混凝土攪拌車副車架結(jié)構(gòu)有限元分析及驗(yàn)證

羅昆　苑伍德　白傳輝　劉大維

文章編號：10069798（2022）02008107;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.013

摘要：為了對混凝土攪拌車副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，本文應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件建立混凝土攪拌車主、副車架有限元模型，對彎曲工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，得到副車架的應(yīng)力分布，確定測點(diǎn)位，建立應(yīng)力測試試驗(yàn)系統(tǒng)，得到各測點(diǎn)位的等效應(yīng)力，最后對各測點(diǎn)等效應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證副車架有限元模型的正確性。同時(shí)，通過分析攪拌罐貢獻(xiàn)率，對各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，在各極限工況下，當(dāng)攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%時(shí)，副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。該研究為混凝土攪拌車副車架的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混凝土攪拌車;副車架;有限元;應(yīng)力試驗(yàn);貢獻(xiàn)率

中圖分類號：U463.32;U469.6+5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

副車架作為混凝土攪拌車主要承載部件，起到承載上裝部分載荷的作用＼[14＼]，且混凝土攪拌車工作環(huán)境復(fù)雜，路面條件惡劣，嚴(yán)重影響混凝土攪拌車的行駛安全及使用壽命＼[58＼]。目前，研究人員對混凝土攪拌車副車架的研究主要集中在靜強(qiáng)度和疲勞壽命分析。盧思穎等人＼[9＼]利用HyperMesh軟件對攪拌車副車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，采用新的加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)減輕了攪拌車的重量;范娟娟等人＼[10＼]對攪拌車副車架進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，對副車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì);侯國強(qiáng)等人＼[11＼]運(yùn)用Ansys軟件對攪拌車車架進(jìn)行分析，對主車架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使整車高度降低了120mm;司癸卯等人＼[12＼]對無副車架混凝土攪拌車車架進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)證其固有頻率的安全性;張飛飛等人＼[13＼]運(yùn)用Optistruct軟件對副車架矩形管的厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，達(dá)到了輕量化10%的目標(biāo);夏學(xué)文等人＼[14＼]運(yùn)用MSCFatigue軟件進(jìn)行攪拌車結(jié)構(gòu)件和焊縫疲勞仿真分析;李金偉等人＼[15＼]運(yùn)用有限元技術(shù)及試驗(yàn)技術(shù)，采用nCodeDesignLife軟件對攪拌車副車架進(jìn)行疲勞壽命分析;高耀東等人＼[16＼]使用FatigueTool對攪拌車副車架疲勞壽命進(jìn)行分析評估;鞠斌等人＼[17＼]在某汽車試驗(yàn)場進(jìn)行應(yīng)變電測試驗(yàn)，得到前排料攪拌車行駛時(shí)車架動應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲得車架載荷譜。但上述研究均未考慮攪拌罐對副車架強(qiáng)度的影響?；诖?，本文建立混凝土攪拌車主、副車架有限元模型與應(yīng)力測試試驗(yàn)系統(tǒng)，通過對各測點(diǎn)等效應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了副車架有限元模型的正確性。同時(shí)，對攪拌罐的貢獻(xiàn)率和各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析表明，當(dāng)攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%時(shí)，各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。該研究為混凝土攪拌車副車架有限元分析及結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1車架有限元模型建立

1.1車架結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

某公司開發(fā)的混凝土攪拌車車架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該車采用8×4結(jié)構(gòu)型式，由主車架和副車架組成，主車架主要由內(nèi)、外縱梁和橫梁組成，縱梁與橫梁采用螺栓連接;副車架由縱梁、橫梁、前臺，后臺和斜拉筋組成，各部件之間通過焊接連接，副車架與主車架通過U型螺栓連接。雙前橋通過普通鋼板彈簧與主車架相連，后橋通過平衡懸架與主車架相連，前鋼板彈簧的剛度系數(shù)kf=482N/mm，后鋼板彈簧的剛度系數(shù)kr=3870N/mm。

在HyperMesh軟件中進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃分，為了提高分析精度，建立主車架有限元模型，合理模擬主、副車架。車架縱梁、橫梁、前后臺、斜拉筋等主要部件為薄板結(jié)構(gòu)，采用10mm四邊形殼單元進(jìn)行劃分;某些部件允許退化為三角形單元;板簧支座等連接部件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用邊長為5mm的四面體單元進(jìn)行劃分;鋼板彈簧、推力桿和車橋采用梁單元進(jìn)行模擬。

