混凝土搅拌车前后支架拓扑及尺寸优化设计.pdf

第 7期 2 0 1 0年 7月 机 械 设 计 与 制 造 M a c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 2 7 文章编号： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 0) 0 7 0 0 2 7 0 3 混凝土搅拌车前后 支架拓扑及尺寸优化设计 赵加清 刘 倩 王增全 ( 清华大学 机械工程系， 北京 1 0 0 0 8 4 ) ( 唐山亚特专用汽车有限公司 ， 唐山 6 3 0 0 0 0 ) To p o l o g y a n d s i z i n g o p t i mi z a t i o n o f t h e f r o n t a n d r e ar s u p p o r t e r s o f t h e c on c r e t e mi x e r t r u c k Z H A O J i a q i n g ， L I U Q i a n ， WA N G Z e n g q u a n ( Ke y L a b o r a t o r y f o r Ad v a n c e d Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y Mi n i s t r y f o r E d u c a t i o n ， P R C h i n a ， De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) ( T a n g s h a n Ya t e S p e c i a l Ve h i c l e s Ma n u f a c t u r i n g Co ， L T D， T a n g s h a n 6 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) ：C 【 摘要】 前支架和后支架是混凝土搅拌车的两大关键承力部件，通过多工况下的前后支架有限元 ： ：分析发现 ， 基于传统概念设计 出的前后支架存在整体刚度过大和结构偏重的缺点， 这些缺点不仅严重降! ：4 T 搅拌车的有效载荷， 而且无形中增加了 搅拌车的制造成本。以前后支架减重为目 标， 基于多种工况，? 首先对前支架进行拓扑优化分析， 对后 支架进行尺寸优化分析， 其次从不增加制造难度的角度， 设计出了 ： 新的前后支架， 其中前支架减重 2 6 3 ， 后支架减重 1 8 5 ， 新支架满足各种_ z - T的强度要求。 ： 关键词： 拓扑优化； 尺寸优化； 混凝土搅拌车； 支架 【 A b s t r a c t 】 e 加 a n d r e a r s u p p o r t e r s a r e t w o k e y c o m p o n e n t s t h a t b e a r t h e l n a i n l o a d s o f t h e c o n c r e t e mi x e r t r u c k B y m e a n s o f t h e F E M a n a l y s i s ， i t i s f o u n d t h a t t h e s u p p o r t e r s d e s i g n e d b c a e d O i l t h e ： ：t r a d i t io n a l c o n c e p ts (1y e o v e r s t if f a n d e x c e s s iv e ly h e a v y ， w h i c h n o t o n ly r e d u c e t h e ef f e c t iv e l o ads o f t h e m ix - e r b u t a l s o i n c r e a s e t h e m a n u f a c t u r e c o s t T h e p a p e r c o n c e r n s o n t h e w e i g h t r e d u c t i o n oft h e s u p p o r t s ， a n d t h e ； ?t o p o l o g ? a n d s i z i n g o p t i m i z ati o n a r e p e Ff o r m e d A f t e r o p t i mi z a t i o n ， t h e s u p p o r t e r s a r e r e d e s i g n e d w i t h t h e ? ：w e ig h t r e d u c t i o n r at i o 2 6 3 f o r t h e f r o n t s u p p o r t e r a n d 1 8 5 r r e a r s u p p o r t e r Me a n w h i le t h e F E M ： i a n a l y s i s oft h e n e w s t r u c t u r e s s h o w t h at t w o s u p p o r t e r s s ati s f y a l 2 t h e s t r e n g t h r e q u i r e s u n d e r f f o ad c ase s ： ? Ke y wo r d s ： To p o l o g y o p t i mi z a t i o n； S i z i n g o p t i mi z a t i o n； Co n c r e t e mi x e r t r u c k； S u p p o r t e r 一 ： ： l 0 一 00 OC u J 0 O J 0 0 0 O L O 一 2 0 0 0 0 二 ： 0 ( )( 1 ： 27 , O c l l ( 、 0 0 l l O 0 中图分类号 ： T H1 2 ， U 4 6 3 文献标识码 ： A 1 引言 混凝士搅拌运输车( 义称混凝土搅拌车) 的主要作用是把混 凝土从剐备地点及时送剑施工现场进行浇灌。除车身底箍外 ， 混 凝土搅拌车的部件主要包括： 搅拌罐 、 搅拌罐前后支架、 减速机 等 ， 其中满载混凝土的搅拌罐是整车的主要外载米源， 而搅拌罐 前后支架是外载的主要承力部件。 本文参考I 将搅拌车的运行 J 况分 为以下五种 ： 平直道路上匀速运行 、 应急制动 、 通过深 沟、 上 下坡及在圆轨道。 基于传统概念设计出的前后支架存在整体刚度 过大和结构偏重的缺点，这些缺点严重降低 厂搅拌车的有效载 荷 ， 而且增加 _ r 制造成本。本文以前后支架减重且不增加支架制 造难度为目标， 基于多种工况， 对支架前拓扑优化分析， 对后支架 进行了尺寸优化分析 ， 并设计 出了满足强度要求的新支架I 1 ， 新的 设计未增加制造难度。 目前国内尚无搅拌车前后支架减重优化方 面的文献 和报道。 2结构优化设计及其求解方法 根据没计变量的类型， 结构优化设计分为不同的层次 I ： 尺寸 优化、 形状优化和拓扑优化。拓扑优化是目前研究的热点 。文献 对拓扑优化所采用 的各 种方法及其存在的 问题进行了较仝而的 综述。 结构优化的数学求解方法 目前 主要分为 3 类I 准 则法 、 数学 女来稿 日期 ： 2 0 0 9 0 9 2 8 规划法和以遗传算法为代表的启发式算法。 目前的三大主流结构 优化 没计 软 件为 H y p e r m e s h O p t i s t r u c t ， MS C N a s t r a n和 A N S Y S 。 也有学者在积极集成”发新的计算方法和平台 本文借助 Hy p e r I l l e s h 0 I ) l i s t r u c t 进行研究。 3工况分析 搅拌车 L 装部分 主要结构 ， 如图 l 所示 ， 罐内混凝 土的重量 一 部分通过前减速器传递至前支架， 另一部分通过后部的两个拖 轮传递至后支架， 下面分析在平直道路上匀速运行、 应急制动、 通 过深 沟、 网轨道运行 、 通过深沟 同时应急制动 、 圆轨运行 同时通过 深沟和应急制动等六种工况下传递到前后支架上的外力， 如图 2 所示， 符种工况下罐体满载时搅拌罐体受力示意图。 