混凝土噴漿車轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化分析

張淑君，孫武和，喬彬

（1.徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州221004；2.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院工程結(jié)構(gòu)研究所，長(zhǎng)春130025）

0 前言

混凝土噴漿車是利用高壓風(fēng)將含有液態(tài)速凝劑的混凝土噴射到施工面，完成濕噴工藝的一種施工設(shè)備。近幾年，隨著國(guó)家加大鐵路、公路等隧道項(xiàng)目建設(shè)，混凝土噴漿車在該施工領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[1]。

噴漿車除了底盤、泵送系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和速凝劑系統(tǒng)等功能部分外，整機(jī)結(jié)構(gòu)主要分為上下車兩大部分，而轉(zhuǎn)臺(tái)在其中承接著連接上車臂架系統(tǒng)和下車底架結(jié)構(gòu)的作用，如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)主要由立板、底板、圍板、支撐板、彎板、隔板、貼板等件拼焊而成。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)整體截面不規(guī)則，應(yīng)用傳統(tǒng)解析法很難計(jì)算出結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度值，故本文應(yīng)用ANSYS 軟件（Design Opt）優(yōu)化模塊，對(duì)結(jié)構(gòu)各板厚進(jìn)行優(yōu)化，最終得到板厚的整數(shù)最優(yōu)解，通過(guò)減小各板厚度進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化目的[2]。

1 有限元模型

選取我公司某型號(hào)混凝土噴漿車轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行中面提取和幾何處理，再劃分網(wǎng)格，添加相關(guān)約束和載荷，如圖2，最后應(yīng)用ANSYS 軟件對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算[2]。

圖2 有限元模型圖

本文利用有限元多種單元類型的特點(diǎn)，針對(duì)不同部件采用不同單元類型：

（1）各種板件：采用SHELL181 殼單元模擬；

（2）銷軸：采用BEAM188 梁?jiǎn)卧M；

（3）銷軸與轉(zhuǎn)臺(tái)孔連接處：采用LINK180 桿模擬。

2 計(jì)算工況

轉(zhuǎn)臺(tái)承受的載荷主要是垂直載荷及彎矩，其中：垂直載荷為臂架結(jié)構(gòu)自重、混凝土重量及噴射反力；彎矩：上述垂直載荷對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的彎矩，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)上部所連接的臂架系統(tǒng)處于不同變幅角度（即臂架處于不同姿態(tài)時(shí)），轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)所受的彎矩不盡相同。當(dāng)臂架系統(tǒng)水平全伸，且噴射反力向下時(shí)，上車臂架系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的彎矩是最大的，故本文對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算，采用此種工況，如圖3 所示。

圖3 計(jì)算工況圖

3 約束、載荷

3.1 約束

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)底座外圈進(jìn)行移動(dòng)約束，兩個(gè)鉸點(diǎn)銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)約束，結(jié)構(gòu)約束如圖4。

圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)約束圖

3.2 載荷

由力及力矩平衡方程，可求得上車臂架結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用力，其作用力大小及方向，如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)載荷圖

3.3 材料及性能

部件材料及性能如表1 所示。

表1 部件材料及性能表

許用應(yīng)力值計(jì)算公式：

n 為安全系數(shù)，參見(jiàn)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，這里取1.33[3]。

3.4 計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知：

轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在頂端位置，位移值為0.7 mm，這是因?yàn)轫敹宋恢孟喈?dāng)于結(jié)構(gòu)的懸臂梁自由端，進(jìn)而發(fā)生結(jié)構(gòu)最大位移。

最大應(yīng)力為231 MPa，出現(xiàn)在下鉸點(diǎn)支撐立板的尖點(diǎn)處，為應(yīng)力集區(qū)域。最大位移與最大應(yīng)力都小于企業(yè)制定的相關(guān)設(shè)計(jì)值（圖6、圖7），故，初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有一定的冗余，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

圖6 結(jié)構(gòu)最大位移云圖

圖7 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖

4 優(yōu)化計(jì)算及結(jié)果

4.1 優(yōu)化設(shè)置

在該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，取如圖8 所示中的8 塊板件的板厚為設(shè)計(jì)變量，如圖9～圖11，以轉(zhuǎn)臺(tái)允許的最大位移和最大應(yīng)力兩個(gè)參數(shù)為約束條件，把轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的總重量（總體積）最小作為目標(biāo)函數(shù)，擬通過(guò)優(yōu)化減小各板厚度以達(dá)到減輕轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)重量的目的。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量（板厚）圖

