軌輪式混凝土輸送車攪拌筒有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

郭年琴+林通

摘要：針對攪拌筒在工作過程中存在前端板與前錐段焊接部位焊縫開裂及支撐托輪破壞等問題，利用有限元分析軟件ANSYS與Workbench對攪拌車制動和卸料工況進行了靜力分析，得出了2種工況下攪拌筒的受力和變形規(guī)律，找出了攪拌筒結(jié)構(gòu)的薄弱部位。以攪拌筒質(zhì)量為目標函數(shù)對其結(jié)構(gòu)和主要尺寸進行優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果選出了較為理想的攪拌筒尺寸。優(yōu)化后的筒體總重量降低了14.02%，強度和剛度均得到了提高，解決了軌輪式混凝土輸送車攪拌筒焊縫開裂及支撐托輪破壞等問題，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進設(shè)計、降低制造成本具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：混凝土輸送車；攪拌筒；優(yōu)化設(shè)計；靜力學(xué)分析

中圖分類號：U457文獻標志碼：B

Abstract： In order to find out the causes of supporting roller damage and weld cracking at the position of front panel and front cone in mixing drum， statical analysis of the working process of braking and unloading was conducted by using the software of ANSYS Workbench. According to the simulation， the rule of force and deformation in different cases was obtained， and the weakest spot of the mixing drum was found. Taking the body mass as objective function， the main dimensions and structure were optimized. Compared with original design， the mass of mixing drum was reduced by 1402%. The simulation results show that the optimization could improve the structural strength and stiffness， solve the problems such as weld cracking and supporting roller damage. Research results provide reference for structural improvement design and help to reduce the manufacturing cost.

Key words： concrete mixing truck； mixing drum； optimization design； statical analysis

0引言

軌輪式混凝土輸送車是一種特殊的混凝土運輸車，其工作原理與普通的混凝土運輸車基本相同，利用電機車牽引的軌輪式混凝土運輸車有效地解決了隧洞井巷內(nèi)部混凝土運輸?shù)膯栴}。攪拌筒是混凝土攪拌車的核心部件，它既是攪拌車運送混凝土的裝載工具，也是攪拌混凝土的工作裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著工程質(zhì)量的好壞[12]。在運行過程中，攪拌筒不但要承受來自混凝土質(zhì)量造成的彎矩，而且還有來自攪拌筒回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩和攪拌筒內(nèi)部的混凝土運動時作用在沿攪拌筒軸線和周線方向的作用力。實際使用過程中，攪拌筒存在前端板與前錐段焊接部位焊縫開裂及支撐托輪破壞等問題[3]。為保證攪拌筒的正常運行，有必要對易失效零件進行有限元分析，并針對其失效原因改進結(jié)構(gòu)以延長使用壽命。

1攪拌筒結(jié)構(gòu)介紹

本文以某公司生產(chǎn)的2 m3軌輪式混凝土攪拌車為研究對象，攪拌筒的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。筒體由前錐段、圓柱段和后錐段焊接而成，在后錐段焊有滾道。三點支撐的攪拌筒以傾斜16°的形式放置在副車架上，可以繞其軸向旋轉(zhuǎn)。攪拌筒內(nèi)對稱焊接了2條變螺距攪拌葉片，攪拌筒的旋轉(zhuǎn)運動可以使攪拌葉片帶動筒內(nèi)混凝土實現(xiàn)攪拌及卸料等工作[4] 。

2攪拌筒有限元分析

2.1幾何模型的建立

攪拌筒內(nèi)部對數(shù)螺旋線造型復(fù)雜，在ANSYS軟件中建模效率不高，因此本文采用Solidworks軟件建立模型。建立實體模型時，在如實反映攪拌筒結(jié)構(gòu)受力的前提下，盡可能簡化其模型[5]。本文對模型做如下處理：將筒體的三段焊接件視為整體部件，對法蘭盤上的螺栓孔和人孔進行簡化，壓縮圓角和倒角等特征，以提高軟件進行計算的速度。模型建立完成后從Solidworks軟件中導(dǎo)入Workbench中的Design Modeler，完成實體模型元的建立。

2.2攪拌筒的有限元模型

攪拌筒有限元分析利用ANSYS軟件，根據(jù)有限元法對攪拌筒進行靜力學(xué)分析。攪拌筒的有限元模型需要設(shè)置攪拌筒材料屬性、選擇實體單元、劃分網(wǎng)格、確定邊界條件及加載載荷等。

（1） 材料屬性。攪拌筒采用16Mn鋼，其彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=03，密度ρ=7 800 kg·m-3。

