826 20.001 884 10.009 420 60 最小zxy0.000 3.500 7.000（m）1.750 5.250（a）一阶模态0.008 802 9 最大0.007 624 80.006 646 70.005 652 30.004 690 50.003 912 40.002 934 30.001 955 20.000 978 10 最小zxy0.000 3.500 7.000（m）1.750 5.2500.009 898 1 最大0.008 798 30.007 698 50.006 598 70.005 4990.004 399 20.003 299 40.002 199 60.001 099 80 最小zxy0.000 3.5001.750 5.2500.009 665 3 最大0.008 591 40.007 517 50.006 443 50.005 359 60.004 295 70.003 221 80.002 147 80.001 073 90 最小zxy0.000 3.5001.750 5.250（b）二阶模态（c）三阶模态（d）四阶模态（e）五阶模态（f）六阶模态图 11各阶模态振型及频率Fig.11Modal shapes and frequencies of each order除了在外载荷作用下产生的振动，消防车上其他部件产生的低频振动也会形成振源，激发模态，使臂架振动，如液压泵或水泵等，人员操作臂架运动过程中的顿挫也会在一定程度上加剧臂架的振动。3臂架结构优化本文对臂架结构进行优化设计，将主臂第六节臂架的截面厚度增加至 10 mm 以提高其抗弯能力，并在副臂顶端与主、副臂连接处增加一根可伸缩支撑，增强副臂的承载能力。优化后的臂架按前文的方法进行简化建模，简化后的模型如图 12所示。在相同的条件下进行模拟，结果如图 13所示。0.000 3.500 7.000（m）1.750 5.250 x zy图 12优化后的臂架简化模型Fig.12Simplified model of optimized boom优化后的臂架在各个风速下的总变形大幅度降低，8 m/s 风速下的变形为 1.8 m，接近优化前 4 m/s 风速的变形。且优化后臂架最大变形受风载影响的程度降低，说明增加的支杆改变了支臂的截面特征，使其具有更大的惯性矩，直臂的抗弯能力得到了增强。优化后臂架的横向变形也大幅度降低，周期性摆动的特征也有变化，摆动曲线稍有平缓，如图 14所示。4总 结本文以某型号云梯消防车为例，云梯消防车臂架在横风风载 08 m/s 的 9 种风速条件下进行有限元分析，得到在不同风速下臂架的变形规律：1）臂架在横风作用下的变形表现为工作载荷及自重风速/m/s0 2 4 6 82.82.62.42.22.01.81.61.4变形/m未优化优化后图 13优化前后不同风速下最大变形对比Fig.13Comparison of maximum deformation under different wind speeds before and after optimization1470消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期作用下向下弯曲以及在风载作用下的横向弯曲，主臂因其截面积更大具有更大惯性矩，变形明显小于副臂。2）臂架在横向的变形呈现出周期性摆动的规律，摆动周期为 10 s左右，其频率与臂架的低阶模态频率接近。针对云梯消防车臂架受横风风载影响的有限元分析对臂架结构进行了优化，增加主臂第六节臂架的截面厚度以提高其抗弯能力，并在副臂顶端与主、副臂连接处增加一根可伸缩支撑，增强副臂的承载能力。优化后臂架抗弯能力增强，在各个风速下的总变形大幅度降低，且变形受风速变化而变化的程度降低。参考文献：1 焦文瑞,孔庆华.汽车起重机箱形伸缩式吊臂的有限元分析J.工程机械,2007(9):33-36+1.2 纪爱敏,彭铎,刘木南.三种工况下大型吊臂的有限元分析J.工程机械,2006(2):30-33+2.3 杨晶.汽车起重机吊臂的 CAED.锦州:辽宁工业大学,2007.4 侯志嵩.TD60 云梯消防车梯架结构分析与优化D.秦皇岛:燕山大学,2019.5 李长青.登高平台消防车臂架结构分析方法研究及优化D.长春:吉林大学,2009.6 隋晓东,吕晓东,袁哲善.DG32型登高平台消防车臂架结构仿真分析及优化研究J.专用汽车,2022(7):41-44.7 刘美玲,周碧池,张栋.云梯消防车梯架结构有限元分析J.内燃机与配件,2019(6):42-43.8 何亚东.LT53消防车上车参数化有限元模型开发及结构分析D.秦皇岛:燕山大学,2018.9 石强.LFE32 云梯消防车梯架结构优化及抗倾覆稳定性分析D.秦皇岛:燕山大学,2018.10 李杰.YT53 型云梯消防车反弯梯架设计D.秦皇岛:燕山大学,2018.11 李亚洲.DLK22 云梯消防车臂架结构分析与预变形设计D.秦皇岛:燕山大学,2018.12 张永旭.登高平台消防车臂架结构有限元分析及优化D.秦皇岛:燕山大学,2017.Analysis of the influence of cross wind load on the deformation and vibration characteristics of the boom of the ladder fire truckLiu Hongyong1,2,3,Song Fei1,2,3,Li Ziang4,Wang Yushan1,2,3(1.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Fire Safety in Urban Underground Space,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China;3.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China;4.Inner Mongolia Energy Power Generation Investment Group Co.,Ltd.,Inner Mongolia Hohhot 010011,China)Abstract:The influence of cross wind on the deformation and vibration characteristics of the boom of the ladder fire truck is explored,finite element software was used to study the structural vibration law of ultrahigh ladder boom under different wind speed conditions.The wind load deformation of the boom is mainly reflected in the swing of the auxiliary arm under the action of wind load,and the bending deformation caused by eccentric moment is mainly used.Under the combined action of external load and periodic internal stress,the boom produces a low frequency source that excites the loworder mode of the boom.The deformation of the boom of the raised fire truck shows the characteristics of periodic vibration,and the vibration amplitude gradually increases with the increase of wind speed.Based on the research results,this paper proposes a solution that can provide ideas for the design of improved ladder fire trucks.Key words:ladder fire truck;boom;finite element analysis;cross wind;vibration作者简介：刘洪永（1982），男，山东潍坊人，中国矿业大学安全工程学院消防工程教学研究中心副主任，副教授，博士，主要从事电气防火与应急救援相关领域的教学科研工作，江苏省徐州市大学路 1 号中国矿业大学南湖校区矿科学学中心 A526-2，221116。通信作者：宋 霏，中国矿业大学安全工程学院硕士研究生。收稿日期：2023-03-02（责任编辑：邢玉军）时间/s0 5 10 15 201.51.00.50.0-0.51.0变形/m0 m/s（-）0 m/s（+）1 m/s（-）1 m/s（+）2 m/s（-）2 m/s（+）3 m/s（-）3 m/s（+）4 m/s（-）4 m/s（+）5 m/s（-）5 m/s（+）6 m/s（-）6 m/s（+）7 m/s（-）7 m/s（+）8 m/s（-）8 m/s（+）图 14优化后的臂架横向变形Fig.14Lateral deformation of optimized boom1471