混凝土搅拌运输车副车架和后支撑结构优化设计.pdf

混凝土搅拌运输车副车 和后支撑结构优化设计 董志明， 姚树军， 白笃 ( 内蒙古北方重型汽车股份有限公司) 摘 要：以装载量为 1 2 m 的混凝土搅拌运输车为研究对象，采用有限元分析软件 A N S Y S 对搅拌车的主要结构件副车架和后支撑进行力学研究。假设在相同载重量的情况下 ， 对目前 市场上存在的几种副车架结构进行力学分析， 根据分析结果， 提出了一种较优方案。 分析结果可作 为工程设计时的参考依据。 关键词 ： A NS YS ； 搅拌车 ； 副车架 ； 后支撑 ； 应 力 随着我国经济建设步伐 的加快 ，许多大型的工 程建设项 目相继开工。大容量的混凝土搅拌运输车 ( 以下简称搅拌车) 能够提高生产效率， 降低运输成 本。 作为商品混凝土的运输车辆 ， 搅拌车得到了迅速 发展 。 本文 以目前市场上大量存在的采用三轴底盘改 装的、 装载量为 1 2 m3 混凝土的搅拌运输车为研究对 象 ， 采用有限元分析软件 AN S Y S 对搅拌车的主要结 构件副车架和后支撑 的力学行为进行研究 ， 分 析搅拌车在搅动容量增加后 ，副车架和后支撑是否 有足够的强度、 刚度， 能否达到预期的使用寿命 ， 能 否保证安全性 。 1 分析 目的 从 目前的搅拌车技术来看 ， 装载量为 1 0 m， 以下 的搅拌车副车架和后支撑主要采用图 1 所示的结 构， 装载量为 1 0 m 以上的搅拌车副车架和后支撑主 要采用图 2所示 的结构。 图1 装载量为 1 0 m3 以下搅拌车副车架和后支撑结构 图2 装载量为 1 0 m3 以上搅拌车副车架和后支撑结构 搅拌车副车架在使用过程中承受拉伸、 扭转、 弯 曲复合应力， 应力状态极为复杂和恶劣。 在使用过程 中， 由于副车架和底盘纵梁的不断振动， 使副车架在 底盘双后桥中线位置处发生弹性弯曲，在达到一定 的疲劳次数后， 副车架会产生塑性变形直至断裂， 这 是搅拌车常见的失效形式。有效地减小副车架的弹 性变形和防止产生塑性变形是副车架设计时需重点 考虑的问题。图2 所示的结构正是基于这种 目的设 作者简介： 董志明( 1 9 7 9 一) ， 助理工程师， 硕士， 研究方向： 专用汽车的设计研究与开发。 一 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 计 的 。 在图 2所示 的结构中，主要增加 了部件辅 助支撑 ， 其 目的是增加副车架 、 后支撑 、 辅助支撑 的 整体刚度 ， 同时也使后支撑的受力 中心前移 ， 减小车 架双后桥中心线 以后悬臂梁的长度 ，使得悬臂梁 的 变形达到最小。辅助支撑 同副车架的连接处相对底 盘双后桥中心线 的前后位置有 3种 ，即连接点在 中 心线的前方 、 连接点 同中心线 的位置重合 、 连接点在 中心线 的后方。 本文假设在载重量相 同的情况下 ，对 以上 4种 结构( 图 1的一种结构( 结构 1 ) ， 图 2的 3种结构 ， 即 辅助支撑连接位置 中心在后桥 中心线前 方 2 0 0 mm ( 结构 4 ) 、 后方 2 0 0 mm( 结构 3 ) 以及两者重合 ( 结构 2 ) ) 进行有限元对 比分析 ， 寻找出相对较优 的一种设 计方案。 2 分析过程 在进行具体分析时 ， 对结构进行 了简化处理。 采 取 的简化措施主要有 ： 忽略非承载件的影响； 忽略部 件上不需特别关注的倒角和用于装配的小孔 ；假设 焊接都是理想焊接，焊接区域材料属性与其他 区域 相同； 螺栓或铆钉联接 ， 采用节点之 间耦合 自由度进 行处理； 根据结构具有对称性的特点， 仅建立结构的 半边结构模型，然后利用对称处理命令映射 为全部 的有限元模型。 由于结构比较复杂， 所以采用在 P r o E软件中建 立三维实体模型 ，然后导入到 A N S Y S中抽取中面 、 划分网格的方法建立有限元模型。由于被分析对象 属于薄壁结构 ， 所以选用 s h e l l 6 3号单元进行 网格划 分 ，并根据被分析对象 的具体厚度定义相应 的实常 数 ， 本次分析共定义了 5种实常数 ， 即 5种厚度。