某混凝土泵車臂架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與改進(jìn)

連紅衛(wèi)

摘要：混凝土泵車是一種重要的建筑機(jī)械，其中臂架是其關(guān)鍵部件，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析具有重要的意義。本文以新型混凝土泵車臂架為研究對(duì)象，分析確定各種危險(xiǎn)工況，利用ANSYS提供的APDL語言，對(duì)臂架進(jìn)行參數(shù)化建模，研究研究結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)二節(jié)臂和五節(jié)臂結(jié)構(gòu)提出合理改進(jìn)方案。對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，用以校核臂架在工作載荷下是否會(huì)發(fā)生屈曲。

關(guān)鍵詞：臂架；ANSYS；強(qiáng)度；剛度；模態(tài)分析；屈曲分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.008

1混凝土泵車簡(jiǎn)介與問題的提出

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求量增大，混凝土泵車具有作業(yè)區(qū)域廣、澆筑位置準(zhǔn)、澆筑效率快等特點(diǎn)，因此混凝土泵車成為基建工程中重要的水泥基礎(chǔ)澆鑄設(shè)備，其性能參數(shù)與可靠性對(duì)建設(shè)的效率有著重要作用?；炷帘密囉善嚨妆P、支腿、泵送系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)裝置、臂架、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。如圖1所示。如今臂架往越來越長(zhǎng)的方向發(fā)展，受力形式越復(fù)雜，產(chǎn)生較大的位移，因而容易發(fā)生各種問題。例如，工作時(shí)由于臂架變形過大原因致使臂架失穩(wěn)導(dǎo)致發(fā)生破壞現(xiàn)象，工作時(shí)由于局部位置應(yīng)力過大導(dǎo)致臂體出現(xiàn)破壞的情況等，如圖2所示。

本文以某新型設(shè)計(jì)型號(hào)混凝土泵車的臂架為研究對(duì)象，首先利用ANSYS軟件建立了整車的有限元模型，然后根據(jù)受力情況施加正確的邊界條件和載荷，進(jìn)行整機(jī)的靜強(qiáng)度分析，獲得關(guān)鍵部件在危險(xiǎn)工況下的等效應(yīng)力與位移云圖，并以此為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)。并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和屈曲分析，校核修改后結(jié)構(gòu)的安全性。

2整機(jī)有限元模型的建立

本文使用ANSYS內(nèi)部的APDL語言建立混凝土泵車的參數(shù)化有限元模型，便于不同工況姿態(tài)的分析與后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

進(jìn)行有限元分析過程中，在保證計(jì)算結(jié)果具有足夠精確度的同時(shí)應(yīng)盡量選用占用計(jì)算機(jī)資源較少的單元。為減少分析誤差，提高分析效率，本文選擇的單元類型見表1。

本文中選用的材料為WELDOX900E，其屬性見表2。

根據(jù)材料力學(xué)的畸變能密度理論，該材料的許用應(yīng)力計(jì)算公式為：

此處n為安全系數(shù)，取1.33。

本文采用自底向上的方法建立混凝土泵車的整機(jī)有限元模型，并利用APDL語言編寫建模命令流程序。建模時(shí)，先設(shè)定整機(jī)的總體坐標(biāo)系位置，然后根據(jù)零件的相對(duì)位置及裝配關(guān)系定義局部坐標(biāo)系位置，各部件的模型建立完成后，需要根據(jù)部件間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行整機(jī)模型裝配，一般先將零件裝配成部件，然后將各部件裝配在一起形成整機(jī)模型。整機(jī)與零部件有限元模型如圖3所示。

至此整車的有限元模型已經(jīng)建立完成，利用此模型可以進(jìn)行臂架的靜力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3計(jì)算工況確定

泵車的施工過程中，其臂架存在多種作業(yè)姿態(tài)，臂架在施工中的主要受到的外載荷為結(jié)構(gòu)本身的自重和輸料管中混凝土料的重量，在每節(jié)臂均處于水平且全伸直的位置時(shí)，節(jié)臂的受力情況最為嚴(yán)重，并且前幾節(jié)臂受到的傾翻距也最大，因此將此時(shí)的姿態(tài)定為最危險(xiǎn)工況，其工況圖如圖4所示。

