混凝土泵车臂架有限元分析.pdf

2 0 1 2年 3月 第 4 0卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL & HYDRAULI CS Ma r 2 01 2 Vo 1 4 0 No 5 D OI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 13 8 8 1 2 0 1 2 0 5 0 4 3 混凝土泵车臂架有限元分析 朱祥华，高翔，王寅晓 ( 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘要 ： 根据处于全伸水平位置的混凝土泵车臂架的受力情况， 建立有限元模型 ， 简化后施加载荷与约束，计算臂架的 位移与应力云图；并进行模态分析，得到固有频率和振型；对油缸连杆机构进行参数优化，仿真结果表明油缸的长度及推 力均有明显减小。 关键词：泵车臂架 ；连杆机构；有限元；优化设计 中图分类号：0 2 4 2 2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1( 2 0 1 2 )51 3 8 5 Fi I l i t e El e me nt Ana l y s i s o n t he Bo o m S y s t e m o f a Co nc r e t e Pu mp M o u nt e d o n Tr uc k ZHU Xi a n g hu a GAO Xi a n g。W ANG Yi n x i a o ( S c h o o l o f A u t o m o b i l e a n d T r a f fi c E n g i n e e r i n g ，J i a n g s u U n i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e s t r e s s c o n d i t i o n o f t h e b o o m s y s t e m u n d e r t h e f u l l y u n f o l d a n d h o ri z o n t a l p o s i t i o n， t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a b l i s h e d S i mp l i f y i n g t h e l o c al mi c r o s t r u c t u r e o f b o o ms a n d a d d i n g e x e r t e d f o r c e s a n d c o n s t r a i n t s ， b o t h t h e d i s p l a c e me n t c o n t o u r s a n d t h e s t r e s s C o n t o u r s o f t h e b o o m s y s t e m we r e c alc u l a t e d T h e n a t u r al f r e q u e n c i e s a n d t h e v i b r a t i o n mo d e l s w e r e o b t a i n e d t h r o u g h mo d e l a n aly s i s T h e p a me t e m o f t h e c y l i n d e r r o d me c h a n i s m we r e o p t i mi z e d T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h e c y l i n d e r l e n h a n d p u s h p r e s s u r e a r e r e d u c e d s i g n i fi c a n t l y Ke y wo r d s ：P u mp t r u c k b o o m； L i n k me c h a n i s ms ； F i n i t e e l e me n t ； O p t i mi z a t i o n d e s i g n 混凝土泵车臂架是泵车设计和制造的关键部件 ， 臂架结构的合理与否将直接影响整车的工作性能和作 业稳定性。