淺談有限元分析在混凝土攪拌車攪拌筒和螺旋葉片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楚宇杰

(呼和浩特市機(jī)械工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

1 LS-DYNA簡介

近些年有限元分析軟件得到了長足的發(fā)展，很多國家都對有限元分析軟件進(jìn)行了深入研究并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。其中LS-DYNA程序在求解沖壓成型、爆炸、碰撞沖擊等方面都做出了卓越的貢獻(xiàn)，在我們國家的運(yùn)用也不斷增多。

LS-DYNA程序是由美國率先研制成功，它是一種為武器設(shè)計(jì)開發(fā)出的分析工具。采用Lagrange算法，可以對液體、熱效應(yīng)、靜力、預(yù)應(yīng)力、回彈力等進(jìn)行綜合分析計(jì)算的有限元程序。它還可以選擇例如復(fù)合材料、土壤、玻璃、混凝土、炸藥、流體等材料，根據(jù)材料的不同還可考慮材料的溫度、黏性、失效等相關(guān)性質(zhì)。LS-DYNA的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，比如制造業(yè)、航空航天業(yè)、石油工業(yè)和汽車工業(yè)等。

2 實(shí)體模型的建立

文中螺旋葉片采用直紋螺旋面組合而成，并利用三維軟件UG進(jìn)行建模，旋向?yàn)樽笮?，那么螺旋葉片順時針旋轉(zhuǎn)時為進(jìn)料和攪拌，螺旋葉片逆時針旋轉(zhuǎn)時為出料。

在三維軟件UG中利用阿基米德螺旋線創(chuàng)建攪拌筒的圓柱段，利用對數(shù)螺旋線創(chuàng)建攪拌筒的前錐段和后錐段，并對螺旋葉片進(jìn)行建模。

攪拌筒和螺旋葉片的建模步驟：①根據(jù)螺旋葉片方程作曲線，在卸料段曲線的半徑必須大過攪拌筒的半徑。②用UG以曲線為邊界移動形成曲面。③作攪拌筒的外形實(shí)體輪廓并裁剪得到一個新的曲面。④作攪拌筒內(nèi)部實(shí)體，用該實(shí)體裁剪第三步形成的曲面，得到新的曲面也就是卸料段的螺旋葉片。⑤由于是組合螺旋葉片，所以可建出另外一個曲面，并與第一個曲面成180°角，兩個新的曲面就形成了具有攪拌和卸料作用的完整螺旋葉片。

攪拌筒和螺旋葉片的幾何模型以建好。接下來就是將攪拌筒和螺旋葉片的幾何模型導(dǎo)入LS-DYNA軟件并劃分網(wǎng)格為有限元分析做基礎(chǔ)。

由于攪拌筒的螺旋葉片受力復(fù)雜不均衡，所以在設(shè)計(jì)計(jì)算時要著重考慮它要有一定的強(qiáng)度和耐磨性，而且在加強(qiáng)的同時還要考慮到它自身的重量因素，在材料的選取上應(yīng)兼顧以上因素。

3 攪拌筒有限元模型的建立

筆者采用HyperMesh作為CAE分析軟件，因?yàn)樵贑AE分析中前處理消耗的時間是最長的，而且HyperMesh還可提供風(fēng)格質(zhì)量檢查功能，所以為了提高使用效率和計(jì)算精度我們采用HyperMesh作為CAE前處理分析軟件。

HyperMesh是一個高效CAE前后處理分析軟件，而且可以和多款CAD、CAE軟件進(jìn)行對接并支持多種格式讀入，例如CAXA、UG、Pro/E、STEP、IGES等格式。

HyperMesh具有完善的互動式劃分工具，用戶可以對每個面進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)如單元偏置梯度、單元密度等。HyperMesh前處理器在劃分網(wǎng)格時可以實(shí)時控制單元質(zhì)量，而且還可以對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行修改。采用四邊形和三角形混合單元可以將攪拌筒、螺旋葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在有限元分析時，主要采用點(diǎn)焊連接攪拌筒與螺旋葉片，在HyperMesh前處理中采用焊接單元進(jìn)行剛性連接。

這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是：首先這種焊點(diǎn)不需要節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)方便模型的建議，其次可根據(jù)焊斑來判斷點(diǎn)焊是否失效。

混凝土攪拌筒根據(jù)功能不同可分為以下4種工況：①裝料：攪拌筒正向轉(zhuǎn)動，速度為6 r/min～10 r/min，混凝土從料斗進(jìn)入攪拌筒并通過螺旋葉片進(jìn)入攪拌筒內(nèi)部。②攪拌：攪拌筒正向轉(zhuǎn)動，攪拌筒以8 r/min～12 r/min速度正向轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)攪拌功能。③攪動：在運(yùn)輸過程中，攪拌筒以1 r/min～3 r/min速度正向轉(zhuǎn)動，以保持混凝土均質(zhì)。④卸料：攪拌筒反向轉(zhuǎn)動，速度為6 r/min～10 r/min，混凝土通過卸料槽卸料。

