摘 要

云梯消防车作为高层建筑灭火救援的重要特种汽车，其设计创新空间与市场前景在国内越来越大。随着中国城市化进程的推进及经济的迅猛发展，城市中的高层建筑逐年增多，其中对三十米左右的云梯消防车需求量最大。而在云梯消防车的整体设计中，梯架系统作为承载的关键部件之一，其设计的可靠性直接关乎到救援工作是否能够顺利进行。因此需要对臂架结构的强度与刚度进行分析。

铝合金云梯梯架系统关键部件设计及性能研究课题来源于随州市专用汽车研究院。本设计中拟采用铝合金云梯梯架系统结构，项目采用的是铝合金主梁的轻量化结构创新方案，在沿用传统的主梁预弯施加预应力的同时，使用柔索加载预应力，改善梯架系统整体受力情况并提高梯架的刚度。本设计中开展了梯架系统关键部件结构设计，包括梯架结构、变幅机构、调平转台装置和支腿，利用UG软件进行三维建模，并根据云梯消防车的工作过程完成动画制作。运用Workbench软件初步开展了梯架的静力学分析及模态分析，静力学分析中得到了危险工况和极限工况下的位移及应力云图，判断臂架结构设计是合理的；模态分析得到了前6阶固有频率及其振型。由此指导梯架系统结构及尺寸的优化设计，防止梯架工作过程中发生局部应力过大和共振现象，提高云梯工作性能及使用寿命。

关键词：铝合金云梯、Workbench、静力学、模态分析

Abstract

As an important special vehicle in fire fighting and rescue work of high-rise buildings, the design innovation space and market prospect at home of Aerial ladder truck is greater. With the development of urbanization process and the rapid development of economy in China, high-rise buildings in the city have increased year by year, and the biggest demand of the height for ladder truck is 30-meters. In the design of whole ladder truck, ladder system is one of the key components, and the reliability of its design directly results to whether rescue work can be carried out smoothly. So the strength and stiffness of boom structure should be analyzed.

The topic is from The Special Automobile Research Institute in Suizhou and about the design and performance research of key parts in Aluminum ladder system. The design is proposed to use the innovative lightweight structure of aluminum ladder system. In use of the traditional prestress way of pre-bending main beam, flexible cable, meanwhile, is used to load the prestressing force. So the whole stress distribution and stiffness of the ladder system can be improved. To carry out the structure design of the key parts in ladder system, it includes ladder, luffing mechanism, leveling turntable device and legs. UG software is used for 3 d modeling, and completing animation production according to the working process of ladder truck. Statics and modal analysis is preliminary carried out by using the Workbench software. The displacement and stress clouds in dangerous and limiting working conditions can be solved out in Workbench. Then we can judge that the design of the boom structure is reasonable. Modal analysis can solve out the natural frequency and vibration mode of the first six modes. Thus, it can guide to the optimization of the structure and size in ladder system and prevent excessive local stress or resonance phenomenon in the working process of ladder in order to improve working performance and service life.

Key words: aluminum alloy ladder, Workbench, statics, modal analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题来源、目的及意义 1

1.2课题国内外的发展现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.3课题的主要研究内容 4

1.4UG软件、Workbench功能介绍及使用 5

1.4.1UG软件简介 5

1.4.2Workbench功能介绍 5

1.4.3 UG软件及Workbench的使用 5

第2章 云梯消防车结构方案分析 6

2.1工作斗的介绍及其调平 6

2.1.1工作斗的作用 6

2.1.2工作斗结构与尺寸 6

2.1.3工作斗的自动调平 7

2.2臂架结构组成及伸缩原理 9

2.2.1臂架结构组成 9

2.2.2臂架伸缩机构 9

2.2.3臂架伸缩原理 10

2.3转台组成及调平 10

2.3.1转台的组成 10

2.3.2转台的自动调平装置 11

2.4支腿结构及工作原理 11

2.4.1支腿的作用 11

2.4.2支腿的结构形式 11

2.4.3支腿的结构与尺寸 13

2.5云梯消防车关键部件的工作状态 13

第3章 梯架静力学分析 14

3.1铝合金梯架系统结构 14

3.1.1铝合金梯架系统结构简示图 14

3.1.2臂架结构特点 14

3.2梯架系统三维建模 15

3.2.1臂架的主要尺寸及结构形式 15

3.2.2建立有限元模型 16

3.3铝合金梯架系统静力学分析 18

3.3.1铝合金材料性能 18

3.3.2臂架结构受载情况 18

3.3.3臂架结构危险工况分析 20

3.4Workbench求解 21

3.4.1 Workbench网格划分 21

3.4.2 求解结果 21

第4章 梯架模态分析 28

4.1模态分析的目的及操作 28

4.1.1模态分析的目的 28

4.1.2模态分析的操作过程 28

4.2模态分析求解结果 28

4.2.1臂架结构前六阶固有频率 28

4.2.2固有频率下的振型 29

第5章 总结与展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

云梯消防车是一种装配有云梯及工作斗，用于高层建筑火灾救援及营救被困人员的特种车辆。其主要特点在于具有伸缩式臂架结构，其上可以安装工作斗和升降斗，提高救援时营救被困人员的效率。云梯消防车工作状态如下图1.1所示：

图1.1 云梯消防车工作状态

一般的云梯消防车由工作斗、臂架结构、回转平台、支腿、副车架、底盘及其他机构（变幅机构、调平机构以及安全保护系统）等组成^[10]。云梯消防车的底盘部分主要保证车辆在各种路面上的机动灵活性及通过性好。副车架作为安装在云梯车底盘上的主要承力部件，常用的是整体箱式结构。其他关键部件将在下一章的结构方案分析中作详细说明。

1.1课题来源、目的及意义

铝合金云梯梯架系统关键部件设计及性能研究课题来源于随州市专用汽车研究院。本课题拟开发一种柔索预应力铝合金云梯消防车梯架系统结构。项目采用铝合金主梁及柔索加载预应力的轻量化梯架结构创新方案，开展梯架系统关键部件结构设计，包括梯架结构、变幅机构、调平转台装置。开展初步的梯架力学性能分析、运动规划及控制方法研究。

本设计作为研究院研究课题的一个子课题，配合研究进展，完成相应的工作。其中作为云梯消防车最重要的支承部件和关键性技术部件一一臂架系统，其需要承受自身以及泵送水产生的重力、风力、伸展梯架的惯性力、救援斗内人员或云梯装配所施加的变载荷(如救援斗内的操作力和喷水口的反力)，负载较大且承载情况较为复杂。因此臂架系统是云梯消防车工作中最薄弱以及最重要的环节，其刚度与强度各方面的可靠性是确保灭火救援工作顺利进行最关键的因素。对臂架结构的强度刚度进行准确分析，指导设计制造出轻便、耐用的臂架对提高云梯消防车工作可靠性、降低成本具有十分重要的意义。