在此種姿態(tài)下，臂架收到臂架本身的自重及其產(chǎn)生的動(dòng)載荷、輸料管中混凝土的重量及其產(chǎn)生的動(dòng)載荷和附加載荷，其中：

3.1臂架及混凝土的自重

臂架的自重主要為各節(jié)臂、連接各節(jié)臂的連桿、變幅油缸以及輸料管等零部件的總重量G?；炷恋淖灾貫檩斄瞎苤谢炷恋闹亓浚?jì)算時(shí)通過調(diào)節(jié)輸料管的密度來模擬實(shí)際情況。

3.2動(dòng)載荷

施工過程中振動(dòng)會(huì)引起動(dòng)載荷，由振動(dòng)引起的動(dòng)載系數(shù)K_d取1；輸料管中流動(dòng)的混凝土引起動(dòng)載系數(shù)為K_h取1.3。計(jì)算時(shí)將重力加速度乘以動(dòng)載系數(shù)。

3.3附加載荷

風(fēng)載是由于風(fēng)作用在機(jī)構(gòu)上引起的載荷，風(fēng)載的數(shù)值參照（2）式計(jì)算得：

式中q——風(fēng)壓（Pa）；取值情況根據(jù)內(nèi)陸與沿海值由不同，本文按沿海地區(qū)較大值取250Pa

c——體形系數(shù)，臂架是矩形結(jié)構(gòu)，c值取1.2～1.4之間，本文c取1.4。

回轉(zhuǎn)慣性力是由于臂架繞某一軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性力，其計(jì)算式為：

式中m——總體質(zhì)量（kg）；R——質(zhì)心到回轉(zhuǎn)中心的距離（m）；

n——轉(zhuǎn)速（r/min）；t——加速度的時(shí)間（s）。

在該工況下，需要將臂架回轉(zhuǎn)平臺(tái)的底部全約束，對(duì)模型施加豎直向下的重力加速度及產(chǎn)生的動(dòng)載荷、輸料管中混凝土的重量及其產(chǎn)生的動(dòng)載荷和附加載荷。

4臂架強(qiáng)度剛度結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

4.1剛度計(jì)算結(jié)果分析

臂架在變幅平面（X-Y平面）內(nèi)的等效位移云圖如圖5所示。臂架變幅平面內(nèi)等效位移主要由節(jié)臂的自重和動(dòng)載、混凝土的自重和動(dòng)載以及端部牽引力引起，是主要位移方向。由分析結(jié)果可知，臂架整體最大位移為3536mm，小于設(shè)計(jì)最大位移4500mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2各節(jié)臂強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)束后，進(jìn)入ANSYS的通用后處理器中查看各節(jié)臂的米塞斯等效應(yīng)力，各節(jié)臂的等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

綜合研究分析結(jié)果，可知各節(jié)臂整體上未出現(xiàn)大片的高應(yīng)力區(qū)，僅在部分鋼板搭接區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中一節(jié)臂的應(yīng)力集中效應(yīng)比較明顯，去除該小塊區(qū)域外，結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為521Mpa，一節(jié)臂受到的綜合載荷最大，其他各個(gè)節(jié)臂的綜合載荷相對(duì)較小，等效應(yīng)力分布狀態(tài)也好于一節(jié)臂。

4.3臂體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案與改進(jìn)結(jié)果分析

等效應(yīng)力偏大的區(qū)域主要發(fā)生在節(jié)臂結(jié)構(gòu)連接薄弱處或者加強(qiáng)筋連接處。以二節(jié)臂為例進(jìn)行說明，二節(jié)臂的臂體為箱型梁，內(nèi)部采用加強(qiáng)板的方式焊接，因此在焊接區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，分析結(jié)果表明此處應(yīng)力狀態(tài)較差，有必要對(duì)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，見圖7所示。此外五節(jié)臂大部分區(qū)域的等效應(yīng)力都普遍偏小，其最大值為218 MPa，遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力586 MPa，可以通過減小壁體厚度提高材料的利用率。本文將五節(jié)臂上下蓋板的厚度由原來的8mm改為6mm，如圖8所示。