混凝土泵车的工况复杂，臂架的结构复 杂 、受力多样 ，混凝 土主要通过臂架系统连续不断地 泵送到浇注点 ，臂架性能的好坏直接影响混凝土浇注 质量 。泵车泵送工作中，车体振动导致臂架振动较 大，且臂架动应力分布随臂架姿态的调节而变化。混 凝土泵车臂架系统的基本臂后铰点与转台相连，臂架 通过各变幅油缸的伸缩运动和多个四连杆机构来实现 其在作业范围内的工作。就臂架结构特点和受力形式 而言，臂架全伸水平工况为最危险工况。文中通过对 某4 8 m混凝土泵车臂架结构进行有限元计算与分析， 详细了解混凝土泵 车工作 时各臂架应力分布情况和危 险区域 ，全面掌握臂架在最危险作业工况下的应力分 布、变形情况和固有频率分布范围，并对油缸连杆机 构进行参数优化 ，研究结果为评价臂架的强度和结构 设计提供了依据。 1 有限元模型的建立 1 1 有限元模型的简化 根据臂架系统的实际结构 ，臂架模型简化为节臂 板、输料管、油缸 、节臂间连杆机构和输送管与布料 杆节臂之间托架5个部分。导入臂架系统的 P r o E三 维实体模型，运用 H Y P E R M E S H进行中面提取和几 何处理，并划分网格。具体处理如下： 运用 A N S Y S中 S H E L L 1 8 1壳单元模 拟 1 _5 节 臂 板 和连杆 机 构 ；用 P I P E 1 6管 单 元 模 拟 输 料 管 ；用 L I N K 1 8 0杆单元模拟油缸和输料管 ；用 B E A M1 8 8梁 单元模拟托架 ；节臂与连杆、连杆与连杆的销轴连接 是通过建立 L I N K 1 8 0单元和 B E A M1 8 8单元模拟。对 于节臂上一些小构件，如销钉、焊点等，由于其不是 主要承载结构且质量很小 ，在有限元模型中省略 。 连杆 的圆孔可 以根据需要简化成圆筒或圆环 ，如 图 1 所示。在有贴板的圆环部位可以通过构建多层圆 环来模拟贴板，而不是仅仅增加厚度，以避免应力集 中，如 图2所示 。 图 1 销孔模型简化 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 2 2 5 作者简介：朱祥华 ( 1 9 8 5 一) ，男，在读研究生，从事汽车及零部件设计理论与方法研究。Em a i l ：z h u x h l o v e 1 6 3 e o m。 第 5期 朱祥华 等 ：混凝 土泵车臂架有限元分析 1 3 9 图2 板连接处理 在 H Y P E R ME S H中完成各部分模型处理后 ，依 次读入到 A N S Y S进行分析 ，表 1 列出了各节臂网格 数 量 。 表 1 节臂网格数量 1 2铰接 的模 拟 此次分析中通过 L I N K 1 8 0单元连接销孔与销轴 中点，这样连杆或臂架可以绕销轴转动，同时耦合 L I N K单元的z向 自由度，确保绕销轴平面转动，如 图 3 所示 。 图 3 铰接模 型 L I N K单元的连接数量直接影响到销孔边缘 的应 力集中，在模拟过程 中通过形成 2 3层的 L I N K单 元来尽量避免应力集中。 1 3连 接 的处理 对于重要部位的焊缝可以用 MP C 1 8 4单元进行连 接，由于 M P C单元不支持节点耦合，在有耦合的地 方同样可以通过极小质量的刚性梁单元来进行连接。 1 4 材料模型 臂架 和料管按 照正常材料的属性进行定义 。由于 油缸的刚度直接影响臂架系统的变形 ，实际油缸的刚 度取 决于液压系统 的刚度 ，而非材料 刚度 。油 缸的截 面按照等效重量进行定义 的 ，所 以要加 大油缸的材料 刚度 。 在计算 过程 中，定义 的材料：密度为 7 8 5 1 0 ( k g m m 。 ) ；弹性模 量 为 2 1 k P a ；泊 松 比为 0 3 ；力载荷为 1 0 N；应力结果为 k P a 。 1 5 载荷与约束 混凝土泵车臂架工作中所受的载荷主要有 ：臂架 结构 自重、混凝土重力 、风载、回转惯性力、端部侧 向牵引力 。工作载荷和牵引载荷则经过计算等效到 所在 节点。 