混凝土攪拌運輸車前后支架有限元分析及輕量化

王振 朱偉麗

摘要：介紹了混凝土攪拌運輸車前后支架的重要作用，通過對前后支架五種工況下的有限元分析校核該結(jié)構的剛強度是否滿足要求。根據(jù)分析的結(jié)果，對前后支架進行輕量化優(yōu)化設計，再次通過有限元分析進行校核，驗證了該設計更加合理，且自重降低，滿足市場需求。

關鍵詞：混凝土攪拌運輸車;前后支架;有限元分析;輕量化;安全系數(shù)

中圖分類號：TH136 收稿日期：2022—04—02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.010

1前言

攪拌車輕量化經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了多種成熟的優(yōu)化模式，如優(yōu)化車身結(jié)構、使用輕量化材料，以及通過先進的制造工藝到材料回收再利用等技術手段，其中使用輕量化材料和運用先進制造工藝的輕量化效果最為顯著，實現(xiàn)了車輛的節(jié)能減排，降低了用戶的用車成本。

攪拌車前后支架的強度和剛度對攪拌車有重大影響，強度低容易斷裂，剛度低容易扭曲變形。通過NX三維設計軟件自頂向下及等高設計思路，并通過有限元運動仿真及受力分析，在滿足車架強度和剛度的前提下盡量使前后支架輕量化，提高燃油經(jīng)濟性，降低運輸成本。

2前后支架結(jié)構

混凝土攪拌運輸車的結(jié)構布置如下：攪拌罐體前端安裝有減速機，減速機固定在前支架上;攪拌罐上的滾道落在拖輪上方，拖輪固定在后支架上;前后支架分布在攪拌車車架前后兩端，對攪拌罐體和裝載的混凝土起到支撐作用。由于在滿載運輸混凝土的過程中，前后支架受到交變載荷的反復作用，所以很容易發(fā)生疲勞破壞和斷裂。

攪拌車的前支架主要由側(cè)板、前板、加強板、后板、頂板組成，后支架主要由側(cè)板、前板、筋板、頂板、后板、加強件組成。前后支架與車架的連接有焊接式和裝配式兩種，本文中有限元分析的是前后支架焊接式結(jié)構。

前后支架作為重要的支撐部件，需保證它們的強度和剛度，所以前后支架的材質(zhì)和結(jié)構起到關鍵作用。攪拌車經(jīng)過多年的發(fā)展，前后支架的結(jié)構已經(jīng)比較成熟，所以新材料的應用越來越受到關注。

3各工況下前后支架有限元分析

攪拌罐內(nèi)的葉片會造成混凝土在攪拌罐旋轉(zhuǎn)過程中質(zhì)心的位置偏心，因此前后支架的左右支撐點作用反力不一致。前后支架支撐點分為前支架左支撐點、前支架右支撐點、后支架左支撐點、后支架右支撐點，因各個支撐點在XYZ三軸方向均承受力的作用，所以各支反力大小均考慮了1.2倍動載系數(shù)。

前后支架材質(zhì)為Q355B，材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度463 MPa，抗拉強度556 MPa，延伸率27.6%，強度安全系數(shù)為1.3，前后支架有限元分析采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸平均10 mm。前后支架模型如圖1所示。

靜力有限元分析工況包括滿載勻速上坡、滿載勻速下坡、滿載彎曲、滿載制動以及滿載轉(zhuǎn)彎五種工況。分析這五種工況下前后支架結(jié)構的強度和剛度，并進行前后支架輕量化優(yōu)化的有限元分析選出最不利的工況。以下是具體有限元分析的結(jié)果。

3.1滿載勻速上坡工況下的有限元分析

滿載勻速上坡工況下前后支架應力和變形云圖如圖2所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為269.3 MPa，位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為0.5mm，位于前支架左邊側(cè)板與頂板交接處;后支架最大等效應力為119.7MPa，位于后支架左筋板中間開口圓角處，最大變形量為1.2mm，位于后支架左側(cè)板上沿處。

