拖曳水池拖车结构设计与分析_王收军.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年 2 月天 津理工大学学报JOUNAL OF TIANJIN UNIVESITY OF TECHNOLOGYVol.39 No.1Feb 2023收稿日期:20210915;修订日期:20211228基金项目:天津市科技服务业科技重大专项(16ZXFWGX00050)DOI:10.3969/j.issn.1673095X.2023.01.002拖曳水池拖车结构设计与分析王收军1，2，白宪进1，2，刘楠1，2*(1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384;2.天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384)摘要:拖曳水池试验是研究船舶性能的基本方法，为满足船舶试验的需要，设计了一种适用于试验领域拖曳水池的拖车结构，简述了拖曳水池拖车的基本组成，建立了基于参数设计的完整拖车三维实体模型，并对拖车抗倾覆稳定性进行校核计算，采用有限元软件建立简化后 3 种强度和刚度提升方案的拖车模型，采用有限元分析方法分别对其进行强度与刚度分析计算，通过对比不同方案的计算结果，得到相对最优方案的模型参数。经分析计算可知，优化后的模型强度和刚度均能够满足实际需求。关键词:拖曳水池;拖车;有限元分析;强度;刚度中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1673095X(2023)01000907Structural design and analysis of towing tank trailerWANG Shoujun1，2，BAI Xianjin1，2，LIU Nan1，2*(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China;2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)Abstract:The towing tank test is the basic method to study the performance of the ship To meet needs of a ship test，atrailer structure suitable for large towing tanks is designed The basic composition of the trailer structure is briefly described，and acomplete three-dimensional entity of the trailer based on the parameter design is established The model and its anti-overturningstability are checked and calculated The finite element software is used to establish a simplified trailer model of three strength andstiffness improvement schemes，and the finite element method is used to analyze the strength and stiffness respectively Theanalysis results of different schemes obtain the model parameters of the optimal scheme and provide corresponding theoretical basisfor its actual productionKey words:towing tank;trailer;finite element analysis;strength;stiffness我国既是陆地大国，也是海洋大国，拥有广泛的海洋战略利益，为此发展海洋工程刻不容缓，海洋平台的立管系统与海洋能源发电装置在进行试海前，需要在实验室中进行大量的试验研究，保证装置在真实海洋工况下的安全稳定性，船舶工程作为海洋工程最重要的一部分，对船舶性能的研究显得尤为重要12。