结构的 自重载荷及动载荷通过施加重力场及调节 各部件的密度来实现，终端软管的重力及端部侧向牵 引力通过 施 加 集 中 载 荷 来 实 现。重 力 加 速 度 定 为 1 2 g 。料管及送料的质量通过管单元 P I P E 1 6来定义， 水泥的质量定义为 1 3 2 4 t m。风载 通过施加压力 载荷实现 ，风速为 1 3 8 m s ，定义为 2 5 0 P a ，施加到 臂架的一侧。 臂架约束较简单，就是模拟臂架与转台的连接关 系，使之成为静定结构，同时通过梁、杆来实现各节 臂与油缸 、连杆 、销轴之 间的连接关系 。在节臂 1 末 端和变幅油缸底部分别约束 3 个平动，在各销轴中心 处约束其 自身轴向转动 ，如图4所示。 图 4 销轴 约束 2 臂架水平工况分析 2 1 变形 结果 图5为 A N S Y S 计算得到的臂架水平工况下位移 图5 臂架水平工况总位移云图 - 1 4 0 机床与液压 第4 0卷 表2 臂架最大位移 mm 表 3 各节臂板最大应力表 k P a 臂架系统整体位移由各臂架的变形累加所得，从 整体变形云图中可以看出：模型变形的整体性较好。 臂架 1的变形较小，从臂架 2 一臂架 5变形依次增 大。臂架 的变形受油缸模型影响较大 ，可以通过改变 油缸模 型刚度控制臂架变形 。 2 2应 力结果 图6为 A N S Y S计算得到的臂架水平工况下各部 分应力云 图，A N S Y S计算应力输 出值 为 y o n M i s e s s t r e s s 等效应力值。泵车各节臂板以及连杆的最大应 力如表 3 、4所示。其中圆圈所标部分为臂架整体应 力最 大的地方 。 图6 臂架水平工况完整应力云图 2 3水 平 工 况 小 结 从臂架的位移云图可以看出：臂架的整体变形较 好 ，呈阶梯状的递增累加形式，臂架 1 、2的变形较 小 ，随后依此增加。由于臂架最大位移量较小 ，因此 可保证混凝土泵车在浇筑过程中的浇筑稳定性与精确 度 。 最大应 力出现在 连杆 3与 连杆 2连 接销孔 边缘 ， 最大应力值为 1 0 1 0 M P a ，由于销轴边应力集中所致。 除去该点外最大应力为 8 6 8 1 7 6 k P a ，出现在臂架 1 油缸支点附近。 3 模态分析 根据有限元理论，计算结构本身的固有频率和 相应振型，与载荷无关，因此只考虑各部分质量分 布 。结构的固有频率非常多，但影响结构性能的 只有前几阶，现给出泵车臂架水平全伸空载工况下 前 6阶模态频率表 ( 表 5 )和振 型云纹图 ( 图 7 1 2) 。 表 5 泵车臂架的前六阶模态频率表 H z 泵车臂架的前六阶振型图如图7 1 2所示。 图7 第一阶振型图 由混凝土泵车泵送油缸的工作特性可知其每分钟 工作次数为 1 8 _2 7次，所以其工作频率为0 3 0 4 5 H z 。其一阶、二阶固有频率接近于0 ，不会发生共振 图 8 第二阶振型图 现象。各阶频率对臂架影响较小，根部弯曲变形小， 布料软管顶端变形较大。根据各阶振型图可知 ，臂架 振动较小 ，符合刚度要求。 第 5期 朱祥华 等：混凝土泵车臂架有限元分析 1 4 1 图 9 第三 阶振 型图 图 1 0 第 四阶振型图 图 1 2 第六 阶振型 图 4 臂架 2与臂架 3间连杆机构运动受力分析与参 数优化 4 1 设计分析依据 载荷 按 臂 架 自重 1 1+混凝 土 重 力 X 1 2 5计 算 ，以油缸、连杆3 、连杆4尺寸最小为优化目标 ，进 行连杆机构优化设计 。 设计要求如下 ： ( 1 )连杆 形式 ：连杆 收 回状 态 和展 开 状态 分 别 如 图 1 3 、1 4所示 。 ( 2 )各点坐标偏差要求 各点坐标偏差见表 6 。 