应急抢险救援车作为一种目前应用特别广泛的工程车辆,兼具良好的机动性和全地形通过性。目前应用在城市交通、隧道坍塌、道路障碍、森林火灾、泥石流等危险应急救援事故中,能够在雪地、沼泽、沙漠、森林等复杂路况下行驶,实现应急抢险救援任务。然而工作装置在复杂环境中作业会出现不同的磨损疲劳、铰点损坏等安全问题,需要对上装作业装置进行研制并完成优化设计研究,来提高应急抢险救援车面对突发事件的通过性和机动性,进一步提高面向应急抢险救援车等工程车辆的燃油经济性。上装作业装置主要由回转底座、三节作业臂、连杆、摇杆和可更换的作业属具组成。作为工程车辆应急抢险救援重要的作业装置,进行有限元分析及其优化设计研究,确保上装作业装置结构的安全特性和最优的作业性能。研究课题来源于校企合作项目“基于能量回收技术的混合动力作业系统”,以多功能无人清障车为依托,面向应急抢险救援车在不同环境条件下作业任务展开,分别进行铰点位置的设计与优化、强度刚度校核和实现轻量化优化设计研究。首先简要阐述了多功能清障车的结构组成,基于三维建模软件Pro/E,建立了整车初步的三维模型。重点对上装作业装置进行了介绍,通过对比不同作业方式,选择三节作业臂为作业臂主要形式。进一步,根据反铲作业装置设计方法并结合相关作业参数,采用计算机几何绘图对铰点位置进行初步设计,最终确定铰点位置并对作业性能评估。其次对初定的铰点位置进行优化设计。建立三节作业臂运动学数学模型,基于RecurDyn动力学仿真软件,选择双动臂、斗杆等铰点为设计变量进行参数化建模,进行DOE试验设计分析拟定最优方案。进一步联合Isight多目标优化仿真软件,以双动臂提升、斗杆挖掘、铲斗挖掘为多目标优化函数,以作业范围为约束条件并选择NSGA-Ⅱ算法,最终得到8个铰点的优化位置,并与初步铰点位置及其作业性能指标进行对比。研究结果表明,在最大挖掘力和作业范围参数等方面均有很大提升。研究方法可为工程机械作业装置的铰点位置的优化提供可靠的理论依据。进一步根据应急抢险救援车的总体布局和相关有限元理论方法,对回转底座和作业臂分别进行简化。基于HyperMesh和ANSYS软件的联合仿真,建立上装作业装置结构的有限元模型。通过实地调研,针对回转底座,设计了三种典型工况,来进行模拟回转底座的受力情况。针对作业臂,设计了八种典型工况来模拟在实际作业过程中遇到的复杂受力情况,得到不同工况条件下的应力和位移云图。研究结果表明,回转底座和作业臂的强度刚度满足安全特性,且最大应变和应力区域可进一步优化,为轻量化设计提供理论依据。最后对上装作业装置进行轻量化设计以提高机动性和燃油经济性。基于ANSYS DesignXplorer模块,根据有限元分析设计结果,拟定了上装作业装置轻量化设计方案,定义板厚为设计变量、定义最大总位移和最大应力为状态变量,编写轻量化设计APDL语言,对不同工况下优化结果进行对比。并对强度刚度性能做进一步校核,结果显示,满足安全作业性能。该方案使得回转底座结构减重达到8.6%,作业臂减重比例10.5%,上装作业装置整体减重9.3%。研究结果表明,轻量化效果显著,具有一定现实的意义!