目前，理论与试验相结合是研究二者性能的主要方法，而水池拖曳试验是研究二者性能的基本方法34。数值模拟技术的飞速发展，为船舶性能的研究提供了新的研究方法。适合应用的天津理工大学学报第 39 卷第 1 期优良船型大多是以船模试验为基础实现的56，船模阻力试验是研究船体设计的重要参考依据之一，其用于研究船舶型线设计对于水动力性能的影响，由于造流设备价格高昂且流场均匀性较差，所以船模阻力试验经常在拖曳水池中进行，因此，对拖曳水池的研究具有重大意义。拖曳水池是进行船模性能试验的基本设备，重在解决船舶系统的多参数测量系统与模拟问题。陈玉龙等78 通过 Abaqus 对拖车的中央测试平台升降杆进行有限元分析，并通过分析计算，验证拖车主要零部件的强度满足要求;郭欣等9 对箱型梁内部加强筋进行优化设置，满足强度与刚度的同时达到轻量化的需求，保证试验安全性和测试精度。陈伟10 以某拖车为研究 对 象，设 计 了 拖 车 的 总 布 置，通 过 ANSYSWorkbench 软件进行强度分析，通过结构方案设计，增加拖车整体的稳定性。康昊等11 使用 ANSYS 有限元分析软件对拖车关键部位进行强度和模态分析，并对其进行结构优化设计。文中以研究某大型拖曳水池的拖曳系统为研究对象，对拖车结构进行方案设计计算和数值模拟分析，进而分析拖车强度特性、刚度特性及其稳定性，并提出改良措施，对其实际生产提供了相应的理论依据，同时也提供了一种便于操作人员进行试验对象的安装与装卸的回转提升拖曳机构，期望为该领域的研究人员提供参考帮助。1拖车方案设计1.1基本组成拖曳系统主要由机械结构、电控部分和软件部分等组成。其中，机械结构部分包括拖车主体、车轮、动力传动机构、拖曳机构、工作安装状态转换机构、位置锁紧机构、安全保护机构和造波机等;拖曳系统电控部分包括伺服电机和电缆、伺服驱动器、运动控制器、驱动柜、控制器柜、动力柜、操作台、拖曳系统运动控制程序和其他功能机构的控制程序;拖曳系统软件部分包括拖曳系统人机交互界面、试验控制功能、升降控制功能、工作安装状态转换控制功能和位置锁定功能等。1.2建模采用 Creo7.0 软件建立拖曳水池拖车的三维模型，其水槽内宽为 5 m，水槽深为 8 m，水槽壁顶宽为 0.5 m，桁架车体宽为 6 m，车体长为 7.3 m，轨道长为 10 m，回转机构回转臂长为 4 m，拖曳系统主要包括拖车车体、高精度轨道系统、移动供电系统和控制系统、伺服电机、回转提升机构、车轮组和导向轮等。其中，回转提升机构由驱动轴座、回转座、伺服电机、回转轴和回转臂组成，回转机构通过伺服电机驱动工作，为了降低车体的自身质量，文中主要采用桁架结构，相比传统的板梁式结构，桁架结构在满足强度与刚度需求的同时，可大幅度降低车体结构的自身质量。经过结构优化分析结果对比，文中车体主要采用 200 mm200 mm8 mm 的方管焊接而成。拖车桁架第 1 层和第 2 层的钢结构相同，横截面尺寸相同，车体上表面敷设花纹钢板，用以安装相关的试验设备并为相关的试验人员行走和交流提供便捷。车体上表面四周设置不锈钢栏杆，在使用中起到分割和保护的作用，这种材料能保证拖车在拖曳水池湿度较高的环境下不发生氧化生锈。拖曳水池的轨道系统相比传统的车辆轨道系统精度更高，轨道系统的精度直接影响船舶试验数据的精准度。为确保拖车试验数据的准确性，需要严格保证轨道的水平度、垂直度和平行度。轨道通过楔块、钢轨压板和钢轨支撑等零件进行固定，保证两边拖曳轨道精度可达到 0.1 mm 以内，两侧轨道水平同步误差小于 0.1 mm/s，拖车下方固连一套回转提升机构，便于实现试验对象的安装与拆卸，并始终使试验对象与水面保持平行状态，保证试验结果的准确性。基于参数化设计的拖曳水池结构示意如图 1所示。其试验设备安装状态示意如图 2 所示。