基于有限元分析的混凝土泵车副车架优化设计.pdf

2023.05 建设机械技术与管理 81设计计算混凝土泵车由底盘、臂架部分、底架支腿部分、副车架、泵送单元、液压系统和电气系统组成。副车架作为承上启下的重要部件，既通过底架承受了来自臂架和支腿传递的作业载荷，又与底盘连接受到了复杂道路形成的行驶载荷。在泵车的质量事故中，副车架和底架以及副车架和底盘的连接部位会出现板材周边焊缝以及车架母材的开裂现象(见图 1)。所以，准确地模拟副车架的实际工况，对分析失效原因，提升结构件寿命是具有重要意义的。1 作业工况关于工程机械的副车架分析与优化，此前研究较多的对象是混凝土搅拌车，主要载荷来源于行驶工况1-2。而混凝土泵车作为依靠上装作业的工程机械，其结构件的受力分析主要考虑臂架以及底架支腿所产生的动载和弯矩的影响。不例外的，关于泵车的副车架结构分析的文献，也多为施加的作业工况下载荷3。本文仍然把作业工况作为泵车副车架受力分析的第一类情形。泵送工况下，前后支腿完全伸展到位，垂直油缸完全支撑起整机并保持底盘轮胎离地或者不受力，位移边界作用于前后支腿垂直油缸的支撑点上，如图 2 所示。臂架完全伸展水平，保持整机处于最大的倾翻弯矩作用下。根据臂架所处的位置，作业载荷又可分为八种工况，其中工况5正后方属于禁止布料区域予以舍弃，见图3所示。副车架及底架支腿的有限元 CAE 模型设置，见表 1。各部件之间的焊接以及装配关系通过单元耦合或者刚性单元连接来模拟，这类前处理细节在相关文献中已有介绍说明3，不是本文的重点，不再赘述。2 行驶工况研究行驶载荷对泵车副车架的影响，首先需建立相应的有限元模型。由实际工况可知，当前后支腿收缩到位，底盘轮胎着地，需通过梁单元（BEAM188）模拟底盘钢板或者气囊以及车轴，无需建立轮胎模型，位移边界作用于车轴端部。基于有限元分析的混凝土泵车副车架优化设计Optimized Design for Concrete Pump Truck Frame Based on Finite Element Analysis黄大为1 易滔2 许宁2 杨毅2（1.国家混凝土机械工程技术研究中心，湖南 长沙 410000；2.中联重科股份有限公司，湖南 长沙 410000）摘要：本文在分析混凝土泵车副车架受到常规的作业载荷外，提出了涉及行驶载荷的三种工况。利用有限元软件并结合多轴车辆的轴荷求解，作者对副车架分别在作业和行驶载荷作用下的情况进行了受力分析。对比结果证明，行驶状态下的极限工况对副车架造成的结构影响要大于作业载荷，因此不能被忽略。本文针对行驶工况，利用有限元软件进行了副车架结构的设计优化。关键词：混凝土泵车；副车架；有限元；优化设计；作业工况；行驶工况中图分类号：TU646 文献标识码：A 图 1 副车架开裂照片图 3 副车架作业工况示意图图 2 作业工况下副车架 CAE 模型示意图82建设机械技术与管理 2023.05 设计计算考虑到整机加速度对载荷的影响，在臂架总成重心位置建立质量与臂架总成相等的质量单元，通过柔性单元（RBE3）与底架圆筒顶板耦合连接，如图 4 所示。A 点：约束 X、Y、Z 方向平动自由度；B 点：约束 X、Y 方向平动自由度；C/E/G/I：约束 Y、Z 方向平动自由度；D/F/H/J：约束 Y 方向平动自由度。同理，建模时也无需创建底盘、泵送机构及其他附件模型，只需在这些组件的重心位置建立与组件同等质量参数的质量单元，通过柔性单元耦合到总成模型上，单元主节点位置为对应组件的实际连接位置，即可满足模拟分析的要求。架与底盘大梁采用连接板连接。连接板与副车架采用三周焊缝，实际有焊缝的位置需要进行节点耦合；而大面积的贴合区域，实际没有焊接，那么这些区域的节点需要重合但不进行耦合。对于装配式副车架，副车架与底盘大梁采用螺栓连接，螺栓采用梁单元模拟，连接板与螺栓之间通过蛛网体连接，如图 5 所示。本文模拟分析的为焊接式副车架。构件名称弹性模量密度泊松比单元类型副车架、底架、支腿的箱体2060007.85E-90.3SHELL63垂直油缸、刚性接触梁206000000.3BEAM188销轴2060007.85E-90.3BEAM188、BEAM44摆动油缸2060007.85E-90.3Link8表 1 单元属性设置图 4 行驶工况下副车架 CAE 模型示意图通过梁单元（BEAM188）模拟底盘钢板弹簧或者气囊需考虑不同车轴对应的钢板或者气囊的刚度匹配，预分析后对比各轴支反力与理论轴荷，增大支反力偏小的车轴对应的钢板或者气囊的梁单元直径，直至支反力与理论轴荷偏差控制在一定的范围以内。为了更准确地模拟泵车在不同行驶工况下，副车架不同位置上受底盘的影响，建议对理论轴荷分别进行求解，而不是将底盘相邻车轴看成一个整体进行简化处理。特别是当底盘车轴较多时，这种近似求解的结果误差增大，无法真实反映轴荷的情况以及造成的影响。关于多轴底盘轴荷的相关计算，已有文献做过相关研究并提供了理论计算公式4。