边 界条件和载荷根据实际使用情况进行加载。 图 3至图 6是各种结构在加载后 ( 相 同载荷 ) 的 分析结果。 图 3 结构 1的应 力云 图 图 4 结构 2的应 力云 图 一 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 7结构 1 的应力曲线 从应力曲线和表 1 ( 表 1 中“J， ” 或“T ” 表示百 分比减小或增加； “ 最大位移”指车架末端的最大位 移 ) 可以发现 ， 在增加辅助支撑后 ， 车架末端 的最大 一 2 8一 图 8 结构 2的应力 曲线 位移都得到了不同程度的下降，尤其以结构 2 下降 的百分比最大。但是， 由于在结构 2中， 辅助支撑连 接位置中心同双后桥中心线的位置重合 ，形成 了一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 9结构 3的应力 曲线 图 1 0结构 4的应力 曲线 表 1 各结构最大应力及最大位移比较 名称 形式 最大应力 MP a 比较值 ， ( ) 最大位移 m m 比较值 ( ) 结构 1 无辅助支撑 1 9 9 9 8 结构 2 连接位置中心同双后桥中心线位置重合 l 8 5 l 7 O 7 7 j 2 1 结构 3 连接位置中心在双后桥中心线后方 2 0 0 m m 2 0 6 t 3 5 8 7 1 1 结构 4 连接位置中心在双后桥中心线前方 2 0 0 m m 1 8 2 l 8 5 7 8 2 0 定的应力集 中区域 ，车架在双后桥 中心线位置处 的 最大应力值不是最小 ，而以结构 4的最大应力值最 小。在结构 3中， 虽然车架末端的最大位移值下降 ， 但是在双后桥中心线位置处车架的应力反而增加 。 综合 以上数据不难发现 ，结构 4是几种方案中的一 种较优方案。 虽然结构 4使得车架受到 了较小 的应力 ， 但是 在辅助支撑 同后支撑连接位 置却 产 了较大 的应 力 ( 如图 1 1 所示 ) ， 所 以在具体 的设计 过程 中， 要对该 位置处 的连接方式进 行充分考虑 ， 改进结构 ， 降低 应力。 图 l l 结构 4辅助支撑与后支撑连接处的应力云图 另外 ， 从各种结构 的应力云图不难发现 ， 辅助支 撑只受拉伸或压缩应力的作用 ， 而且其应力值很低 ， 在具体设计过程中， 可 以减小其横截面积 ， 增加其名 义直径 ， 以提高材料利用率 。 参考文献 【 1 】王勖成 ， 邵敏 有限元法基本原理和数值方法【 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 7 【 2 丁皓江， 何福保 弹性和塑性力学中的在限单元法【 M 北京： 机械工业出版社 ， 1 9 8 9 3 3 董志明， 潘艳君 混凝土搅拌运输车副车架的受力分 析及结构优化 J 】 专用汽车， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 4 7 4 9 【 4 刘惟信 汽车设计( 第 1 版) 【 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 001 5 】刘鸿文 材料力学( 第 3版) 【 M 上海 ： 高等教育出版社 ， 1 9 7 9 【 6 成大先 机械设计手册( 第 4版 ) M 】 北京 ： 化学工业出 版社， 2 0 0 2 7 徐达， 蒋崇贤专用汽车结构与设计 M】 北京： 北京理工 大学 出版社， 1 9 9 8 通信地址：内蒙古包头市稀土高新区北重路北方股份大厦 内蒙古北方重型汽车股份有限公司技术 中心( 0 1 4 0 3 0 ) ( 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 - 1 0 ) 一 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m