1 水槽;2 轨道垫铁;3 桁架车体;4 操控室;5 车轮组;6 电机柜;7 导向轮组;8 回转机构图 1拖曳水池结构示意图Fig.1Schematic diagram of towing pool structure012023 年 2 月王收军，等:拖曳水池拖车结构设计与分析图 2试验设备安装状态示意图Fig.2Schematic diagram of test equipmentinstallation status2水池拖车抗倾覆稳定性计算水池拖车抗倾覆稳定性计算是指拖车在自身质量、试验设备和试验对象的综合作用下抗倾翻的能力，是影响拖车安全和综合性能的重要指标，因此，对拖车倾覆稳定性的计算具有重大意义。文献 12中提到，目前，国内研究抗倾覆稳定性校核计算的主要方法有:力矩法、稳定系数法和按临界倾覆载荷标定法。文中主要采用力矩法进行拖车抗倾覆稳定性的计算。被拖曳试验对象最大水阻力 F 为 12 000 N，水阻力产生的倾覆力矩的力臂 L 为 4 m(水阻力产生的倾覆力矩支点为拖车前轮与钢轨表面的接触点)，水阻力对拖车产生的向前的倾覆力矩为:M1=FL=4.8 104(Nm)(1)车体自身质量与车体装载试验设备的总质量 m为 16 000 kg(不含拖曳对象质量)，车体的重心近似为拖车三维体几何中心位置，被拖曳物体的质量m1=1 000 kg(由于拖曳物体距离水面的距离较短，浮力影响较小，因此，不考虑浮力对物体的影响，且在加速阶段，浮力是抵抗车体倾覆的作用力)，车轮受到轨道面的前轮支持力为 F1，后轮支持力为F2，倾覆力矩的支点距拖车重心的距离 h=0.87 m，前后轮间的距离 L2=5.25 m，支点距被拖曳物体的重心的距离 H=4 m。考虑车体在临界状态下的倾覆情况，即拖车启动加速与减速时，假设拖车和被拖曳物体的共同加速度为 amax=1 m/s2，则车体自身和装载试验设备(由于惯性力)产生的向后的倾覆力矩为:M2=mamaxh=1.392 104(Nm)(2)被拖曳物体(由于惯性力)产生的向后的倾覆力矩为:M3=m1amaxL=4 103(Nm)(3)拖车总倾覆力矩为:(m+m1)g L22+M2+M3=F2L2+M1(4)拖车平衡受力分析:F1+F2=mg+m1g(5)结合式(1)式(5)，计算得 F10，F20，即拖车在临界加速度的状态下，车轮所受的支持力不为 0，且前后轮所受支持力大小均匀，相差不大，拖车处于平稳状态，故拖车在临界加速度的状态下不会倾覆，以上述相同的方法计算拖车在匀速和制动的工况下的倾覆稳定性，得到相同的结果，因此，拖车运行过程中不会发生倾覆，整体拖曳水池拖车结构稳定性良好。3拖车强度与刚度分析3.1拖车模型的简化模型结构的简化，既要如实地反映实际结构的力学性能，又要减少单元数量，以此来保证 ANSYS 软件较高的计算精度并减少计算时间。在文献 13中，在模型简化的过程中，区分结构的工艺装饰件、辅助承载件和承载件 3 类构件，对模型的简化具有重大帮助。有限元三维模型的建立、材料与载荷约束的施加、网格划分和零件与零件间的接触设置等直接影响分析结果的准确性和精度，需要与实际情况相结合进行求解计算。文中利用 ANSYS Geometry 软件对模型进行了如下简化，拖车三维模型结构采用线单元与体单元相结合的方法。线体具有 1D 几何和 3D 空间，线体代表空间 上 的 两 个 方 向 很 薄，横 截 面 为 200 mm 200 mm8 mm 方管映射在线体上。拖车车架材料主要选择 Q235，其力学性能参数如表 1 所示。线体间11天津理工大学学报第 39 卷第 1 期通过刚性连接(根据实际加工过程，方管间采用焊接)，线体与实体间根据物理工况通过添加印记面进行 fixedjoint 连接，拖车结构简化示意图如图 3所示。表 1Q235 的力学性能参数Tab.1Mechanical performance parameters of Q235材料名称密度/(g/cm3)弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPaQ2357.852100.33235图 3拖车结构简化示意图Fig.3Simplified diagram of trailer structure3.2加载与计算根据拖车工作状态下的实际工况，对车轮组与车体连接处的法兰施加线位移和角位移约束，建立拖车模型。