由于各部件之間為焊接，鉚釘和螺栓連接，建模過程中焊縫采用焊接單元模擬;鉚釘和螺栓通過剛性單元進(jìn)行模擬，將車架各部件之間裝配孔周圍單元節(jié)點(diǎn)耦合至裝配孔中心建立約束關(guān)系＼[18＼];主副車架之間采用GAP單元模擬＼[19＼]。車架有限元模型如圖2所示。

1.2邊界條件確定

根據(jù)攪拌車運(yùn)行實(shí)際工況對雙前橋一軸、二軸和中、后橋進(jìn)行約束，為保證副車架結(jié)構(gòu)的安全性，約束條件的設(shè)置均考慮副車架在極限工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1）彎曲工況。雙前橋約束一軸右側(cè)3個方向的平動自由度及二軸右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，一軸和二軸左側(cè)只約束Z方向的平動自由度;中后橋約束右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，左側(cè)只約束Z方向的平動自由度，動載系數(shù)取2.5。

2）扭轉(zhuǎn)工況?；趶澢r的基礎(chǔ)上，在雙前橋一軸左側(cè)約束點(diǎn)Z方向施加53mm的位移;中后橋在右側(cè)約束點(diǎn)Z方向施加120mm的位移，動載系數(shù)取1.3。

3）制動工況。雙前橋約束一軸和二軸右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，一軸和二軸左側(cè)只約束Z方向的平動自由度;中后橋約束右側(cè)3個方向的平動自由度，左側(cè)約束X和Z方向的平動自由度，制動加速度取0.7g，動載系數(shù)取1.5。

4）轉(zhuǎn)彎工況。雙前橋約束一軸右側(cè)3個方向的平動自由度及二軸右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，一軸和二軸左側(cè)只約束Z方向的平動自由度;中后橋約束右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，左側(cè)只約束Z方向的平動自由度，側(cè)向加速度取0.4g，動載系數(shù)取1.3。

車輛滿載作用于車架上的載荷包括駕駛室、發(fā)動機(jī)、水箱、減速器、油箱、蓄電池、攪拌罐和裝載等質(zhì)量。車架承載質(zhì)量如表1所示。

駕駛室、發(fā)動機(jī)、蓄電池及油箱等質(zhì)量按集中力的加載方式直接作用在車架的相應(yīng)質(zhì)心位置，攪拌罐及裝載混凝土的質(zhì)量按照式（1）～式（3）分配至支撐處，即

式中，G為裝載重量;L為重心到前臺距離;L1為攪拌罐長度;F1和F2為左右支撐輪受力;FV和FH為前臺處受力;α為攪拌罐傾斜角度;θ為F1和F2與豎直方向夾角。

靜態(tài)分析中，假設(shè)混凝土不產(chǎn)生偏心現(xiàn)象＼[20＼]，混凝土和攪拌罐的受力簡圖如圖3所示。

2副車架有限元計(jì)算與試驗(yàn)測試對比分析

2.1彎曲工況副車架有限元分析

為了確定副車架測點(diǎn)位置，進(jìn)行應(yīng)力測試試驗(yàn)，車架結(jié)構(gòu)有限元模型按照上述彎曲工況的邊界條件加載，加載動載系數(shù)取值為1，彎曲工況下副車架應(yīng)力云圖如圖4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定8個測點(diǎn)進(jìn)行貼片;測點(diǎn)1和測點(diǎn)8位于前臺前端與縱梁連接處;測點(diǎn)2和測點(diǎn)7位于后臺前端與縱梁連接處;測點(diǎn)3和測點(diǎn)6位于斜拉筋與后臺連接處;測點(diǎn)4和測點(diǎn)5位于攪拌罐后支撐輪與后臺連接處，副車架測點(diǎn)示意圖如圖5所示。

2.2試驗(yàn)過程

副車架應(yīng)力測試試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)主要由副車架應(yīng)變信息測量、應(yīng)變信息采集及應(yīng)變信息處理3部分組成。副車架上的各應(yīng)變式傳感器測量應(yīng)變信息，使用16通道動態(tài)應(yīng)變儀和裝有Labview數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦采集應(yīng)變信息，采集得到的應(yīng)變信息由Dasp信號分析軟件進(jìn)行處理。圖745°直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖-由于副車架上各測點(diǎn)不是單向應(yīng)力狀態(tài)，因此在各測點(diǎn)布置了45°直角應(yīng)變花，45°直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，應(yīng)變花最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ2分別為-

