基于有限元的混凝土泵車轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

摘 要：應(yīng)用有限元分析方法，采用三維實(shí)體模型，詳細(xì)分析了混凝土泵車轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)。通過有限元計(jì)算結(jié)果，得到各因素對應(yīng)力分布的影響規(guī)律，并對轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)臺(tái) 結(jié)構(gòu) 因素 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU646文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0010-04

混凝土泵車轉(zhuǎn)臺(tái)是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件。作為臂架的基座，轉(zhuǎn)臺(tái)上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承相連。轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)主要承受臂架載荷，同時(shí)可隨臂架一起在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因此轉(zhuǎn)臺(tái)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且工況繁多，如果轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，不僅會(huì)出現(xiàn)開裂等故障，還會(huì)導(dǎo)致與回轉(zhuǎn)支承連接的螺栓故障。

通過有限元分析，該文對目前主流生產(chǎn)的單立板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，找出了影響轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的規(guī)律，同時(shí)對某車型轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化以降低重量，滿足企業(yè)生產(chǎn)需要。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)各因素有限元分析

1.1 有限元計(jì)算模型

由于混凝土泵車工作時(shí)工況繁多，如果分析所有泵車運(yùn)行工況，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且也沒有必要。因此本文只取轉(zhuǎn)臺(tái)工作最惡劣工況，即臂架全部水平展開狀態(tài)，考慮臂架振動(dòng)系數(shù)1.3。根據(jù)力學(xué)知識(shí)及分析經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)分析模型中固定轉(zhuǎn)塔、回轉(zhuǎn)支承取簡易模型，臂架載荷用遠(yuǎn)程質(zhì)量載荷代替，螺栓用虛擬螺栓連接。轉(zhuǎn)臺(tái)為焊接件，考慮到焊材與母材力學(xué)性能相近且焊透，故焊縫均不特別建模，整個(gè)分析采用實(shí)體高階單元進(jìn)行。

1.2 載荷及邊界條件

為了保證結(jié)果的可比較性，在所有分析中確定：臂架載荷保證一致，10×14=140t·m；螺栓大小一致，M27螺栓；螺栓預(yù)緊力矩一致，1000N·m；轉(zhuǎn)臺(tái)與臂架、回轉(zhuǎn)支承接口尺寸保持一致；單元網(wǎng)格尺寸保持一致（圖1）。

1.3 分析工況說明

為了深入研究轉(zhuǎn)臺(tái)各因素對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，需要較詳細(xì)的討論各相關(guān)因素。本文分析中保持轉(zhuǎn)臺(tái)各接口尺寸不變，依次改變表1中各參數(shù)。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)各工況應(yīng)力結(jié)果

工況一、改變前、后仰角（α）結(jié)果分析

由于目前轉(zhuǎn)臺(tái)有偏心與不偏心結(jié)構(gòu)，為了探討偏心結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力的影響，本文首先按表1中各角度進(jìn)行了分析，得到5種不同角度下轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力及螺栓軸心力最大值，見表2。

轉(zhuǎn)臺(tái)拉、壓應(yīng)力分布示意圖見下圖3（后同）。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在此5種不同角度中，轉(zhuǎn)臺(tái)后封板焊縫上最大拉應(yīng)力以垂直（90°）為好（應(yīng)力分布云圖見圖4），而后仰（大偏心）結(jié)構(gòu)為最差，且隨仰角（偏心量）增大，受力也隨之更惡劣，但螺栓力以前傾結(jié)構(gòu)為最好。為了避免轉(zhuǎn)臺(tái)后封板處開裂，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免將轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)為此類大偏心結(jié)構(gòu)。本文后續(xù)分析中采用90 °結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

由于整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)是以底板為基座焊接而成的盒狀結(jié)構(gòu)，且回轉(zhuǎn)支承安裝對轉(zhuǎn)臺(tái)底板也有一定的剛度要求，因此本文工況二探討了底板不同厚度對起結(jié)構(gòu)受力的影響。分析按照表1中5種不同厚度進(jìn)行，得到各應(yīng)力最大值見表3。

由分析結(jié)果可見：當(dāng)?shù)装搴穸龋é模┰龃髸r(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)各應(yīng)力整體隨底板厚度的增加呈下降趨勢，即理論上轉(zhuǎn)臺(tái)底板越厚越好。但底板厚度增加，轉(zhuǎn)臺(tái)重量隨之增加，不利于制造成本控制，因此底板厚度可根據(jù)實(shí)際需要取一合適值即可，故本文后續(xù)分析中采用30 mm底板結(jié)構(gòu)（應(yīng)力分布云圖見圖5），此外還可以只對底板部分區(qū)域進(jìn)行加厚。

工況三、改立板厚度（t1）結(jié)果分析

因混凝土泵車臂架通過軸套與轉(zhuǎn)臺(tái)立板鉸接，臂架的傾覆力矩等載荷通過立板傳遞至底板上，因此本工況研究了不同立板厚度下轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。分析按照表1中5種不同厚度進(jìn)行，得到各應(yīng)力最大值見表4。