所取参考系为右手直角坐标系，拖车行驶运动方向为 X 方向，与行驶运动垂直的方向即拖曳水池宽度方向为 Y 方向，由拖车底部指向拖车上表面花纹钢板为 Z 方向，边界约束如表 2 所示。载荷工况如表 3 所示，约束加载示意图如图 4 所示。表 2边界约束Tab.2Boundary constraints线位移角位移XYZXYZ不约束约束约束约束约束约束表 3载荷工况Tab.3Loading conditions参数大小方向重力加速度/(m/s2)9.8Z加速度/(m/s2)1X设备质量/kg5 000Z水阻力/N12 000X试验对象质量/kg1 000Z212023 年 2 月王收军，等:拖曳水池拖车结构设计与分析图 4约束加载示意图Fig.4Constraint loading diagram将简化后的模型导入 Mesh 中进行网格划分，线体采用线性梁单元进行网格划分，3D 实体的网格主要采用具有二次型函数的高阶四面体和六面体单元划分，划分网格后节点数为 603 989，单元数为138 095，其中，梁单元主要采用 beam188 单元，其单元数为 15 151，实体结构主要采用 solid186 单元，其单元数为 121 280，整体网格质量较高，达到了网格精度的要求 1415。在对拖车系统的简化、材料添加、网格划分、接触设置和载荷约束操 作 的 基 础 上，通 过 搭 建 StaticStructural 模块对拖车结构进行数值分析，得到拖车的整体变形云图和等效应力云图，分析结果如图5 所示。图 5分析结果Fig.5Analysis results通过分析可知，在临界状态下(加速度为 1 m/s2)，拖车的最大变形量为3.96 mm，最大应力27.46 MPa，拖车等效应力分布均匀，且小于 Q235 材料的屈服强度235 MPa。但其整体的变形量过大，最大变形量出现在底部的拖曳装置上，需对下面的回转提升机构进行优化设计，在保证拖车车体结构刚度的同时，提高其整体拖曳系统的结构刚度，文中主要提出了 3 种优化设计方案。4优化设计上述拖车桁架采用200 mm200 mm8 mm 方管焊接而成，经过有限元分析计算，拖车强度满足设计需求，但其下面的摇曳装置刚度不够，需对其进行优化设计，文中通过采用加强筋的方法提高其刚度。方案1:在上述方案的基础上，采用对回转提升机构 Y 方向增加 1 根加强筋的方式，其他位置结构保持不变;方案 2:对回转提升机构 Y 方向增加 2 根加强筋;方案 3:在方案 2 的基础上，在 Y 方向再增加 1 根加强筋;采用 ANSYS Workbench 软件分析计算不同方案优化方式的等效应力、最大变形，在计算过程中，除了加强筋的位置和方法改变之外，结构材料性能参数、网格划分、接触、约束和加载方式等情况均不改变，3 种方案分析结果对比，如表 4 所示。表 43 种方案分析结果对比Tab.4Comparison of the analysis results of the three options方案应力/MPa变形/mm原方案27.4653.961 5方案 129.1473.126 1方案 230.5213.087 8方案 332.1353.093 5由表 4 知，方案 1 更加满足设计要求，在满足结构刚度的条件下，需尽可能降低车体自身质量，故方案 1 更加合理。利用 ANSYS Workbench 软件分析计算得到最优方案的变形云图和应力云图，分析结果如图 6 所示，整体拖曳水池拖车变形量为 3.13 mm，最大变形量出现在底部的拖曳装置上，最大综合等效应力为 29.15 MPa，发生在车轮组与车体桁架连接处。综合分析，拖车的总变形和综合等效应力分布均匀，小于 Q235 材料的屈服强度 235 MPa，其拖车的强度与刚度都能满足实际需求。31天津理工大学学报第 39 卷第 1 期图 6优化后分析结果Fig.6Analysis result after optimization5模态分析模态分析(modal analysis)是计算结构振动特性的数值技术，也叫做自由振动分析。结构振动特性包括固有频率和振型，是最基本的动力学分析，但有非常广泛的实用价值。