4 計(jì)算結(jié)果分析

由于攪拌筒工作時承受的力屬于綜合力，包括自身的重力、混凝土的重力、在攪拌過程中的沖撞力等，所以必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算而且由于受力復(fù)雜人力很難計(jì)算。

運(yùn)用LS-DYNA軟件對攪拌筒模型進(jìn)行有限元分析，并對4種不同的情況ω1=6 r/min、ω2=10 r/min、ω3=3 r/min、ω4=-12 r/min分別進(jìn)行分析和計(jì)算，對它們的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析對比。

由于在工作時攪拌筒的自身重量和混凝土重量對攪拌筒會形成一種彎矩，而且還受到攪拌筒旋轉(zhuǎn)所形成的扭矩作用，再加上在行駛過程中路面、起動、制動等因素的影響，使攪拌筒的綜合受力非常復(fù)雜，尤其是支撐球冠法蘭位置。如果法蘭設(shè)計(jì)不合理，會造成攪拌筒軸向變形增大焊縫開裂，這是攪拌筒出現(xiàn)故障的關(guān)鍵因素。所以攪拌筒要必須對其軸向變形進(jìn)行分析。

應(yīng)力-應(yīng)變分析。主要分析混凝土對攪拌筒及螺旋葉片的作用情況并對應(yīng)力進(jìn)行分析比較。圖1所示為T=50 ms時筒體所受的應(yīng)力云圖。

(a) ω1=6 r/min(裝料)

(b) ω2=10 r/min(攪拌)

(c) ω3=3 r/min(攪動)

(d) ω4=-12 r/min(卸料)

從圖1可形成這樣的論述：因?yàn)榛炷猎谕矁?nèi)處于不均勻的形態(tài)，所以受力也是不一樣的。但是從圖1中可知，攪拌筒的中下部受力最大而上部受力較小，所以攪拌筒和葉片分段采用不同厚度的鋼板焊接，可以有效提高它們的使用壽命。

從圖2螺旋葉片塑性應(yīng)變云圖可知螺旋葉片在外緣受摩擦力最大，葉片變形、受損嚴(yán)重。我們通常采用在葉片外緣焊接鋼絲來增加葉片的耐磨性，從而可以增長葉片的使用壽命。

圖2 葉片塑性應(yīng)變云(ω4=-10 r/min)

通過以上對攪拌筒及葉片的軸向竄動量、應(yīng)力、應(yīng)變量等方面的分析研究，我們知道哪些參數(shù)會對攪拌筒在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生影響，從中得到一些相關(guān)數(shù)據(jù)，從而對我們在設(shè)計(jì)攪拌筒及葉片的時候形成重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語

筆者通過使用CAE軟件對混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒和螺旋葉片進(jìn)行了有限元分析，通過分析認(rèn)識到混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒和螺旋葉片的設(shè)計(jì)與CAE技術(shù)是分不開的，我們可以通過CAE技術(shù)對攪拌筒和螺旋葉片在4種不同工況下的工作特性進(jìn)行了詳細(xì)分析并得出以下結(jié)論：①筆者將攪拌筒及攪拌葉片的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)相緊密結(jié)合，為今后攪拌筒和攪拌葉片的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。②運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對攪拌筒及攪拌葉片進(jìn)行參數(shù)總體設(shè)計(jì)，因此通過對一些參數(shù)進(jìn)行修改以后便可生產(chǎn)系列化產(chǎn)品，這樣不僅使設(shè)計(jì)人員的勞動強(qiáng)度大大降低，而且還可以縮短設(shè)計(jì)的時間提高生產(chǎn)效率降低成本。③對混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒及攪拌葉片在各種不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，采用有限元軟件進(jìn)行CAE分析，如果發(fā)現(xiàn)攪拌筒及攪拌葉片有嚴(yán)重受損的地方，就可以對攪拌筒及攪拌葉片受損嚴(yán)重的地方進(jìn)行參數(shù)修改，因此對我們今后的設(shè)計(jì)與研發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。④通過對混凝土攪拌運(yùn)輸車在制動及卸料時攪拌筒在軸向的竄動量分析發(fā)現(xiàn)，攪拌筒在其連接法蘭處受到了較強(qiáng)的沖擊載荷，所以混凝土攪拌運(yùn)輸車在制動及卸料時攪拌筒的法蘭要有足夠的強(qiáng)度和抗沖擊力。⑤由于混凝土是一種不均勻的物質(zhì)，而且在運(yùn)輸過程中路況復(fù)雜，可能會使攪拌裝置受力情況不穩(wěn)定，我們采用不同材料不同厚度的鋼板進(jìn)行分節(jié)焊接可以有效提高攪拌裝置的使用壽命。

筆者研究的缺點(diǎn)在于把混凝土顆粒假設(shè)為一種微小的鋼體在設(shè)計(jì)時忽略了混凝土的黏合性，并且在設(shè)計(jì)時不能把混凝土這種物質(zhì)完全模擬成真實(shí)要求的混凝土，所以文中運(yùn)用CAE分析出的相關(guān)參數(shù)只是一種指導(dǎo)性的參數(shù)，這一點(diǎn)還需要繼續(xù)提高和完善。