混凝土泵車臂架復(fù)雜工況有限元分析及優(yōu)化

1、972012.07建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理1 概 述混凝土泵車是輸送混凝土的專用機(jī)械,混凝土泵 車主要由底盤、泵送系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)組成。其中,臂 架是泵車最主要的關(guān)鍵部件之一,其安全性、可靠性和 先進(jìn)性是決定泵車核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。依依據(jù)相關(guān)國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的限制,混凝土泵車整機(jī)運(yùn)輸高度、寬 度以及空間布局都有規(guī)定,更凸顯其設(shè)計(jì)難度及設(shè)計(jì) 優(yōu)化的迫切性。同時(shí)泵車結(jié)構(gòu)始終處于動(dòng)載作用下,臂 架結(jié)構(gòu)各部件間還存在著耦合作用,容易發(fā)生疲勞破 壞而出現(xiàn)局部變形、開裂等問題。因此,對(duì)臂架結(jié)構(gòu) 進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及提高可靠性的研究在行業(yè)內(nèi)具有重要 意義。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,臂架水平全伸時(shí)的工況是最危險(xiǎn) 工況 12,但是對(duì)于某些

2、部件,從經(jīng)驗(yàn)可以判斷其最大 應(yīng)力應(yīng)該發(fā)生在其它作業(yè)工況。為了更好地了解臂架的 整體應(yīng)力分布情況,對(duì)于其各個(gè)作業(yè)工況都進(jìn)行有限 元計(jì)算是非常必要的。由于臂架做空間運(yùn)動(dòng),臂架間展開形態(tài)組合復(fù)雜。 以 5節(jié)臂為例, 如果以每節(jié)臂 10°為增量定義一個(gè)工況, 最終將有 2 440 360個(gè)組合工況。由于工況較多,計(jì)算 時(shí)間過長(zhǎng),對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求非常高 3。因此,如何 提高計(jì)算效率,分析如何選取及確定臂架工作工況更 具實(shí)際意義。2 分析路線本文以某型泵車臂架為研究對(duì)象,如圖 1 所示,利用多體運(yùn)動(dòng)仿真、有限元計(jì)算等多種分析手段,分 別 建 立 多 體 動(dòng) 力 學(xué) 模 型 4、 有 限 元 模

3、型。 先 運(yùn) 用 ADAMS 先對(duì)混凝土泵車動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,將其抽象混凝土泵車臂架復(fù)雜工況有限元分析及優(yōu)化Finite Element Analysis and Optimization of Arms of the Truck Mounted Concrete Pump under Complex Working Condition柳工集團(tuán)上海鴻得利重工股份有限公司 胡小其 /HU Xiaoqi 秦昊 /QIN Hao摘要:本文運(yùn)用 ADAMS 軟件對(duì)某型泵車臂架進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真, 分析了油缸鉸點(diǎn)、 臂架連接鉸點(diǎn)等位置作 用力隨運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律曲線, 確定了 7個(gè)典型計(jì)算工況; 在此基礎(chǔ)上,

4、運(yùn)用 ANSYS 軟件對(duì)不同工況下臂架的應(yīng)力和變形分 析, 并對(duì)其相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證, 研究結(jié)果對(duì)縮短泵車臂架的研發(fā)周期和優(yōu)泵車臂架設(shè)計(jì)具有 重要作用。關(guān)鍵詞:泵車臂架 復(fù)雜工況 有限元圖1 臂架系統(tǒng)三維幾何模型982012.07CMTM 為多剛體系統(tǒng),應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)的建模方法,將泵車 臂架的各節(jié)臂架和連桿看作不可變形的剛體,在運(yùn)動(dòng) 仿真軟件中建立臂架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。通過仿真獲 得油缸鉸點(diǎn)、臂架連接鉸點(diǎn)等位置作用力隨運(yùn)動(dòng)變化 規(guī)律曲線,分析其中規(guī)律,確定臂架工作典型工況,并 作為有限元分析的計(jì)算工況選取的依據(jù)。依據(jù)選取確 定的計(jì)算工況,運(yùn)用 ANSYS 計(jì)算得到結(jié)構(gòu)