图 1 3收回状态 图 1 4 展开状态 表 6 收 回状态各点坐标偏差 m m 初始值 偏差 初始值 偏差 l 1 3 9 0 0 00 0 202 0 0 Y 15 77 00 0 0 0 ，4 7 2 0 0 0 0 0 2 02 O Y 21 7 0 0 0 0 01 02 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 Y 35 0 0 0 0 0 0 0 4 45 8 88 1 0 1 01 0 Y 47 73 92 3 71 01 0 3 9 4 3 0 21 7 601 00 Y s一5 83 1 6 4 21 030 6 3 71 0 0 23 71 5 01 00 一5 52 55 4 5 51 O ( 3 )油缸缸径 2 4 0 m m、杆径 1 4 0 m m，按 2 8 M P a 计算，其额定最大推力为 1 2 6 6 X 1 0 N、最大拉力为 8 3 5 X 1 0 N： ( 4 )油缸结构 长度 5 5 8 m m，即油缸 原始 长度 = 5 5 8 m m+ 行 程 ，展 开长 = 5 5 8 m m+ 2 X 行程 ； ( 5 )油缸行程不超过初始方案 的油缸行程 ； ( 6 )长度 应大于 2 3 0 m m ( 避 免活塞杆与连杆 4干涉 ) ； ( 7 )按 跟 随力 负 载优化 后 ，油 缸最 大 推力控 制 在 1 2 31 0 N以内 ； ( 8 )按 臂 架 3 、4 、5完全 收 拢 ，不带 混凝 土 及 动 载 ，相对坐标 ( ，Y )4 0 8 0 m m，载荷 3 2 0 0 0 N ( 跟 随力 ) ，优化后油缸最大拉力控制在 7 5 X 1 0 N 以 内； ( 9 )在满 足 以上要 求 的情 况 下 ，进 行连 杆机 构 优化 ，连杆 3 、4的外形 尺寸 、各 铰点 的载荷 、油 缸 行程尽可 能减小 。 4 2 初始方案与优化方案对比 初始方案与优化方案对 比见表 7 9 。 1 4 2 机床与液压 第4 O卷 油缸推力 F N 油缸拉力 F N ( 臂架 3 、 4 、 5完全收拢) 油缸长度 mm L 3 m m L 2 mm 油缸力与各铰接点力对比曲线如图 1 5 1 8 所示。 2 5 2 0 至 L 5 1 o O 5 O 0 图 1 5 油缸长度与臂架 3转角关系曲线图 0 0 5 0 0 1 0 0 0 l 5 0 0 2 0 0 0 An a l y s i s ： La s t _R u n 角度， ( 。) 2 5 2 0 Z 1 5 善 R 1 0 0 5 0 0 图 1 6 油缸力与臂架 3转角关系曲线图 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 An a l y s i s ： La s L Ru n 角度， ( 。) 图 l 7 活塞杆 3一连杆 3铰接力与臂架 3转角关系曲线图 为检验优化后臂架系统折叠、伸展过程中是否发 生结构干涉，以设计变量的优化结果为参数，对臂架 系统从折叠状态到完全展开的整个过程进行仿真。若 干涉，适当变动相应变量的上下限，重新优化 ，到优 图1 8 连杆 3一 连杆 4铰接力与臂架 3转角关系曲线图 化结果可行为止。由表 8可知：优化后油缸、连杆 3 、连杆4的尺寸和油缸推力、行程均有所减小，而 油缸拉力有所增加，由表9可知，各铰接点最大铰接 力均有所减小，说明该数学模型和优化方法是有效 的 。 5 结束语 通过对混凝土泵车臂架结构进行有限元计算与分 析，详细了解混凝土泵车工作时臂架各节臂应力分布 情况和危险区域，全面掌握臂架在最危险作业工况下 的应力分布、变形情况和固有频率分布范围，对油缸 连杆机构进行参数优化 ，对规定工作条件下的强度和 可靠性进行评估。在此基础上形成系统基于A N S Y S 软件平台的泵车计算方法，为泵车系列产品臂架及其 连杆机构的优化与改形设计提供有力的支持，同时， 也为臂架动力响应、疲劳分析和参数化建模计算软件 的研制奠定基础。 参考文献 ： 【 1 】 王瑞 混凝土泵车臂架疲劳寿命研究 D 西安： 长安大 学 ， 2 0 0 9 【 2 】 孙武和 混凝土泵车臂架结构有限元分析及参数计算程 序应用 D 长春： 吉林大学， 2 0 0 9 6 【 3 】Q C T 7 1 8 2 0 0 4 T r u c k M o u n t e d C o n c r e t e P u m p S 【 4 】史先信， 郑永生， 徐怀玉， 等 基于 A N S Y S的大型泵车臂 架有限元分析 J 建筑机械： 上半月， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 7 9 8 2 【 5 】李庆晖 混凝土泵车臂架强度分析与动力学仿真 D 长春： 吉林大学， 2 0 0 4