（2） 實體單元。為提高計算速度，在保證計算精度的情況下對筒體、攪拌葉片按三維殼單元（solid63）劃分，其他各單元按實體單元（solid45）劃分。

（3） 網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格單元長為30 mm。為了更好地反映攪拌筒真實的受力情況，對各零件連接處的網(wǎng)格進行加密處理[6]，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。該模型共有節(jié)點54 866個，單元25 063個。

（4） 邊界條件。根據(jù)攪拌筒的實際運動情況確定模型的邊界條件，設(shè)置支撐托輪和法蘭內(nèi)端面可繞軸向旋轉(zhuǎn)，支撐托輪與滾動軸成接觸的內(nèi)壁支撐類型為“Frictionless support”，法蘭盤與減速器連接部位表面支撐類型設(shè)置為“Cylindrical support”。各零件之間接觸類型設(shè)置為“bonded”。

（5） 載荷。由于攪拌筒實際工作中的工況不同，混凝土對攪拌筒內(nèi)壁的作用力也不一樣。本文按2種典型工況下的載荷情況進行有限元模型的靜力學(xué)分析。

2.3不同工況下的攪拌筒的有限元分析

（1） 制動工況。此工況下的約束條件是支撐托輪和法蘭盤可沿軸向轉(zhuǎn)動，約束其他方向的轉(zhuǎn)動和移動。在制動時，攪拌筒轉(zhuǎn)速較小，所以攪拌筒壁的轉(zhuǎn)矩可以忽略不計，攪拌筒本身的重力G1和混凝土重力G2如下

G1=M1g（1）

G2=M2g=ρVg（2）

式中：M1為攪拌筒的質(zhì)量；M2為混凝土的質(zhì)量；ρ為混凝土的密度，取2 400 kg·m-3；V為攪拌筒的有效裝載體積。

在制動過程中攪拌筒前端板及部分葉片受到混凝土運動所產(chǎn)生的慣性力。由生產(chǎn)廠家提供輸送車的最大速度Vmax=10 km·h-1、停車時間t=1 s。則根據(jù)Vmax=at2/2可得慣性力Fa如下

攪拌筒筒體與水平面夾角為16°，混凝土重力可分解為垂直作用于攪拌筒內(nèi)壁F1及對前端板的力F2

F1=G1cos 16°（4）

F2=G2sin 16°（5）

所受的載荷在Workbench中均以Force形式垂直施加在受力表面，攪拌筒重力以重力加速度形式加載，取g=9.8 m·s-2，方向沿Y軸負方向。具體載荷施加情況如表1所示。

通過計算得出攪拌筒在制動工況下變形和應(yīng)力的分布規(guī)律。攪拌筒變形情況如圖3所示，攪拌筒最大位移為4128 7 mm，位于前錐與前端板的連接處。攪拌筒所受應(yīng)力情況如圖4所示，最大的應(yīng)力為21297 MPa，位于滾道與支撐托輪的接觸處。此外，法蘭盤與減速機連接處也受到較大的應(yīng)力，為12936 MPa。模擬的結(jié)果與實際失效情況一致。

（2） 卸料工況。此工況下約束條件和載荷情況與制動工況基本相同，但沒有來自混凝土產(chǎn)生的慣性載荷作用。卸料時攪拌筒的轉(zhuǎn)動速度約為10 r·min-1，此時減速機傳遞的轉(zhuǎn)矩為18 000 N·mm，轉(zhuǎn)矩施加在法蘭盤上[7]。其他載荷加載方式與制動工況相同。經(jīng)過計算得出卸料工況下的變形和應(yīng)力分布情況。變形情況如圖5所示，最大變形位于前錐與前端板連接處，變形量為3.557 5 mm。等效應(yīng)力分布情況如圖6所示，最大應(yīng)力位于法蘭盤與減速器連接處，為14785 MPa，同時前端支撐托輪與滾道接觸處也有較大應(yīng)力。

2.4結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析的結(jié)果可知，在攪拌筒處于制動工況下受到的最大等效應(yīng)力為212.97 MPa。最大變形量為4128 7 mm。根據(jù)材料屬性可知16Mn鋼的屈服應(yīng)力σs=345 MPa，由于軌道式運輸車運行較為平穩(wěn)，取安全系數(shù)ns=1.5 ，此時許用應(yīng)力[σ]為