3.2滿載勻速下坡工況下的有限元分析

滿載勻速下坡工況下前后支架應力和變形云圖如圖3所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為284.4 MPa，位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為1mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為121.9 MPa，位于后支架左筋板中間開口圓角處，最大變形量為1.2mm，位于后支架左側(cè)板上沿處。

3.3滿載彎曲工況下的有限元分析

滿載彎曲工況（平路運輸）下前后支架應力和變形云圖如圖4所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為158MPa，位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為0.4mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為126.2 MPa，位于后支架左筋板中間開口圓角處，最大變形量為1.3mm，位于后支架左側(cè)板上沿處。

a.前支架應力云圖

b.前臺位移云圖

c.后支架應力云圖

d.后臺位移云圖

3.4滿載制動工況下的有限元分析

滿載制動工況下前后支架應力和變形云圖如圖5所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為292.4MPa，位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為1mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為172.1 MPa，位于后支架頂板與側(cè)板交接處，最大變形量為0.4mm，位于后支架前板開口處。

3.5滿載轉(zhuǎn)彎工況下的有限元分析

滿載轉(zhuǎn)彎工況下前后支架應力和變形云圖如圖6所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為289.7 MPa，位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為0.8 mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為225.2 MPa，位于后支架前板下端開口處，最大變形量為3.2mm，位于左側(cè)板上沿處。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以看出，前后支架在五種工況下，安全系數(shù)均大于1.3，特別是后支架的安全系數(shù)更高，所以目前的結(jié)構形式滿足使用要求，可以進一步進行輕量化優(yōu)化設計。

4前后支架輕量化優(yōu)化

攪拌車前后支架輕量化的最終目的是讓前后結(jié)構的安全性和重量處于一個平衡狀態(tài)，即結(jié)構安全的前提下保證前后支架重量最小。因此對前后支架材料進行升級，即材料更換為610L。610L材料彈性模量為221 GPa，泊松比0.29，屈服強度590 MPa，抗拉強度664 MPa，延伸率24.1%。對以上五種工況（尤其是滿載轉(zhuǎn)彎工況）的前后支架進行輕量化優(yōu)化仿真分析，前后支架零件編號如圖7所示，具體優(yōu)化結(jié)果見表2。

對輕量化優(yōu)化后的前后支架進行上述五種工況有限元分析，優(yōu)化后滿載勻速上坡應力云圖如圖8所示，優(yōu)化后滿載勻速下坡工況應力云圖如圖9所示，優(yōu)化后滿載轉(zhuǎn)彎工況應力云圖如圖10所示。優(yōu)化后各工況的變形云圖不再顯示，因為位置一樣，只是變形量不同，各工況部件最大等效應力及變形量見表3。

對表1和表3進行分析，前后支架優(yōu)化后各工況的應力安全系數(shù)都大于1.3，優(yōu)化后前支架安全系數(shù)與原結(jié)構基本一致;后支架強度安全系數(shù)稍有降低，但還是超過要求的設定值，所以輕量化優(yōu)化方案滿足要求。

5 結(jié)語

通過對攪拌車前后支架做強度、剛度的有限元分析以及輕量化優(yōu)化后的有限元分析，得出結(jié)果為：攪拌車前后支架原結(jié)構強度滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側(cè)向轉(zhuǎn)彎五種工況要求，特別是后支架安全系數(shù)更高，所以可以進行下一步的輕量化設計。輕量化設計方案為材料更換為610L，攪拌車前后支架原質(zhì)量為323.51 kg，輕量化后質(zhì)量為243.1kg，減重80.41kg，減重24.8%，經(jīng)濟效益較高。輕量化后進行有限元分析，攪拌車前后支架輕量化后強度安全系數(shù)均大于要求值，變形量稍有增大，但同樣滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側(cè)向轉(zhuǎn)彎五種狀況要求。

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