朱志輝，陳晨，王金剛

（1.河北工業(yè)大學(xué)后勤管理處，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300130）

攪拌運(yùn)輸車(chē)前支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

朱志輝1，陳晨2，王金剛2

（1.河北工業(yè)大學(xué)后勤管理處，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300130）

攪拌運(yùn)輸車(chē)是商用混凝土運(yùn)輸?shù)睦硐牍ぞ撸疄榱诉\(yùn)輸安全起見(jiàn)，我國(guó)設(shè)計(jì)的混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)往往存在著結(jié)構(gòu)偏重、整體剛度過(guò)大的缺陷，增加了制造成本和使用成本．為了解決該問(wèn)題，首先，建立了某攪拌車(chē)前支架的三維模型，對(duì)彎曲、彎扭、剎車(chē)、轉(zhuǎn)彎四種工況進(jìn)行了有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；然后，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)前支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)、有限元分析和尺寸優(yōu)化研究．研究結(jié)果表明，在基本不損失其剛度和強(qiáng)度的前提下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了18%，減重效果顯著，為降低生產(chǎn)成本和使用成本奠定了基礎(chǔ)．

混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)；前支架；有限元；拓?fù)鋬?yōu)化；尺寸優(yōu)化

0 引言

混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)具有服務(wù)性強(qiáng)、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、時(shí)間性強(qiáng)、運(yùn)途相對(duì)較短等特點(diǎn)，是商用混凝土最為理想的專(zhuān)用運(yùn)輸工具[1]．我國(guó)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)市場(chǎng)需求潛力巨大，但同國(guó)外相比，技術(shù)上還有一定的差距，主要表現(xiàn)在整體剛度過(guò)大、結(jié)構(gòu)偏重等方面，增加了制造成本和使用成本[2-6]．因此，使用現(xiàn)代先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)研究攪拌車(chē)前支架的優(yōu)化問(wèn)題是非常必要的．

1 前支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1.1 前支架有限元模型的建立和分析

使用UG建立前支架三維模型并應(yīng)用HyperMesh讀取了幾何模型；對(duì)其抽取中面和幾何清理；用四邊形shell單元對(duì)其進(jìn)行離散并設(shè)置單元厚度屬性；對(duì)單元質(zhì)量進(jìn)行檢查并定義其材料特性參數(shù)；約束前支架下墊板上所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度，載荷施加在減速器受力中心節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)用RADIOSS解算器對(duì)攪拌車(chē)前支架進(jìn)行有限元分析，用Hyperview后處理器對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取．4種典型工況的應(yīng)力和位移云圖如圖1所示．

從有限元分析結(jié)果可知，在彎曲、彎扭、剎車(chē)、轉(zhuǎn)彎這4種工況中，攪拌車(chē)減速器受力中心點(diǎn)的最大位移為0.348mm，出現(xiàn)在剎車(chē)工況中；攪拌車(chē)前支架的最大應(yīng)力為93.277MPa．這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于攪拌車(chē)前支架材料（16MN）的屈服強(qiáng)度345MPa．由此看見(jiàn)，很有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究．

圖1 攪拌車(chē)前支架優(yōu)化前各工況有限元分析結(jié)果Fig.1 Finite elementanalysisof the agitating lorry frontsupportbefore optim ization

1.2 前支架的拓?fù)鋬?yōu)化

優(yōu)化區(qū)域?yàn)槌デ爸Ъ苌厦姘搴拖聣|板以外所有的區(qū)域，受力中心的總位移設(shè)定為小于0.4 mm[7]，強(qiáng)度安全系數(shù)取為1.5，優(yōu)化目標(biāo)為體積最小——質(zhì)量最輕．為提高優(yōu)化迭代的準(zhǔn)確性和優(yōu)化結(jié)果的可借鑒性、可制造性，選取懲罰因子的值為4，單元最小密度值為0.01，目標(biāo)函數(shù)收斂容差設(shè)定為0.005．優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行對(duì)稱(chēng)約束．

經(jīng)過(guò)11次迭代運(yùn)算后目標(biāo)函數(shù)收斂．應(yīng)用Hyperview讀取優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果（如圖2、圖3），取單元閥值為0.3．

分析拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前后面板材料可以刪除，側(cè)面板材料冗余，攪拌車(chē)前支架的優(yōu)化空間還是很大的．

圖2 攪拌車(chē)前支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果（正面）Fig.2 Topology optim ization resultof front support（Heads）

圖3 攪拌車(chē)前支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果（背面）Fig．3 Topology optim ization result of front support（Tails）

圖4 結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)前后攪拌車(chē)前支架幾何模型的對(duì)比Fig.4 Contrast re-design structure and initial structure of front support

2 前支架的結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

2.1 前支架結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，以不增加制造難度為前提，對(duì)攪拌車(chē)前支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)．圖4為結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)前后攪拌車(chē)前支架幾何模型的對(duì)比．

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，將左右側(cè)面板材料冗余部分做了掏空處理；對(duì)前后面板做了大面積的材料刪減．由于再設(shè)計(jì)趨于保守，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)的攪拌車(chē)前支架的質(zhì)量比原設(shè)計(jì)方案減少11%．

2.2 前支架再設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有限元分析

載荷和邊界條件都不變，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后再設(shè)計(jì)的攪拌車(chē)前支架進(jìn)行有限元分析．各工況分析結(jié)果如圖5所示．

由圖5可知，拓?fù)鋬?yōu)化后再設(shè)計(jì)的攪拌車(chē)前支架4種工況最大位移為0.37mm，最大應(yīng)力為152.99MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度345MPa．無(wú)論從剛度還是強(qiáng)度上都符合攪拌車(chē)前支架的靜力學(xué)性能要求．

