混凝土搅拌车车架优化分析.pdf

引言 随着国内经济建设的发展 ，混凝土的需求越来越大 。 混凝土搅拌车正是将搅拌站生产的混凝土送往需要工地的 一 种工程用车。在运送过程中，搅拌筒不断旋转搅拌 ，以 防止搅拌简内的混凝土凝 固。通常为了追求经济效益 ，搅 拌车一次运送的混凝土较 多，整个车 的载重量较大 ，因 此，车辆的安全性能和使用寿命引起 了人们的关注。混凝 土搅拌车架一般 由主车架和副车架组成，两者通过一系列 的连接件相连 ，从受力分析上看 ，大部分搅拌车结构都是 通 过在车架上的前后台支撑来承受搅拌 简内混凝土的重 量，车架和前后台支撑的强度和刚度性能对车辆的安全性 能 和 使用 寿 命起 着 决 定性 的 作用 。 以前 ，对于车架强 度的分析 ，一般都 利用试验来进 行。然而。试验会耗费大量的人力物力财力。近年来 ，随 着有限元技术的发展，利用有限元方法来分析车架的强度 受到 了人们的欢迎 。有限元分析软件众多，其中An s y s 公 司推出的软件有限元分析软件wo r k b e n c l x 由于其易用性和 参数化建模的特性 ，非常便于应用在结构优化设计方面。 本文利用有限元软件wo r k b e n c h，计算车架和前后台支撑 Q j c矗e s矗e j i ： - - 卜一 瞬 野 在典 型工 况下 的 应力 分布 规 律 ，找 出原 结构 中设 计 的不 合 理地方，并针对性地提出改进措施，最后用有限元计算和 试验验证 了优化结构的合理性 。 1 原结构应力分析 1 1 基本结构 整体上看 ，原结构可分成四个大构件：主车架、副车 架、前台、后台。除 此之外，还有一些连接件 、加强板 。 由于结构主要为板结构 ，为方便建模，对所有板件抽取 中 面，采用壳单元进行建模。利用绑定接触模拟各个构件之 间的焊接连接，焊点模拟构件之 间的螺栓连接和铆接。根 据需要 ，模型一共定义了6 6 个接触和4 8 个焊点。划分单元 时 ，单元尺寸为6 mm。整个模型一共包含l 9 9 4 6 8 个节点， l 9 3 8 5 8 个单元。 1 2 边界条件 从实际来考虑，结构是由左右各三个轮胎通过钢板弹 簧和悬挂结构来支撑的。在进行有限元模拟时，在钢板弹 簧和悬挂结构与车架的连接区域上施加边界条件 ，约束此 区域 内节点的垂向和纵 向位移。同时 ，为了避免出现刚体 卜 oS 网 同 Q i e e s h e i i 位 移 将其 中一个 区域的 横向位 移也进 行 了约 束。 在 wo r k b e n c h中，这些约束由AP D L 命令给出。 1 3 工况分析 由于混凝 土搅 拌 车主 要是将 混凝 土从 搅拌 站送 往需 要 的工地，路况变化大 ，且作为车辆运输，行驶状态也经常 发生变化。为了简化计算，将搅拌车的行驶状态可以分为 匀速行驶 、减速行驶 、加速 行驶 、转弯行驶 四种基本状 态。本文以这四种基本状态为典型工况，采取准静态的形 式，将加速度载荷转换为力载荷施加，分析 了原结构的应 力分布情况。载荷分析如图l 。 图1 载荷分析图 其中，m为搅拌简中混凝土的质量，a 为车行驶的加速 度，ma 为惯性力，根据达朗贝尔原理 ，其方向与a 的方向相 反。G为混凝土的重力，G=mg，g 为重力加速度。F 为前 台支撑对搅拌筒的竖直方向的作用力，F 为前台支撑对搅 拌 简水 平 方 向的 作 用力 ，F 为后 台 支撑 对 搅拌 简 的 支持 力 ，其 方向 与后 台顶 面垂 直 。通 过静 力平 衡分 析 ，即可 求 得F 、F 、F 的大小和方向。根据牛顿第三定律，得到前 台支 撑和 后台支 撑受 到的 力的大 小和 方 向。 四种 基本 工况 的载荷如下 ： ( 1 ) 匀速行驶时，F =l 5 1 8 9l N，F =一3 3 0 0 0 N， F = l 3 6 4 2 8 N； ( 2) 减速行驶时，F =l 6 4I 2 7 N，F， =l 5 2 6 4l N， F = l 2 3 7 4 9 N ； ( 3) 加速行驶时 ，F =l 5 0 9 5 0N，F， =23 7 8 3 N， FN =l 3 7 3 2 9 N ； ( 4) 转弯行驶时，F =l 5 l 8 9 l N，F =3 3 0 00 N， F - - 1 3 6 4 2 8 N。