[σ]=σsns（6）

制動工況的最大等效應(yīng)力接近其許用應(yīng)力，且攪拌筒在實際工作中也驗證了該處為零件的力學(xué)薄弱處。卸料工況下的最大應(yīng)力為147.85 MPa，和許用應(yīng)力相比，較為安全。但法蘭盤與減速機的連接處受到因減速機引起的交變載荷的影響，法蘭盤容易失效。

3筒體的優(yōu)化設(shè)計

3.1優(yōu)化模型的前處理

根據(jù)上述對攪拌筒的有限元分析，獲得其結(jié)構(gòu)變形及等效應(yīng)力分布情況，可對攪拌筒進行優(yōu)化設(shè)計?，F(xiàn)對模型做如下處理：一是在前端板與前錐段內(nèi)壁連接處增加6條三角加強筋，沿圓周均勻焊接，增大攪拌筒在前錐段與前端板焊接處的強度；二是將模型中的尺寸格式更改為能被Workbench軟件識別的“DS_XX”尺寸格式。按照改進后的攪拌筒結(jié)構(gòu)重新建立模型，利用目標優(yōu)化工具對攪拌筒尺寸進行優(yōu)化。

3.2確定設(shè)計變量及優(yōu)化范圍

由于軌輪式混凝土輸送車是一種特殊的運輸工具，工作環(huán)境受到運輸軌道寬度、礦井隧道高度等限制，因此其長度和寬度等幾何參數(shù)按照工作要求確定，不能隨意修改。本文通過優(yōu)化攪拌筒各錐段厚度及易失效零部件的尺寸來實現(xiàn)攪拌筒輕量化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計變量初始值及范圍如表2所示。

3.3約束條件的確定

（1） 根據(jù)材料的屬性確定其最大應(yīng)力不大于材料的許用應(yīng)力，即σmax≤[σ]。

（2） 攪拌筒壁厚的約束條件為d≥5 mm。

（3） 攪拌筒壁在最大工作載荷下的變形量Δ，約束條件為Δ≤6 mm。

3.4目標函數(shù)的確定

攪拌筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化追求以最輕的工作裝置質(zhì)量來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的良好工作狀態(tài)，即輕量化設(shè)計[8]。目標函數(shù)F（x）為

F（x）=min[m（x）]（7）

式中：m（x）為攪拌筒的質(zhì)量；x為設(shè)計變量。

3.5優(yōu)化結(jié)果

本文采取多目標優(yōu)化方法對攪拌筒進行優(yōu)化，載荷和約束情況與制動工況一致[9]。經(jīng)過計算后選取15組優(yōu)化結(jié)果，如表3所示。

3.6優(yōu)化結(jié)果分析

由表3可知，優(yōu)化結(jié)果中質(zhì)量較小的為第9組和第13組數(shù)據(jù)，分別為708.01 kg和720.07 kg。由于第9組最大等效應(yīng)力為230.59 MPa，超過了材料的許用應(yīng)力，所以根據(jù)輕量化目標的要求，選取第13組為最佳優(yōu)化結(jié)果，圓整后的優(yōu)化尺寸如表4所示。

按照圓整后的尺寸進行模型再生，對再生的模型進行制動工況下的靜力學(xué)有限元分析，分析結(jié)果與原設(shè)計結(jié)果的對比如表5所示。

由表5可以看出，優(yōu)化后的攪拌筒質(zhì)量從82688 kg降為710.93 kg，降幅為14.02%；最大等效應(yīng)力從212.97 MPa降為168.68 MPa，降幅為2079%；攪拌筒應(yīng)變量從4.128 7 mm降為3.413 4 mm，降幅為17.33%。因此可以確定優(yōu)化后的攪拌筒不僅減輕了整體質(zhì)量，并且強度和剛度也得到了提高，特別是增加了支撐托輪的使用壽命，這在改進設(shè)計后的實際使用過程中得到了驗證。

4結(jié)語

（1） 針對原混凝土攪拌筒工作過程中易出現(xiàn)的前端板與前錐段焊接部位焊縫開裂及支撐托輪破壞等問題，進行了有限元靜力分析。找出了2種典型工況下原攪拌筒的受力和變形規(guī)律，分析試驗結(jié)果可知原攪拌筒軸向剛度不足。

（2） 以質(zhì)量最小為目標函數(shù)，采用Workbench有限元軟件對攪拌筒進行了尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后，攪拌筒減重1402%，最大變形量降低了1733%，最大等效應(yīng)力降低了2079%。從輕量化、剛度、強度等方面綜合考慮，攪拌筒的尺寸優(yōu)化取得了較好的效果。

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[責任編輯：高甜]