混凝土攪拌車車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計

孫加龍 肖 平 房華玉

(1.蕪湖中集瑞江汽車有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，混凝土攪拌車的市場前景越來越廣闊，同時也對車輛的使用安全性提出更高要求[1]。在混凝土運輸過程中，為保證混凝土使用質(zhì)量，攪拌罐需要不斷轉(zhuǎn)動從而帶動其內(nèi)部的混凝土進行運動防止粘結(jié)，故放置罐體的車架需要承受較大的載荷。車架在長期使用中可能會出現(xiàn)局部斷裂、變形等情況，這些失效行為會對攪拌車的安全使用構(gòu)成威脅。

本文通過UG 三維建模軟件構(gòu)建某型混凝土攪拌車車架實體模型，并對模型進行簡化。在傳統(tǒng)單一工況試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛實際使用情況篩選出彎曲、轉(zhuǎn)彎及制動3 種危險工況，在ANSYS 中對車架施加不同危險工況下的載荷及位移邊界條件進行虛擬試驗分析。通過分析結(jié)果對車架的結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，最終使得車架的安全使用性達到要求。

表1 Q355B 材料屬性

1 有限元分析

1.1 有限元模型的構(gòu)建

混凝土攪拌車車架的主要作用是固定攪拌罐體，攪拌罐體通過前臺、后臺、減速機、左右托輪等安裝在車架上，車架通過螺栓、扣件等零件與汽車底盤進行連接?？紤]到本文主要是對車輛的車架進行分析及優(yōu)化設(shè)計，所以僅將車架主體及前臺、后臺建模并進行裝配。由于不考慮車架與其余零部件的實際連接情況，所以去除螺栓孔；且將模型中的倒角進行處理防止出現(xiàn)應力奇異。最終用于劃分網(wǎng)格的簡化實體模型如圖1 所示。

圖1 簡化后的車架模型

1.2 不同工況下的有限元分析

通過對車輛實際使用情況進行分析，本文選定具有代表性的彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動3 種危險工況進行后續(xù)分析?？紤]到混凝土攪拌車實際受力狀況，將簡化后模型的前臺及后臺左右兩端即安裝左右拖輪的位置設(shè)定為載荷施加處。

彎曲工況下，對模型整體施加1個標準重力加速度，固定車架底端位置，設(shè)定好載荷及位移邊界條件后進行求解。求解出的變形云圖如圖2 所示，最大變形量為3.4 265 mm，未超出設(shè)計安全值，出現(xiàn)在車架后端的前臺處。求解出的應力云圖如圖3 所示，最大應力為195.3 MPa，出現(xiàn)在前臺與車架連接位置處。變形云圖與應力云圖分布較為對稱，符合該邊界條件下的實際工況。

圖2 彎曲工況下的變形云圖

圖3 彎曲工況下的應力云圖

轉(zhuǎn)彎工況下，不僅需要對模型施加1個標準重力加速度，還需要一個沿X 軸負向0.3 G 的加速度，用來等效替代轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的向心慣性力。同時還需要在前臺位置處施加沿X、Z 軸方向的轉(zhuǎn)動力矩。求解出的變形云圖如圖4 所示，最大變形量為5.0 769 mm，出現(xiàn)在前臺左拖輪安裝處；這是因為車輛在轉(zhuǎn)彎時受到側(cè)向慣性力作用，混凝土重心向轉(zhuǎn)彎一側(cè)偏移，導致該側(cè)局部受力較大。應力云圖如圖5 所示，最大應力值為315.08 MPa，出現(xiàn)在前臺與車架連接位置出的左側(cè)。雖然最大應力未超出設(shè)計值，但長期在該工況下車架的安全性能會降低。

圖4 轉(zhuǎn)彎工況下的變形云圖

圖5 轉(zhuǎn)彎工況下的應力云圖

制動工況下，不僅需要對模型整體施加一個標準重力加速度，還需要施加與其主運動方向相反的制動加速度用于等效制動慣性力對車架整體的作用。由圖6 可以看出車架整體變形趨勢分布左右對稱，最大變形量為4.6 695 mm，出現(xiàn)在前臺及車架后端處。由圖7 可以看出車架最大應力值為338.82 MPa，出現(xiàn)在前臺與車架連接處。在制動慣性力作用下車架產(chǎn)生較大應力，經(jīng)過多次積累后可能會在此處出現(xiàn)斷裂等失效現(xiàn)象。

圖6 制動工況下的變形云圖

圖7 制動工況下的應力云圖

2 優(yōu)化設(shè)計及分析

2.1 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由上述分析可以看出，車架整體應力最大值出現(xiàn)在前臺與車架的連接處，而最大變形量出現(xiàn)在前臺及車架兩根豎梁的最后端，故該處結(jié)構(gòu)薄弱需要進行優(yōu)化設(shè)計。為了使結(jié)構(gòu)簡單易維護，根據(jù)分析結(jié)果在車架兩側(cè)分別添加與前臺相連的斜拉桿，斜拉桿一端與車架豎梁連接，另一端與前臺傾斜面連接。同時為進一步降低車架整體質(zhì)量，在兩根斜拉桿上開有若干圓形減重孔用于減輕桿身自重。將車架各部分裝配好后如圖8 所示。按照前述有限元分析流程，對優(yōu)化后的車架劃分網(wǎng)格、賦予材料及施加相同邊界條件進行分析。

圖8 優(yōu)化后的車架模型

2.2 優(yōu)化后的有限元分析

優(yōu)化后的車架在彎曲工況下的變形云圖如圖9 所示，應力云圖如圖10 所示。最大變形量和最大應力值較原始模型在相同邊界條件下都有所下降，最大變形處由前臺位置改為后臺位置。

圖9 彎曲工況下的變形云圖

圖10 彎曲工況下的應力云圖

如圖11 所示，優(yōu)化后的車架在轉(zhuǎn)彎工況下的最大變形值為2.6 098 mm，變形量較原始模型相比下降了近一半。如圖12 所示，最大變形值為299.89 MPa 出現(xiàn)在車架左側(cè)。

圖11 轉(zhuǎn)彎工況下的變形云圖

圖12 轉(zhuǎn)彎工況下的應力云圖

如圖13 所示，優(yōu)化后的車架在制動工況下的最大變形值為3.2 299 mm；如圖14 所示，最大應力值為305.86 MPa。最大變形量及最大應力值均出現(xiàn)在車架前端及后臺處，較原始車架相比有一定程度的降低。

圖13 制動工況下的變形云圖

圖14 制動工況下的應力云圖

優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)較原始模型的最大應力值與最大變形量有明顯下降，這說明優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。

3 總結(jié)

通過有限元軟件對車架模型進行虛擬試驗分析，根據(jù)分析結(jié)果清楚了解到車架結(jié)構(gòu)自身的薄弱處；通過對原始模型進行優(yōu)化設(shè)計使得結(jié)構(gòu)的安全性得到提高。優(yōu)化后的車架模型可以滿足多種工況下的使用要求。