由圖9可知，采用圖7的改進(jìn)方式使得該區(qū)域的應(yīng)力分布有明顯改善，緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大等效應(yīng)力降低至403MPa，減小了161MPa；采用圖8的改進(jìn)方式使得五節(jié)臂的最大等效應(yīng)力值增加至為251MPa，較大應(yīng)力區(qū)域得到擴(kuò)大，提高了材料利用率，減輕結(jié)構(gòu)重量，尤其是臂端部重量，對(duì)減小整機(jī)最大位移有積極意義。

5臂架屈曲穩(wěn)定性分析

本文所研究的混凝土泵車臂架在實(shí)際工作中存在臂體伸出長(zhǎng)度長(zhǎng)，組合臂根部應(yīng)力水平高的特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)過程中需要特別關(guān)注臂體在指定工況下是否會(huì)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。一般來說分析結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性的方法有以下三種，分別為（1）靜力平衡法，假想在橫向干擾的作用下，受壓件有微小的彎曲。通過聯(lián)立彎曲靜力平衡方程和彎曲理論撓曲線近似微分方程，根據(jù)邊界條件求解微分平衡方程，解得臨界載荷；（2）能量法，此種方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的勢(shì)能數(shù)值上與彈性體變形產(chǎn)生的內(nèi)勢(shì)能和外力做功產(chǎn)生的外勢(shì)能相等，從而可以推導(dǎo)出臨界載荷的數(shù)值；（3）有限元法，利用有限元理論，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算臨界載荷。

算屈曲極限載荷和屈曲后形狀有兩種方法：線性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非線性屈曲分析，但是這兩種方法得到的臨界載荷可能差距很大。特征值屈曲分析常用于比較理想的情況，所得結(jié)果一般比真實(shí)值要大許多，而非線性屈曲分析的結(jié)果往往與真實(shí)值比較接近。

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的安全性，本文對(duì)新臂架結(jié)構(gòu)的水平全伸工況進(jìn)行非線性屈曲分析。將轉(zhuǎn)臺(tái)下底面所有節(jié)點(diǎn)的自由度全約束模擬轉(zhuǎn)臺(tái)固定在汽車底盤上，在輸料管末端施加垂直五節(jié)臂向下1N的集中載荷，同時(shí)設(shè)置整個(gè)臂架的自重以及混凝土料的自重，特征值屈曲分析完成后提取第一階屈曲模態(tài)結(jié)果，如圖11所示，將各節(jié)點(diǎn)位移的等比縮小數(shù)據(jù)作為臂架的初始幾何缺陷，同時(shí)施加略大于一階臨界載荷的載荷，采用位移法進(jìn)行彈塑性大變形分析，分析完成后在時(shí)間后處理器中繪制載荷位移曲線，如圖12所示。可知，臂架在垂直位移為6652mm時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)臂架的屈曲極限載荷為750kN，發(fā)生屈曲時(shí)的位移遠(yuǎn)大于工作狀態(tài)下實(shí)際位移3536mm?？梢?，當(dāng)前結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)論

本文以某型號(hào)混凝土泵車為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件ANSYS建立了其臂架的參數(shù)化有限元模型，并以此為基礎(chǔ)分析了臂架在危險(xiǎn)工況下的強(qiáng)度與剛度特性，得到原設(shè)計(jì)方案加強(qiáng)筋區(qū)域存在應(yīng)力集中、其余大部分區(qū)域結(jié)構(gòu)偏安全的結(jié)論。經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)緩解了原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且減輕了五節(jié)臂的重量，提高了材料利用率。采用非線性分析研究了臂架的屈曲載荷與屈曲形狀，驗(yàn)證了改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。