式中，E為彈性模量;μ為泊松比;εa、εb和εc分別表示0°，45°和90°這3個方向上的應(yīng)變;a、b、c分別為0°，45°和90°3個方向上的應(yīng)變片。

利用第四強(qiáng)度理論（vonmises理論）進(jìn)行應(yīng)力合成，得到等效應(yīng)力為

應(yīng)變花布置在平面時(shí)，σ3=0，化簡得

在某建筑工地進(jìn)行試驗(yàn)，模擬實(shí)際運(yùn)輸過程中的復(fù)雜道路，試驗(yàn)場地部分路面如圖8所示。混凝土攪拌車裝載量為28t，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)重復(fù)2次。圖8試驗(yàn)場地部分路面--

2.3有限元計(jì)算與試驗(yàn)測試對比分析

副車架各測點(diǎn)等效應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果對比如表2所示。

由表2可以看出，測試彎曲工況時(shí)，各測點(diǎn)等效應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果變化趨勢相同，證明了有限元模型的正確性，但大部分測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對誤差超出15%，主要原因是未考慮攪拌罐對車架的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致載荷施加過大。

2.4攪拌罐對副車架強(qiáng)度的影響

通常情況下，對副車架進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，將攪拌罐和承載的載荷簡化為集中力或均布力作用于副車架支撐處，未考慮攪拌罐與副車架的連接對副車架強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率。本文通過副車架在彎曲工況下的強(qiáng)度計(jì)算，分析攪拌罐對副車架強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率，通過試驗(yàn)對比，驗(yàn)證分析結(jié)果。攪拌罐不同貢獻(xiàn)率副車架各測點(diǎn)等效應(yīng)力如表3所示。-

由表3可以看出，各測點(diǎn)等效應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果，隨著貢獻(xiàn)率的變化，其變化趨勢相同，隨著攪拌罐貢獻(xiàn)率增大，副車架等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果減小，逐漸接近試驗(yàn)值，當(dāng)貢獻(xiàn)率超過20%時(shí)，各測點(diǎn)有限元計(jì)算結(jié)果低于試驗(yàn)值。

攪拌罐不同貢獻(xiàn)率時(shí)副車架各測點(diǎn)誤差分析如表4所示。

由表4可以看出，當(dāng)貢獻(xiàn)率增加到20%時(shí)，各測點(diǎn)絕對誤差逐漸減小，當(dāng)貢獻(xiàn)率超過20%時(shí)，部分測點(diǎn)的絕對誤差又開始逐漸增加。這是由于隨著攪拌罐貢獻(xiàn)率的增加，副車架有限元計(jì)算結(jié)果減小，接近試驗(yàn)值。當(dāng)貢獻(xiàn)率超過20%時(shí)，有限元計(jì)算結(jié)果偏離試驗(yàn)值，導(dǎo)致誤差增大。通過對各測點(diǎn)誤差分析，確定攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%。

3極限工況副車架有限元計(jì)算結(jié)果及分析

按照上述邊界條件對車架結(jié)構(gòu)有限元模型加載，各極限工況下應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

由圖9可以看出，彎曲工況下最大應(yīng)力值為315.93MPa，位于左側(cè)斜拉筋與縱梁連接處;扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力值為269.26MPa，位于副車架第二橫梁與縱梁連接處;制動工況下最大應(yīng)力值為216.8MPa，位于前臺與右副縱梁連接處;轉(zhuǎn)彎工況下最大應(yīng)力值為237.66MPa，位于右側(cè)斜拉筋與縱梁連接處。

4結(jié)束語

本文應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件建立混凝土攪拌車主、副車架有限元模型，對彎曲工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，建立副車架應(yīng)力測試試驗(yàn)系統(tǒng)，得到副車架各測點(diǎn)的等效應(yīng)力。將各測點(diǎn)等效應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了副車架有限元模型的正確性，并對車架強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，對各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%，各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。該研究為混凝土攪拌車副車架的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

＼[1＼]姚澤功，張峰，王利民.混凝土攪拌運(yùn)輸車抖動分析及解決方法＼[J＼].專用汽車，2021（1）：8991.

＼[2＼]陳自云，李振華，劉安海.混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架應(yīng)力計(jì)算及測試分析＼[J＼].工程機(jī)械，2019，50（10）：2631.

＼[3＼]趙魯燕.基于有限元的混凝土攪拌車設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)＼[D＼].南寧：廣西大學(xué)，2019.