同时有离心力F =5 8 0 0 0 N，施加在前、后台 上 ，方 向沿X方 向。 1 4应力计算结果 通过有限元计算，可以得到结构在各个基本工况下的 应力分布情况 ，图2 即为在匀速行驶时结构的应力云图，其 他工况下的应力云图只是在前、后台支撑上有变化 ，不一 一 列 出。 回 重 型 汽 车 H E A V Y T R U C K 2 0 1 0 6 图 2 匀速行驶时结构的应力云图 由图2 可知，匀速行驶时，应力较大的部位主要是前台 与副车架相连的部位、后台与副车架相连的贴板部位以及 车桥横梁边界附近的部位。其 中，最大应力在车桥横梁的 边界附近 ，最大值有2 4 0 5 4 Mp a，后台前贴板处的应力值 较大，略高于l 9 0 Mp a ，前台前面板与车架连接处应力最大 值超过了1 4 0 Mp a 。横梁上大部分应力值均在l 0 Mp a 以下， 只是在与车架连接部位应力值较大。车架上，后台与车桥 横梁之间的部位应力值相对较大，大部分在6 09 0 Mp a 之 间。前台与后台上的各个面板的应力值不大，大部分低于 4 0M p a，只是在与车架的连接处有应力集中，应力有 1 4 0 Mp a 左右。 同样可以得到其他几种工况下的应力分布。减速行驶 时 ，前台受力较大 ，后台受力较小。因此 ，与匀速时比 较，后台部位的应力有明显的降低 ，而前台部位的应力值 略有提高。其中，最大应力在前台前面板下端与副车架相 连处，最大值有3 5 7 5 Mp a 。加速行驶时，前台受力较小， 后台受力较大，与匀速时比较 ，后台部位的应力有明显的 提高，而前 台部位的应力值略有降低。其中，最大应力在 车桥横梁边界附近 ，最大值有3 3 6 6 2 Mp a 。转弯行驶时， 整个车架都受到扭转的作用，使整体应力值有所增加 ，并 且转弯外侧的值明显较转弯内侧大。其 中，最大应力在后 台后面板与副车架连接附近 ，最大值有3 6 7 4 8 Mp a 。各种 工况下典型位置的应力值见表1 。 表 1 各工况典型位置应力值 ( 单位：Mp a ) 部 位 匀 速行 驶 减 速 行驶 加速 行 驶 转弯 行 驶 尉 车 架 上 与 前 台 前 面 板 相 连 处 l 4 6 4 l 3 5 7 5 l 3 5 6 2 2 2 1 0 2 副 车 槊 上 与 后 台 前 砧 板 相 连 处 2 0 7 3 9 l 7 1 5 3 2 0 9 1 8 l 7 6 。 6 3 车桥横粱边界附近 2 4 0 5 4 l 4 2 0 6 2 4 0 8 2 l 7 0 4 l 尉 车 檠 上 后 稿 与 主 车 架 相 连 处 l 8 O 7 2 l 7 0 5 3 I 7 5 5 9 2 2 7 3 8 以上应力分析可以知道 ，结构有部分地方应力较大 ， 最大应力地方明显存在应力集中，而大部分地方应力值较 小，材料没有得到充分的利用。因此，原结构设计存在不 合 理 的地 方 ，有必 要 进 行 优化 措 施 。 2 优化分析 对车架的优化分析 ，已经有很 多人讨论过。有文献利 用有限元仿真对边梁式客车进行了静力分析和模态分析 ， 并给 出了优化设计。有文献在采用拓扑优化分析和有限元 相结合 的 方法 ，建 立 了优 化数 学 模型 ，得到 了合 理 的优 化 设 计 。也 有文 献 则 是从理 论 上研 究 了 多工 况 应力约 束下 的 车架结构 的优化设计 。但是，针对混凝土搅拌车这种重型 车，对车架、前台支撑、后台支撑一起优化的文献还比较 少见。本文将针对这一方 面作初步讨论 。由于原结构较 大 ，不便于进行整体优化分析 ，故将其按照组合形式，分 为前台支撑、后台支撑 、车架三部分分别进行优化。 