=(1 2+12 )（1）式中，A=Ln-1 （2）B=L2n-1 （3）i 车轴编号；n 车轴数量；G 整车的重力；Li 各车轴到第 1 轴的距离；L 整车的重心到第 1 轴的距离。另外这里需要提醒注意的是，对于焊接式副车架，副车参考混凝土搅拌车的行驶工况，本文将泵车副车架计算中的行驶工况定义为过载、刹车、转弯三种，分别通过附加加速度施加极限载荷，如下表所示。(a)(b)a.焊接式副车架 b.装配式副车架图 5 副车架与底盘大梁连接示意图序号工况ax(x 向加速度)(单位 m/s2)ay(y 向加速度)(单位 m/s2)az(z 向加速度)(单位 m/s2)1工况 9（过坑）/g+g(附加加速度)/2工况 10（刹车）0.8g(附加加速度)g/3工况 11（转弯）/g0.6g(附加加速度)表 2 行驶工况及载荷加载这里需要说明的是，过载工况数据来源于试验测试；刹车工况数据按一定的行驶速度和制动距离计算得到；转弯工况数据按按一定的行驶速度和转弯半径计算得到。实际计算可根据对应车型底盘技术协议数据计算得出。3 结果对比通过 ANSYS 有限元软件，本文分别在作业载荷（七种有效工况）和行驶载荷（三种有效工况）条件下对泵车副车架的受力情况进行了分析计算。结果表明，行驶工况下的副车架应力最大值要总体高于作业工况，处于1700 2500MPa 的高应力区间，最恶劣工况发生在泵车转弯时，其次是过坑工况。此前作为主要考虑因素的作业载荷，各工况下的副车架最大应力值处在 630 900MPa 区间，最恶劣工况出现在臂架位于泵车正右侧时，如表 3 所示。进一步分析图 6 所示的副车架应力分布特征可知，行驶载荷下三种工况的平均应力都要超过作业载荷下的最恶劣工况。且行驶工况表征的高应力区域与副车架常见的易开裂位置高度符合。因此，副车架的结构失效极大可能与行驶载2023.05 建设机械技术与管理 83设计计算荷的影响有关，仅考虑作业载荷是不能满足泵车副车架设计要求的。4 结构优化根据计算分析的过坑以及转弯这两个最恶劣的行驶工况，开裂风险高的位置主要有两处，都存在明显应力超标现象。易开裂点 1 位于副车架焊接连接板与底盘大梁的连接位置，易开裂点 2 则位于底架联板与副车架的焊接结合处，见图 7（a）。本文主要针对最恶劣工况进行设计优化，通过调整开裂点 1 处的连接板位置，同时优化两处板材的几何形状，增加接触面积和焊缝长度，以求改善焊缝及副车架结构本体的应力分布，如图 7（b）。从图 8 所展示的应力云图可以发现，优化后的原开裂点位置在过坑工况下的应力大幅下降，开裂点 1 仅在连接点处存在应力超标情况，无大面积应力超标区域；开裂点 2 应力在许用应力范围之内，无应力超标区域。同样的，转弯工况下原开裂点位置应力也大幅下降，开裂点 1 仅在连接点处存在应力超标情况，无大面积应力超标区域；开裂点 2 应力超标区域大面积减小，仅在连接点处应力超标，详见图 9 所示的优化前后对比情况。本文对作业载荷下的七种工况和行驶载荷下的刹车工况也进行了优化后的应力复核。各工况下的副车架整体应力合格，都在许用应力范围之内。5 结 论（1）混凝土泵车副车架在行驶极限工况（过坑、刹车、转弯）下的平均应力都要高于所有的作业工况；（2）行驶工况分析中的高应力区域与副车架常见开裂位置高度符合，表明结构件的失效极大可能与行驶载荷的影响有关；工况最大应力（MPa）1.作业工况 1（臂架正前）766工况 2（臂架左前）748工况 3（臂架正左）692工况 4（臂架左后）631工况 5（臂架正后，非作业）/工况 6（臂架右后）728工况 7（臂架正右）901工况 8（臂架右前）7362.行驶工况 9（过坑）1694工况 10（刹车）1227工况 11（转弯）2538表 3 作业和行驶工况下副车架受力情况对比a.作业工况（臂架正右）b.过坑工况 c.刹车工况 d.转弯工况图 6 副车架易开裂位置在作业和行驶工况下的应力云图对比(a)(b)(c)(d)84建设机械技术与管理 2023.05 设计计算（3）泵车副车架必须对作业载荷和行驶载荷的所有工况进行分析，以最恶劣情形进行结构优化并复核其他工况，仅考虑作业载荷是的不完整和不严谨的。参考文献1 高耀东，李帅，孔祥刚.混凝土搅拌车副车架有限元分析及优化设计 J.内蒙古科技大学学报，2013（3）：251-254.2 陈自云，于志家，侯婷婷.混凝土搅拌运输车副车架应力计算及其测试分析 J.工程机械，2019，50（10）：26-31.3 陈天志，万民顺，刘志斌，等.基于 ANSYS 的混凝土泵车副车架结构优化分析 J.工程机械，2021，52（3）：66-724 尹俊峰，唐先兵，詹江.多轴专用车底盘轴荷估算方法J.专用汽车，2004（3）：27-28.收稿日期：2023-07-24作者简介：黄大为，硕士，高级工程师，主要从事混凝土泵送机械设备的设计。(a)(b)a.优化前 b.优化后图 9 副车架易开裂位置在转弯工况下的应力云图对比(a)(b)a.优化前 b.优化后图 7 副车架易开裂位置的结构设计优化示意图(a)(b)a.优化前 b.优化后图 8 副车架易开裂位置在过坑工况下的应力云图对比