＼[4＼]劉炳君.混凝土攪拌運(yùn)輸車水箱與后支架綜合方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究＼[D＼].西安：長安大學(xué)，2020.

＼[5＼]孔祥玉.大方量混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化＼[D＼].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

＼[6＼]趙致富，段曉峰.混凝土攪拌運(yùn)輸車上裝結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究＼[J＼].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021（7）：6465，68.

＼[7＼]許國偉.混凝土攪拌運(yùn)輸車研發(fā)＼[D＼].廣州：華南理工大學(xué)，2019.

＼[8＼]劉景真.混凝土攪拌運(yùn)輸車前臺互換性技術(shù)研究＼[J＼].專用汽車，2020（8）：7679.

＼[9＼]盧思穎.攪拌車輕量化技術(shù)研究＼[D＼].長沙：湖南大學(xué)，2020.

＼[10＼]苑娟娟.基于拓?fù)淅碚摰臄嚢柢嚫避嚰艿膬?yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞分析研究＼[D＼].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

＼[11＼]侯國強(qiáng).混凝土攪拌運(yùn)輸車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及分析＼[D＼].西安：長安大學(xué)，2016.

＼[12＼]司癸卯，王彤，趙建成，等.混凝土攪拌運(yùn)輸車新型車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析＼[J＼].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2017，34（11）：114117.

＼[13＼]張飛飛，任潔雨，張建，等.基于有限元法的某混凝土攪拌車輕量化設(shè)計(jì)＼[J＼].機(jī)械強(qiáng)度，2014，36（4）：560565.

＼[14＼]夏學(xué)文，王承凱，雷新軍.基于虛擬試驗(yàn)場的混凝土攪拌運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)件疲勞仿真分析＼[J＼].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（23）：216219.

＼[15＼]李金偉.混凝土攪拌車副車架疲勞壽命分析＼[D＼].青島：青島大學(xué)，2015.

＼[16＼]高耀東，胡欣欣.混凝土攪拌車副車架多軸疲勞分析＼[J＼].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（6）：211214.

＼[17＼]鞠斌，李金偉，劉大維.前卸料混凝土攪拌運(yùn)輸車車架載荷譜研究＼[J＼].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2015，30（2）：4751.

＼[18＼]宋夫杰，程曉東，陳貫祥，等.無副車架的渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析＼[J＼].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2020，35（1）：7277.

＼[19＼]王國林，張建，王啟唐，等.基于GAP單元的車架有限元分析＼[J＼].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（3）：206209.

＼[20＼]王國林，任潔雨，傅乃霽，等.基于數(shù)值仿真和動靜態(tài)試驗(yàn)的副車架輕量化＼[J＼].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，35（5）：137144.

FiniteElementAnalysisandExperimentalVerificationofSubframeStructureofConcreteMixer

LUOKun1，YUANWude1，BAIChuanhui2，LIUDawei1

（1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China;

2.SinotrukQingdaoHeavyIndustryCo，Ltd，Qingdao266031，China）Abstract：

Inordertoanalyzethestructuralstrengthofthesubframeoftheconcretemixertruck，thispaperusesHyperMeshfiniteelementanalysissoftwaretoestablishthefiniteelementmodelofthemainandsubframesoftheconcretemixertruck.Thefiniteelementanalysisofthestructuralstrengthofthesubframeunderbendingconditionsiscarriedout，thestressdistributionofthesubframeisobtained，themeasuringpointsaredetermined，andthestresstestsystemisestablishedtoobtaintheequivalentstressofeachmeasuringpoint.Thefiniteelementcalculationresultsarecomparedwiththeexperimentaltestresults，andtheresultsverifythecorrectnessofthefiniteelementmodelofthesubframe.Byanalyzingthecontributionrateofthemixingtank，thestructuralstrengthofthesubframeundervariousextremeconditionsisanalyzed.Theresultsshowthatthecontributionrateofthemixingtankis20%，andthestructuralstrengthofthesubframeundereachextremeworkingconditionmeetstherequirementsofuse.Thisresearchprovidesareferenceforthestrengthanalysisandstructuralimprovementofthesubframeoftheconcretemixertruck.

.Keywords：concretemixertruck;subframe;finiteelement;stresstest;contributionrate

收稿日期：20211123;修回日期：20220103

作者簡介：羅昆（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠噭討B(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者：劉大維（1957），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠噭討B(tài)仿真與控制技術(shù)、地面車輛系統(tǒng)與控制技術(shù)。Email：qdldw@163.com

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