2 1 前台支撑 由于 仅对 前 台进 行 优化 ，因此 ，在选 取 模型 时 进行 了 必 要的 简化 。模型 选取 以前 台 为 中心 ，各 向两端 延长 2 5 0 ram左右的部分。由于前台才足要分析的重点 ，所以对 车 架也进 行了部分 简化 ，包括去掉 了主车架上 的所 有横 梁 ，仅仅保留了副车架上的横梁 ；简单地将主车架看作一 个槽型钢，厚度为原来的内外槽钢之和。这些简化对前台 的计 算 结 果影 响 很小 ，是 可取 的 。 图3 是前台支撑结构在优化前和优化后的对比图，左边 为优化前结构 ，右边为优化后结构。优化的主要手段是改 变连接方式、改变结构、开减轻孔、改变板厚、对局部进 行加强 ，以此来 调整各个部分的刚度分布 ，减 小应力集 中，并使材料充分利用。由于前台在减速行驶时应力值较 大 ，故仅计算了减速行驶时的应力分布情况 。 图3 优化前后前台结构图 图4 即为减速行驶时优化前后前台支撑的应力云图。从 应力云图上可以发现 ，虽然优化后结构的应力看起来普遍 有了一定的提高 ，但最大应力却从原来的2 5 1 6 6 Mp a 减小 到 了2 0 5 2 5 Mp a 。也就 是说 ，应 力集 中减 小 了很 多。并且 材料的利用率得到了提高。优化后的结构应力值远小于材 料的许用应力值，结构仍然安全。同时 ，结构的总重量还 减小了3 5 3 4 R E，结构更轻，达到了优化的 目的。考虑到结 Q j e h e s e j i 岔 卜 网圈 构的使用寿命与最大应力的关系，可以推知 ，结构的使用 寿命也得到了提高。由于在优化的过程中减小了一些板的 板厚 ，有必要防止板的失稳。对优化后的结构进行屈曲分 析 后 ，得 到结 构的 失稳载 荷 因子为 2 7 5 6 7 。结 果说 明 ，结 构的稳定性也是安全的。 图 4 优化前后前台支撑应力云图 2 2 后台支撑 对后台支撑进行优化时，对模型也进行了简化。模型 选取从车架尾端向前2 2 2 0 mm之间的部分，从而选取后的另 一 端位于边界处 ，便于施加边界条件。而且，由于后台才 是要分析的重点 ，所以对车架也进行部分简化，包括去掉 了主车架上的所有的横梁和副车架最前端接近边界处的横 梁 ，而用限制主车架两端的横向扭转近似代替 ；简单的将 主车架看作一个槽型钢 ，厚度为原来的内外槽钢之和 ；不 考虑车桥横梁 的影响。 图5是优化前后后台支撑结构图 ，右边为优化后的结 构 。优 化方 法 与前 台支 撑 结构 的优 化 方法 大致 相 同。 后台 在加速行驶时应力较大 ，因此，计算 了结构在加速行驶时 的应力分布情况 ，如图6。 图5 后台支撑优化前后结构图 图6 后台支撑加速行驶时的应力云图 2 0 1 0 6 H E A V Y T R U C K 重 型 汽 车 回 Q i e h e s h e i i 由图6 的应力云图可知 ，优化前结构的许多部分并没有 起到承担载荷的作用，应力值非常小，但局部却有很大的 应力集中。优化后 ，结构大部分的应力值有了一定地提 高，但相对还是较小。最大应力值的位置没有变化 ，仍然 存在一定的应力集中，但从原结构上的l 9 7 1 】 Mp a 减小到 了1 8 8 61 Mp a，显示出优化后的结构比原结构更合理。同 时，优化后的结构减轻了6 7 3 3 k g ，大大节省了材料 ，更加 突出了优化的合理性。同样考虑到板的厚度的降低，对结 构进行 了屈 曲分 析。 屈曲分 析表 明 ，结 构 的失稳 载荷 因子 为1 3 7 6，稳定性是可以保证的。 2 3 车架 车架能独立地构成一个整体，在优化车架时，模型的 选取相对较为简单。有文献讨论了不同截面梁的刚度和稳 定性 ，对本文有一定的借鉴意义 。考虑到工艺制造 ，本文 优化车架时，主要考虑采用变截面梁的思想，将原车架中 的主车架梁内槽钢截断。只在应力值较大的地方保留，并 对局部应力较大的地方加垫板进行加强。考虑到车架尾 端的应 力较前端的应力大 ，计算时采用的是加速行驶时 的载荷 。 