拖曳系统拖车在运行过程中，车轮组和拖车桁架所安装的设备会产生振动，且振动形式不一，产生这种振动主要是由轨道的激励导致的，模态分析可帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，从而使结构设计避免共振，并指导设计人员预测在不同载荷作用下结构的振动形式，进而判断该拖车方案设计的合理性，以及刚度和质量分布的合理性16。根据模态分析可得到系统的固有频率和振型，系统运动的微分方程为:M X +C X +K X=0(6)式中:M 为系统质量矩阵;C 为系统阻尼矩阵;K 为系统刚度矩阵。对于一个忽略阻尼的自由振动分析，令 X=A sin(t+)，则式(6)为:(K 2M)X=0(7)式(7)对应的特征方程为:det K 2M=0(8)式中:为结构的固有频率。通过式(8)即可得到结构的固有频率和模态振型。在静力学分析的基础上进行模态分析，得到拖车前10 阶固有频率和振型，拖车前3 阶阵型图，如图7所示，1 阶固有频率为 6.24 Hz，拖车沿 Y 方向摆动，其相对最大变形发生在下方回转台处，为 0.59 mm。2 阶固有频率为 9.08 Hz，拖车沿 X 方向摆动，其相对最大变形量为0.57 mm。3 阶固有频率为16.89 Hz，拖车沿 Z 方向扭转，其相对最大变形量为 0.89 mm。图 7拖车前 3 阶振型图Fig.7Trailers first three-order formation diagram412023 年 2 月王收军，等:拖曳水池拖车结构设计与分析同理，考虑无预应力模态分析工况，得到拖车无预应力模态分析下的前 10 阶固有频率和振型，结果显示两种工况的固有频率相差不大，其振型图振型趋势一样，拖车车架 110 阶固有频率分布在 550 Hz频段，刚度和质量分布均匀，强度与刚度均满足设计要求，因此，设计是可靠的。6结论以某拖曳水池拖车系统为研究对象，根据实际需求对拖曳水池拖车进行结构设计，介绍了拖曳水池的基本组成，建立拖车整体结构的梁单元模型，根据要求对倾覆稳定性进行相关计算，并对拖车整体进行了强度、刚度校核和模态分析。此次方案设计，针对传统板式结构，采用桁架结构使拖车更加轻量化，并提出一种便于安装与拆卸试验对象的回转提升机构，文中设计的拖曳水池拖车结构满足拖曳水池试验需求，同时也满足结构设计要求，为后续的实际生产提供参考与帮助。参考文献 1 李广年，李家旺，杜林，等 船模拖曳水池教学实验测试平台设计 J 实验技术与管理，2020，37(5):234237 2 朱德祥，冷文浩，李百齐，等 CAE 在船舶性能研究领域的应用 J 中国造船，2007，48(2):18 3 赵大刚，李元弟，张佐天，等 船模自航性能测试仪器设计与开发 J 实验技术与管理，2021，38(8):8689 4 聂霞 基于船模实验波形测量与波形分析的船舶尾浪数值模拟 D 武汉:武汉理工大学，2010:15 5 张立，陈建挺，陈伟民 标准船模拖曳水池自航试验不确定度分析 J 华中科技大学学报:自然科学版，2020，48(9):100106 6 李广年，谢永和，郭欣 拖曳水池方案设计 J 中国造船，2011，52(3):109114 7 陈玉龙，张亮 某拖曳水池重型拖车系统设计 J 机电工程，2017，34(9):10041008 8 陈玉龙，雷宇，张亮 拖曳水池拖车结构方案设计 J 机电工程，2015，32(12):15861589 9 郭欣，李广年，劳展杰 船模水池拖车系统设计分析 J 船海工程，2013，42(3):6466 10 陈伟 船模拖曳水池拖车系统设计 D 武汉:华中科技大学，2019:165 11 康昊，杨侠，张刚，等 拖曳水池拖车系统设计与结构仿真 J 机械工程与自动化，2020(2):3739 12 高晶 随车起重运输车的抗倾覆稳定性分析计算 J 建设机械技术与管理，2014，27(10):105108 13 王勇 基于 ANSYS Workbench 的卸船机钢结构分析 D 长春:吉林大学，2012 14 徐赛华，曹秀芳，张高峰，等 液压重载机械臂有限元分析 J 天津理工大学学报，2021，37(2):1720 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