图 1搅拌车上装部分主要结卡 句 1 前支架 2 减 速器 3 搅 拌罐体 4 混凝土 5 导轨 6 拖轮 7 后 支架 2 8 赵加清等： 混凝土搅拌车前后支架拓扑及尺寸优化设计 第 7期 ( C表示满载时罐体和混凝土的质量重心) 图 2各种工况下罐体满载时搅拌罐体受力示意图 针对 以上六种不同工况下的重心 c的受力情况 ，根据空间 罐体的平衡方程， 可以解出前后支架的支座反力， 其中前支架所 受的力为从减速器受力 传来的 ， 和 ， 而后支架所受的力 为从拖轮轴线中心传来的F E和 F F ， 其具体数值， 如表 1 、 2 所示。 表 1六种工况下混凝土前后支架承受的反力值 表 2六种工况下的质量重心惯性力 4前支架拓扑优化 如图 3 所示， 前支架有限元模型， 其基本信息如下。 图 3前支架有限元 网格及位移和力边界 材料： 前后支架所采用钢材的屈服强度 3 4 5 M P a ， 弹性模量 2 x l O MP a ， 泊松 比0 2 7 。 单元： 结构全部采用四面体网格， 总节点数6 9 4 7 9 ， 总单元数 2 1 8 1 1 8 ， 在 图中的节点 A为减速器的受力中心 ， 该节点通过刚性 单元 R B E 2 与前支架上表面上的所有节点连接。 边界 ： 将计算出的各种工况下的支反力施加在 A节点上 ， 固 定两侧的垫板下表面上的所有节点。 拓扑优化设置： 前支架拓扑优化 目标为不同工况下的结构总 体积最小， 满足应力和刚度约束， 其数学模型如下： m i n V = l V i i i，s t 0 1 一， 圭 一 式中： 一结构总体积， 为目标函数； V 一单元 i 的体积； 一总单 元数 ； 一单元 i 的相对密度 ， 为优化变量； 一A节点的 总位移； 一一给定的最大位移； 一节点等效应力； 一一 为给定 的最大应力 。 这里选择了表 2中的I I 通过深沟、 I I I 应急制动和 I v圆轨运 行三种工况， 一和r ， 一分别见表3和表 4 ，借助 H y p e r me s h o p - t i s t r u c t 软件， 经过 1 4次迭代运算后目标函数收敛。 取单元密度门 槛值为0 3 ， 优化后单元密度拓扑分布云图， 如图4 所示。 图 4 前支架拓扑优化结果( 阈值密度 0 3 ) 结果分析及新结构设计 ： 从图 4可以看 出， 前支架的上面板 材料冗余， 侧封板的底部和垫板材料冗余， 前后封板在中部材料 可以删除， 据此利用 O S S m o o t h工具， 导出拓扑优化后前支架的 I G E S 文件， 在S o l i d Wo r k s 软件中进行前支架的几何模型重构， 从 不增加制造难度的角度， 最终设计出的优化后前支架模型， 如图 5所示 。 新设计 的前支架一 t - 面板厚度减薄 ， 去掉了两侧的垫板 ， 且 前后封板的尺寸有略微变化 ， 侧封板长度加长 ， 这些变化未增加 制造难度， 只需在下料排样时对原始排样稍作调整。 图 5前支架优化前后结构对比 优化前后前支架多工况结果对 比： 新设计在重量和刚度方面 取得了良好的效果， 新前支架结构减重 2 6 3 。 如表 3 所示， 显示 了前支架拓扑优化前后 点总位移对比。如表4所示， 显示了最 大等效应力对比， 可以看出， 优化前， 前支架在强度和刚度上偏于 保守， 从六种工况分析看出， 即使对于最恶劣的工况 v I ， 整个结 构的最大应力也只有 2 0 2 1 MP a ，远小于屈服强度，最大位移为 0 4 8 2 3 m m， 这也说明结构优化 的必要性 。针对 I I 、 I I I 和 I V工况 ， 虽然新支架较原始支架损失了一部分刚度，但优化后 A点最大 位移仅为 O 5 8 1 6 m m， 最大应力仅为 2 2 1 1 M P a ， 远小于屈服强度 3 4 5 MP a ， 对于未优化的最恶劣的工况 V I ， 其 A点最大位移仍小 No 7 J u 1 2 0 1 0 机 械 设 计 与 制 造 2 9 于0 6 1 mm， 其最大等效应力仍远小于屈服强度， 新设计满足强度 和刚度要求， 且重量大大降低。 表 3前支架拓扑优化前后 A点总位移对比( 减重 2 6 3 o o ) 注： 拓扑优化只针对深色背景的I I 、 I I I 和 I V工况 表 4前支架拓扑优化前后最大等效应力对 比 ( 屈服应 力 3 4 5 MP a ， 减重 2 6 3 ) 注 ： 拓扑优化只针对深色背景的 I I 、 I I I 和 I V工况 5 后支架尺寸优化 如图6 所示， 后支架有限元模型， 其基本信息如下： 材料 ： 同前 支架 。 