由图7 以看到，优化时，由于对应力值较大、容易产生 应力集中的地方进行了局部加强 ，大大降低了车架上的应 力值 。同时 ，车架的整体质量 减轻 了2 8 0 k g 左右。优化结 果 充分说明了对局部应力集中的地方进行加强的有效性。 图 7 车架优化前后应力云图 3 试验论证 为了检验优化措施的实际效果，对优化后结构进行了应 力测试。试验道路选择在宽敞而平坦的大道上进行。测试工 况包括从静止加速到7 0 k m s 阶段、保持7 0 k m s 匀速行驶阶 段 、以3 0 k m s 行驶时刹车阶段 。测试的布片方案 如图8 。 按试验方案进行试验得到数据后 ，对其进行低通滤波 和平 均处 理 后 ，最 后得 到 的数 据 如表 2 所示 。 从试验数据 结果可 以看到 ，由于试验时环境 的复杂 性，试验结果相比于计算结果而偏大。但是 ，从总体规 律上看 ，规律是一致的。同时 ，试验结果也表 明，各点 的应力值是在结构 的可承受范围之 内的。此试验结果也 说 明 了有 限 元计 算结 果 的 正 确 性 ，从 而证 明 了优 化 结构 囝 重 型 汽 车 H E A V Y T R U C K 2 0 1 0 6 的 合 理性 。 蘩 I 瀚由 囱 由由 前 搦 后 盘 点 固 了 削 蘩 外 一 表 面 中 心 档 旺衄 t 主雏外 一 寝面中心战 固臣 臼固 四 ：四 四 6 0 0 mm d L 8 5 0 D m q 一： 0 ln ： n 1 2 6 0 m 一 图8 应变片布片方案 表 2 优化后测试结果与计算结果对照表 点 匀速 ： Mp a ) 启动 ： Mp a ) 刹车 ： Mp a ) 号 试 验 计算 试验 计算 试验 计算 l -5 8 2 9 -3 3 9 8 6 1 6 0 -3 4 2 0 -5 2 1 7 -3 0 8 3 2 -5 9 5 2 -4 4 9 8 7 1 6 9 -4 5 2 7 -6 2 0 4 -4 0 8 8 3 -9 4 3 6 -6 9 2 9 -9 6 7 O -7 0 1 4 -87 7 7 -63 2 6 4 71 2 5 7 0 3 9 7 4 7 3 7 0 8 4 5 7 3 0 6 3 9 4 5 7 6 0 4 l 0 3 I l 7 6 4 2 1 0 3 7 8 5 4 2 5 9 3 6 5 6 l 0 2 8 21 2 O 3 1 5 2I 27 8 O 9 2 O Ol 7 -5 5 3 6 2 7 7 9 -7 7 6 5 2 7 3 3 -4 8 6 4 3 3 5 0 8 1 9 2 4 2 一l 2 9 6 4 -2 3 1 7 3 1 4 6 0 9 一l 3 9 3 7 一l 】 9 4 5 9 4 3 8 5 2 5 8 8 5 0 8 2 3 5 5 7 41 7 6 2 9 8 5 1 0 8 4 1 8 3 2 4 9 l 0 3 4 4 3 2 8l 7 3 7 4 2 8 1 6 l l 4 9 8 9 2 6 1 0 6 2 3 9 2 6 3 2 3 2 8 2 2 3 1 3 l 2 6 9 1 4 5 0 6 2 1 0 5 7 7 6 0 7 2 8 8 6 4 49 3 2 l 3 7 5 5 1 6 3 3 6 9 4 6 4 7 3 5l 7 9 0 O 6 0 6 3 4 结论 本文通 过有限 元计算 分析 ，对混凝土搅拌车车架及 前 、后台支撑进行了优化，并达到了满意的效果。优化过 程说明 ，对有应力集中的地方进行局部加强，可以有效地 改善结构的应力分布，提高结构的强度。优化时采用了很 多开减轻孔而在孔边加翼板进行局部加强的措施 ，计算结 果充分说明了此种措施对减轻重量而又不降低结构的强度 非常有效。实际上对板架结构利用加强筋进行加强，在工 程上很 多结 构中应用 广 泛 ，完 全 可 以 应 用 在车架支撑结 构中。 本 文 采 用 的 一 系 列 优 化 方法 和 优 化 措 施 为 工程上 同类分析提供 了一定的参考意义。 参考文献略。