圖5 攪拌車(chē)前支架拓?fù)鋬?yōu)化后各工況有限元分析結(jié)果Fig.5 Finiteelementanalysis of theagitating lorry front support after topology optim ization

2.3 前支架再設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

再設(shè)計(jì)的前支架結(jié)構(gòu)仍有優(yōu)化的潛質(zhì)，用尺寸優(yōu)化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行再次優(yōu)化，力求在滿足力學(xué)特性要求的前提下質(zhì)量最輕．

優(yōu)化目標(biāo)：不同工況下的結(jié)構(gòu)總體積最?。ㄒ簿褪强傎|(zhì)量最?。粌?yōu)化變量：將前支架各焊接件鋼板（上面板、前后面板、前后加強(qiáng)板、側(cè)面板、下墊板）厚度作為優(yōu)化變量，根據(jù)每部分鋼板原設(shè)計(jì)方案厚度，并上下給定浮動(dòng)范圍，也就是在尺寸優(yōu)化計(jì)算迭代過(guò)程中，各設(shè)計(jì)變量的值在此區(qū)間內(nèi)變動(dòng)，最后得到最佳厚度尺寸；約束條件：應(yīng)用剛度約束，減速器受力中心點(diǎn)在4個(gè)工況下的總位移均不超過(guò)0.4mm．提取尺寸優(yōu)化結(jié)果文件如圖6所示．圖中的不同顏色表示不同的厚度尺寸．根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，對(duì)攪拌車(chē)前支架各焊接件的厚度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后各焊接件的厚度變化如表1所示．

由于前后面板和側(cè)面板在前面的拓?fù)鋬?yōu)化中已經(jīng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，所以在此次尺寸優(yōu)化中，其厚度尺寸的減小還是比較保守的；上面板的尺寸變化最大，從以前的20mm減小到了16mm；左右兩側(cè)的加強(qiáng)板根據(jù)尺寸優(yōu)化的結(jié)果也進(jìn)行了減薄處理．由于優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是保證目標(biāo)部件的工作性能，尺寸優(yōu)化以后攪拌車(chē)前支架減重7%．

載荷和邊界條件保持不變，對(duì)尺寸優(yōu)化后各部件厚度尺寸再設(shè)計(jì)后的攪拌車(chē)前支架進(jìn)行有限元分析，尺寸優(yōu)化鋼板厚度再設(shè)計(jì)后的攪拌車(chē)前支架在4種工況最大位移為0.399 9 mm，最大應(yīng)力為159.8 MPa．滿足其力學(xué)特性要求．

表1 攪拌車(chē)前支架各零件尺寸再設(shè)計(jì)前后厚度對(duì)比Tab.1 Contrast redesign thicknessand initial thickness

圖6 攪拌車(chē)前支架結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)后尺寸優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Size optim ization result after re-design of frontsupport

3 結(jié)論

在對(duì)原設(shè)計(jì)的攪拌車(chē)的前支架進(jìn)行了建模和有限元分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化研究．根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，去掉了冗余的材料并對(duì)前支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)和尺寸優(yōu)化，對(duì)鋼板進(jìn)行了減薄處理．在滿足其強(qiáng)度和剛度要求的前提下，前支架的質(zhì)量減輕了18%，減重效果顯著．總體來(lái)說(shuō)，攪拌車(chē)前支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的，在基本不損失其剛度和強(qiáng)度的前提下，減小了其質(zhì)量．達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的．

[1]謝開(kāi)泉．我國(guó)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)市場(chǎng)情況分析及預(yù)測(cè)[J]．專(zhuān)用汽車(chē)，2007（4）：12-14．

[2]劉鳳波．混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)前懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16（4）：18-21．

[3]董志明，姚樹(shù)軍，白篤．混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)副車(chē)架和后支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．工程機(jī)械，2010（5）：26-29．

[4]趙鵬，焦登鑫．混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)副梁受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[C]//四川省第九屆汽車(chē)學(xué)術(shù)交流年會(huì)，2009．

[5]劉宇，張生芳，宋雪萍，等．動(dòng)力平板車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2014，12（1）：34-37．

[6]關(guān)麗坤，張凱，張?chǎng)斡睿炷翑嚢柢?chē)車(chē)架的有限元分析[J]．中國(guó)重型裝備，2009（1）：23-26．

[7]趙加清，劉倩，王增全，等．混凝土攪拌車(chē)前后支架拓?fù)浼俺叽鐑?yōu)化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（7）：27-29．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Optimization design of the agitating lorry frontsupport

ZHU Zhi-hui1，CHEN Chen2，WANG Jin-gang2

(1.Logisticsm anagement office,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Schoolofmechanicalengineering, HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Agitating lorry isa transportation ideal tool forcommercial concrete.For transportation safety,agitating lorry design often has two defects:the quality is largerand overallstiffnessis toobig.Hence,themanufacturing costsand the use cost are increased.In order to solve the problem,first of all,3Dmodel of frontsupport is setup and finite element analysisand topology optim ization designareaccomp lished in the conditionof thebending,bending and tw isting,brakes, turning.Then,according to the topology optim ization results,frontsupportis redesigned,finiteelementisanalysed and the size optim ization is researched.The resultshow s thatw ithmeeting the requirementsof the stiffnessand strength asa prem ise,the frontsupportqualitywere reducedby 18%.The foundation for reducing theproduction costand use costwas thus laid.

agitating lorry;front support;finite element;topological optimization;size optimization

TH123.3

A

1007-2373(2015)01-0078-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.015

2012-12-17

朱志輝（1973-），男（漢族），實(shí)驗(yàn)師．