由分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著此結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)立板厚度（t1）的增加，轉(zhuǎn)臺(tái)各應(yīng)力大體上呈下降趨勢，尤其是油缸座附近的壓應(yīng)力下降較明顯，但對于改善后封板焊縫上的拉應(yīng)力效果卻不是很明顯，因此本文后續(xù)分析采用15mm厚立板（應(yīng)力云圖見圖6）進(jìn)行。此結(jié)果表明：通過增厚立板來改善轉(zhuǎn)臺(tái)拉應(yīng)力是不可取的，但可在油缸座局部增厚來降低壓應(yīng)力。

工況四、改后封板厚度（t2）結(jié)果分析

目前轉(zhuǎn)臺(tái)后封板主流結(jié)構(gòu)為大圓弧，從左、右兩邊向前延伸以改善轉(zhuǎn)臺(tái)后部拉應(yīng)力。在此，本文研究了不同板厚情況下轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。分析按照表1中5種不同板厚進(jìn)行，得到轉(zhuǎn)臺(tái)各最大應(yīng)力值見表5。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)后封板厚度增加時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)拉應(yīng)力及螺栓軸心力隨之改善，但壓應(yīng)力有可能反而增大，這是因?yàn)楹蠓獍搴穸仍黾拥揭欢〞r(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)后部剛性相對增強(qiáng)，前部剛性相對減弱所致。通過對比分析可知：板厚由6 mm增厚到15 mm，增加150%，而拉應(yīng)力只改善29%，故后封板增加到一定程度即可，否則導(dǎo)致重量、成本增加太多。因此本文后續(xù)分析采用8 mm厚后封板（應(yīng)力云圖見圖7）進(jìn)行工況五、改左、右封板高度（h1）結(jié)果分析作為轉(zhuǎn)臺(tái)的輔助結(jié)構(gòu)，左、右封板主要用來支撐立板，避免立板側(cè)向剛度不足。但有時(shí)候如果此類封板布置過高，當(dāng)臂架收攏后有可能會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，因此本文研究了不同封板高度下轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。分析按照表1中5種不同高度進(jìn)行，得到轉(zhuǎn)臺(tái)各最大應(yīng)力值見表6。

通過對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)左、右封板高度由300 mm增加至500 mm時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)各最大應(yīng)力、螺栓最大軸心力等等變化很小?？梢娹D(zhuǎn)臺(tái)左、右封板結(jié)構(gòu)的主要作用并不是用于改善轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力，而是用來提高轉(zhuǎn)臺(tái)的剛度。因此本文后續(xù)分析采用350 mm高度左、右封板（應(yīng)力云圖見圖8）進(jìn)行工況六、改左、右封板厚度（t3）結(jié)果分析由工況5的分析結(jié)果可知左、右封板結(jié)構(gòu)主要用于改善轉(zhuǎn)臺(tái)剛度，故出于可靠性考慮一般情況下還是要保留此結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了減重需要，板厚需要控制的在一定厚度。因此本工況主要探討了一下不同厚度下轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力分布情況。分析按照表1中的5種情況進(jìn)行，得到轉(zhuǎn)臺(tái)各最大應(yīng)力值如表7。

對不同厚度下的結(jié)果分析可見：隨轉(zhuǎn)臺(tái)左、右封板厚度增加，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力改善非常小，即同工況5結(jié)果類似。如此，可以取較薄板結(jié)構(gòu)（如6 mm厚板，應(yīng)力云圖見圖9）以降低轉(zhuǎn)臺(tái)重量。

4 轉(zhuǎn)臺(tái)分析結(jié)果應(yīng)用

利用前面分析得到的結(jié)果，該文就某款具體車型轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體優(yōu)化參數(shù)見表8，結(jié)構(gòu)圖見圖10。

根據(jù)表8及圖10對該轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，兩種方案都可以減重約130 kg左右。更改前、后轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力對比見圖11。

通過應(yīng)力對比發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)臺(tái)減重130 kg以后，轉(zhuǎn)臺(tái)最大拉應(yīng)力及螺栓力反而均得到改善，油缸座附近壓應(yīng)力也可以得到改善，說明效果還是非常理想。

5 結(jié)語

利用有限元分析手段，對目前主流生產(chǎn)的單立板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)分析，可以節(jié)省實(shí)際試驗(yàn)資源與時(shí)間，通過對各相關(guān)因素進(jìn)行研究后可以得到如下結(jié)論。

（1）改善轉(zhuǎn)臺(tái)受力最有效的方法是增厚轉(zhuǎn)臺(tái)底板，但需要考慮生產(chǎn)成本。

（2）后封板厚度的增加，在一定程度上能改善轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力。

（3）轉(zhuǎn)臺(tái)立板厚度增加，對拉應(yīng)力改善效果不大。

（4）轉(zhuǎn)臺(tái)左、右封板高度和厚度增加，對轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力改善不大，但可改善剛度。

（5）仰角及后封板厚度對螺栓軸心力影響較大。仰角越小，后封板越厚，則螺栓受力越好。

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