单元： 各面采用壳单元， 方管加强结构采用四面体单元， 两者 通过 R E B 2 单元连接， 总节点数 6 6 2 9 5 ， 总单元数 1 3 7 6 9 8 ， 在图中 的节点 E和 F为两个拖轮的轴线 中心，该节点通过刚性单元 R B E 2与上封板 的拖轮贴合 面上的所有节点连接。 边界：将计算出的各种工况下的支反力施加在 E和 F节点 上， 固定后支架与副梁和斜拉撑焊接处所有节点的自由度。 图 6后支架有限元网格及位移和力边界 尺寸优化 没置 ： 后支架拓扑优化 目标为 同工况下 的结构总 体积最小 ， 由于整体应力水平较低 ， 不 同于前 支架 ， 后支架 只考虑 刚度约束， 将后支架各个区域的厚度作为变量， 各区域名称见表 5 ， 优化数学模型如下： m i n ： A s t S t z E U 曼 U 式中： 一结构总体积； 4 单元 i 的面积； 一总单元数； t 一单 元 i 的厚度 ，相同区域单元厚度相同 ； 一 节点 的总位 移； f 一给定的最大位移； 一F节点的总位移。 这里选择 r表 3中的 通过深沟 和 V I 深沟+ 制动+ 圆轨工 况， u 见表 6 ， 借助 H y p e r r n e s p t i s t n 1 c t 软件， 经过 1 7次迭代运 算后 目标函数收敛， 优化后各大区域的厚度， 如表5所示。 表 5后支架尺寸优化前后七大区域 的厚度对 比 优化前后后支架多工况结果对 比： 优化后需要将厚度 圆整到 所能提供 的钢板厚度 ， 圆整之后的厚度见表 5 ， 可见在前封板和 小加强筋处的厚度增大 ， 新结构整体减重 1 8 _ 5 。 优化前后 ， 后支 架在 I I 和v I 况下的E和 ，点位移和整体应力对比，如表 6 、 7 所示， 可见后支架刚度损失较小， 最大位移小于 0 2 m m， 最恶劣工 况 v I 下的结构最大等效应力仅为 1 1 5 2 MP a ，远小于屈服强度， 这主要是由于后支架整体受力小于前支架， 且后支架有两个拖轮 作为缓冲。后支架同样取得了理想的减重和保持强度的效果。 表 6后支架尺寸优化前后 E和 F点总位移对 比( 减重 1 8 5 ) 运 行 工 况 优 化 优 化 前 总 触 表 7后支架尺寸优化前后最大等效应力对 比( 减重 1 8 5 ) 运行工况 前后最大等 6结论 前支架和后支架是混凝土搅拌车的两大关键承力部件， 本文 针对基于传统概念没计出的前后支架存在整体刚度过大和结构 偏重的缺点， 利用拓扑优化和尺寸优化对搅拌车的前后支架进行 了优化设计。 优化后， 前支架减重 2 6 3 ， 后支架减重 1 8 5 ， 新的 前后支架满足强度各种j 二 况下的强度要求， 从制造角度看， 新设 计的前支架只需对原始各块封板的尺寸做细小修改， 在下料排样 时对原始排样稍作调整 ，而后支架只需选择另外厚度的钢板即 可 ， 这些 变动未增加制造难度 。从 减重 、 强度 、 刚度和制造难度角 度综合考虑， 前后支架优化取得了较好的效果。 参考文献 1 中华人民共和国汽车行业标准， Q C F 6 6 2 0 0 0混凝土搅拌运输车技术条件 2 J G l F 5 0 9 4 - 1 9 9 7 ， 混凝土搅拌运输车 ， 2 0 0 0 3 h t t p： f o l o g s i n a c o n r c n s b l o g_4 e 0 6 8 4李芳，凌道盛 T程结构优化设计发展综述 工程 没计 学报 ， 2 0 0 2 ， 9 ( 5 ) ： 2 2 9 - 2 3 5 5 郭 中泽 ， 张卫红 ， 陈裕泽 结构拓扑优化设计综述 机械设计 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 8 ) ： 1 6 6 周克民，李俊峰，李霞 结构拓扑优化研究方法综述 力学进展 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 6 9 - 7 6 7 王伟， 杨伟 ， 赵美英 大展弦比飞翼结构拓扑 ， 形状与尺寸综合优化设汁 机 械强度 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 4 ) ： 5 9 6 - -6 0 0 8 杨军刚， 章胜冬 ， 张卫红 拓扑优化在发动机 吊挂结构设计中的应用 机械 制造 ， 2 0 0 9 ， 4 7 ( 7 )