圖9 設(shè)計(jì)變量范圍及容差圖

圖10 約束條件及容差圖

圖11 目標(biāo)函數(shù)及容差圖

優(yōu)化要求：結(jié)構(gòu)總體積最小。

容差值為程序自動(dòng)給出，約為原結(jié)構(gòu)總體積1%。

4.2 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

如圖12～圖14，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

圖12 迭代優(yōu)化結(jié)果圖1

圖13 迭代優(yōu)化結(jié)果圖2

圖14 迭代優(yōu)化結(jié)果圖3

本次優(yōu)化共進(jìn)行53 次迭代計(jì)算，其中，第34 次迭代結(jié)果為板厚非整數(shù)最優(yōu)解，進(jìn)行板厚的圓整，得到各板優(yōu)化前后厚度參數(shù)的對(duì)比表，如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后各板厚度對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比可知，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算后，各板厚度都有不同程度的減小，從而整體結(jié)構(gòu)重量也相應(yīng)有所減輕。

4.3 板厚優(yōu)化減小后的校驗(yàn)計(jì)算

將轉(zhuǎn)臺(tái)各板厚調(diào)整到優(yōu)化減小后的數(shù)值，再次加載相同約束和載荷進(jìn)行計(jì)算（圖15、圖16）。

圖15 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)位移云圖

圖16 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)最大位移、最大應(yīng)力都趨向于約束條件的最大限值，即趨向于滿剛度、滿應(yīng)力優(yōu)化。

優(yōu)化前后整個(gè)結(jié)構(gòu)體積及重量差值對(duì)比如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)板件體積及重量對(duì)比表

通過(guò)前后重量差值可得，減重百分比：

4.4 優(yōu)化曲線

目標(biāo)函數(shù)隨著迭代進(jìn)行，呈現(xiàn)逐步減小，且趨向于收斂于某個(gè)定值。

總體積VOLUME 隨迭代次數(shù)N 的變化關(guān)系如圖17～20 所示。

圖17 總體積隨迭代次數(shù)變化曲線圖

圖18 最大位移隨迭代次數(shù)變化曲線圖

圖19 最大應(yīng)力隨迭代次數(shù)變化曲線圖

圖20 部分板件隨迭代次數(shù)變化曲線圖

4.5 結(jié)果分析

本轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)各板厚的設(shè)計(jì)變量隨優(yōu)化迭代的進(jìn)行，趨向于某個(gè)定值，這個(gè)定值是我們給定的設(shè)計(jì)變量的下限，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)還是有一定可靠性余量的。

通常，設(shè)計(jì)變量上下限是因人而異給定的，跟經(jīng)驗(yàn)值有很大關(guān)系，而程序迭代計(jì)算總是趨向于有利減輕結(jié)構(gòu)總重量的，所以，設(shè)計(jì)變量并不一定是收斂于上下限，該結(jié)果就是最終的優(yōu)化結(jié)果。

結(jié)構(gòu)的約束條件范圍比較關(guān)鍵，因?yàn)檫@個(gè)限制范圍直接關(guān)系到優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

各板厚都有不同程度減薄，結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力都有所增加，結(jié)構(gòu)重量也減少，已經(jīng)達(dá)到了提升材料利用率以及輕量化目的。

5 結(jié)論

（1）首先，通過(guò)對(duì)原轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)最大位移值0.7 mm，最大應(yīng)力值231 MPa，遠(yuǎn)小于企業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)可靠性余量較大；

（2）采用ANSYS 軟件優(yōu)化模塊，以結(jié)構(gòu)總重量（總體積）最小為目標(biāo)函數(shù)，剛度、強(qiáng)度允許最大值為約束條件，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)8 塊板厚進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，經(jīng)過(guò)53 迭代計(jì)算，通過(guò)減小板厚，得到本次優(yōu)化板厚圓整最優(yōu)解，得到優(yōu)化后的位移值1.2 mm，應(yīng)力值377 MPa，均滿足要求；

（3）經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)減小各板厚度，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少26.62%，達(dá)到提升材料利用率以及結(jié)構(gòu)輕量化目的[4]。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)已在新車上應(yīng)用，其重量輕，應(yīng)力及應(yīng)變均滿足使用工況要求。