5、相應(yīng)工況 下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度,為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。3 分析過程3.1 運(yùn)動(dòng)仿真通過對(duì)臂架系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,獲得了不同 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下,臂架各相連銷軸及支撐油缸處的支反力, 通過對(duì)支反力變化趨勢(shì)及對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的分析,確定 了臂架系統(tǒng)各部件受力最大的危險(xiǎn)位置。直接點(diǎn),所以同樣作為參考依據(jù)點(diǎn) ; 其他連接位置的 支反力都直接或間接受油缸、端頭連接影響及控制, 變化規(guī)律也一致。依據(jù)外部載荷最大化這一原則,臂架完全水平展 開時(shí),臂架系統(tǒng)承受的彎矩最大,而彎矩是影響程度 超過自重的最大載荷,運(yùn)動(dòng)仿真從水平位置開始。通 過 ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真, 獲得了如圖 2所示的油缸、 臂架相連銷軸鉸點(diǎn)的支反力

6、變化規(guī)律曲線。3.2 有限元分析通過對(duì)支反力變化規(guī)律曲線進(jìn)行分析,獲得各部 件支反力變化規(guī)律及相應(yīng)臂架展開形態(tài)。最終確定的 有限元計(jì)算 7 個(gè)典型工況 :臂架系統(tǒng)完全沿水平展開 ; 臂架 1 與水平夾角 20°,其余臂架沿水平展開 ; 臂架系 統(tǒng)完全鉛垂直立展開等。按照相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)施加外載荷,通過ANSYS 有限元計(jì)算得到臂架靜載下強(qiáng)度數(shù)據(jù),并與應(yīng) 力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見 表 1,圖 38 分別為各臂等效應(yīng)力、 整體變形云圖。圖2 鉸點(diǎn)支反力變化規(guī)律曲線 由于油缸是臂架運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及控制力源頭,如對(duì) 單獨(dú)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,可發(fā)現(xiàn)油缸力往往是最大外 載荷 ; 臂架端頭連接銷軸是臂架與

7、臂架間力傳遞的最 部件 等效應(yīng)力最大值 /MPa應(yīng)力測(cè)試值 /MPa對(duì)應(yīng)位置 轉(zhuǎn)臺(tái) 324356后背部立板 臂架 1450421臂架小頭 臂架 2428398臂架根部底板 臂架 3430401臂架根部底板 臂架 4319310臂架根部底板 臂架 5135120臂架根部底板表1 部件等效應(yīng)力最大值匯總依據(jù)有限元分析結(jié)果,對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化 :對(duì) 臂架應(yīng)力較小區(qū)域位置開設(shè)減重孔,對(duì)局部板厚進(jìn)行 了相應(yīng)調(diào)整。計(jì)算數(shù)據(jù)顯示,修改后的模型滿足結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度要求,同時(shí)對(duì)臂架系統(tǒng)有較明顯的減 重 10%左右,達(dá)到了分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)目的。4 小 結(jié)本文綜合運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真、有限元計(jì)算等分 析方法

8、,采用了先做運(yùn)動(dòng)仿真確定計(jì)算工況,再進(jìn)行有 限元模擬的分析路線,確保了臂架計(jì)算的全面性及準(zhǔn) 確性。該分析路線有效地縮短了研發(fā)周期,增強(qiáng)了分析 的針對(duì)性,所得分析結(jié)果有效地支持了設(shè)計(jì)優(yōu)化及新 產(chǎn)品研發(fā)。992012.07建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理 參考文獻(xiàn)1張艷偉,佟力 . 基于 ANSYS 的混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)分析 研究 J.武漢理工大學(xué) ,2004,28(04.2 郭崗,許輝 . 混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的幾何非線性計(jì)算 J. 建筑機(jī)械 ,2007.03.3 史先信,鄭永生,徐懷玉 . 基于 ANSYS 的大型泵車臂架 有限元分析 J.建筑機(jī)械 ,2009.04.4 MID.ADAMS users reference manual:Mechanical dynamics M.s.l.:MD,1997