基于LS-DYNA的消防外骨骼挂架无损跌落仿真及结构优化设计

基于LS-DYNA的消防外骨骼挂架无损跌落仿真及结构优化设计

王克楠

贵州航天控制技术有限公司

摘要：针对消防员作业方式，进行消防外骨骼结构设计。在应用显式动力学分析工具LS-DYNA对消防外骨骼挂架跌落过程分析的基础上，分析挂架在不同角度下跌落时的受力以及压缩变形的情况，发现挂架不合理的结构部位，并有针对性的进行挂架结构优化。对优化前后的挂架结构进行分析对比，优化后的挂架不仅抗摔性能增强，而且减少了耗材，有效的降低了生产成本。

关键词：LS-DYNA；跌落；结构优化

1 引言

消防员在进行各类灭火救援作业时需要佩戴和携带多种装备，而装备的使用通常是依靠消防员的人力来进行的，其中使用最普遍的就是消防水枪。消防员在进行灭火作业时，水枪重量均作用在消防员手臂上，而灭火作业往往是持续时间比较长的工作，这对消防员的手臂持久度是很大的考验。现设计一种消防外骨骼，使水枪重量通过外骨骼均匀分布在消防员肩部、后背等部位。由于消防员作业环境比较恶劣，这就要求此外骨骼即可以减轻消防员的作业疲劳度又不影响消防员灵活作业，并且外骨骼可以适应恶劣的作业环境。

为了增加穿戴消防外骨骼作业时的灵活性和提高消防外骨骼抗摔能力，应用显式动力学分析工具LS-DYNA可以准确的模拟消防外骨骼主要承力件挂架在跌落过程中的应力与变形等力学参数，进而对挂架的可靠性进行评估，从而发现可能存在的质量问题，同时依据仿真分析结果对挂架结构进行结构优化设计。

2 跌落有限元分析

2.1有限元模型的建立

为了便于分析，对消防外骨骼挂架进行了简化，将其以中间格式导入LS-DYNA中，并对其进行网格划分，实现结构离散化，生成有限元模型。

消防外骨骼挂架的材料根据惠普尼龙打印材料设定，密度为1140kg/m3,弹性模量为1.7GPa，泊松比为0.3，屈服应力为50MPa。假设消防员在穿脱过程中，消防外骨骼在1m的高度跌落，只受重力作用做自由落体运动。地面设置为一般的水泥混凝土地面，密度为3100 kg/m3，弹性模量为0.9GPa，泊松比为0.2。

2.2结果分析

利用LS-DYNA对建立的有限元模型进行不同角度的跌落仿真，得到挂架的跌落数据。由于应力分布图和变形图可以直观显示不同跌落时刻挂架的应力分布以及变形，所以挂架的应力分布和变形可以反映挂架在跌落中是否收到损伤。

从挂架侧倾仿真结果可以得出，挂架应力主要集中在腰部跌落角和腰部弧口处，挂架中部应力很小。此刻挂架应力峰值15MPa，位于腰部跌落角，小于挂架屈服极限50MPa，因此挂架不会开裂。从挂架后倾仿真结果可以得出，挂架应力主要集中在腰部弧口处和挂架的挂耳处，挂架中部应力很小。此刻挂架应力峰值18MPa，位于挂耳处，小于挂架屈服极限50MPa，因此挂架不会开裂。从挂架角倾仿真结果可以得出，挂架应力主要集中在挂架倾角处，挂架中部应力很小。此刻挂架应力峰值4.8MPa，位于倾角处，小于挂架屈服极限50MPa，因此挂架不会开裂。

从挂架侧倾跌落仿真结果得出，挂架应力在0.0015s时达到第一个峰值，之后迅速下降，0.02s后连续出现两次峰值。说明侧倾跌落时，0.0015s挂架的挂耳首次触地，0.02s后腰部顶角连续两次触地。从挂架后倾仿真结果可以看出，挂架应力在0.001s第一次触地时达到第一个峰值，之后挂架不同程度的连续出现峰值。说明后倾跌落时，挂架的不均匀变形形成不规则振动，吸收动能，导致应力缓慢增加。从挂架角倾仿真结果可以得出，挂架应力在0.0005s时达到第一个峰值，之后迅速下降，0.004s后连续出现两次峰值，但整体峰值呈下降趋势。说明角倾跌落时，由于接触点刚度较大，挂架弹起，内能转换为动能，导致应力呈下降趋势。

从变形结果分析得知，挂架在侧倾、后倾和角倾三个角度跌落时最大应力时刻对应的形变也是最大的，分别为5.4mm、5.5mm和1.4mm。是因为跌落时与地面接触瞬间产生的挤压力最大，造成挂架的形变最大。

3 结构优化分析

3.1优化前后结构对比

通过以上对挂架侧倾、后倾和角倾三个角度跌落时应力和形变的分析，可以得出挂架腰部突出部分和挂耳处是比较脆弱的地方，而挂架中部应力很小。所以对挂架结构进行了优化设计。

3.2结构优化前后分析对比

按照2.1方法，将结构优化后的挂架分别进行侧倾、后倾和角倾跌落仿真，得到不同跌落角度出现的最大应力时刻的应力云图和不同跌落角度出现的最大变形时刻的形变云图。

经过对比，优化结构后的挂架在侧倾、后倾和角倾跌落仿真中应力和形变均减小，提高消防外骨骼抗摔性。挂架重量较优化前减小了11.1%，提高了消防员穿戴消防外骨骼的灵活性。

4结论

根据消防员穿戴消防外骨骼作业时消防外骨骼的负载情况，对消防外骨骼进行结构设计，得出消防外骨骼最优结构排布。然后应用LS-DYNA对消防外骨骼的挂架进行了跌落仿真，得到了挂架侧倾、后倾和角倾等不同跌落角度出现的最大应力时刻的应力云图、不同跌落角度出现的最大应力随时间变化曲线图和不同跌落角度出现的最大变形时刻的形变云图。依据分析结果，得到挂架设计的不合理之处和容易破损的薄弱之处，并将其结构进行优化。然后对优化前后的挂架进行跌落仿真对比，通过对比可知优化后的挂架抗摔性和灵活性均有所增加。最后对优化后的消防外骨骼进行静力学仿真验证，得出优化后的挂架强度和刚度均满足要求。

参考文献

[1] ANSYS/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].何涛,杨竞,金鑫.机械工业出版社.

[2] 基于ANSYS/LS-DYNA的壳体构件跌落仿真分析[J].张黎明,申民玉.黑龙江科技信息.

[3] 基于LS-DYNA的空调连续跌落仿真研究[J].张鹏娥，赵林,纪春荣.力学与实践。