（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

混凝土泵車后支腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

邱翠容，魏忠靈，胡雄偉，魏立峰

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

對后支腿Solidworks有限元建模及加載方法進(jìn)行研究；以某泵車后支腿作為實例，進(jìn)行了混凝土泵車后支腿結(jié)構(gòu)的靜態(tài)及屈曲分析，找出后支腿應(yīng)力分布規(guī)律、重點關(guān)注部位及減重部位；并針對不同工況進(jìn)行對比分析，得出支腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法及減重降成本的措施，為后支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

混凝土泵車；后支腿；結(jié)構(gòu)；研究

混凝土泵車是將泵送系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和臂架系統(tǒng)集成在改制的載重汽車底盤上，集行駛、泵送、布料功能于一體的高效混凝土輸送設(shè)備?；炷帘密?見圖1)通過分動箱將底盤發(fā)動機(jī)的動力傳輸給泵送系統(tǒng)，將料斗內(nèi)的混凝土加壓，然后利用泵車上臂架和輸送管，將混凝土泵送到指定位置。支撐系統(tǒng)一般由固定轉(zhuǎn)塔、轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支腿四部分組成。支腿是泵車支撐系統(tǒng)中起支撐作用的部件，支腿設(shè)計的優(yōu)劣直接影響泵車的可靠與安全,對工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計具有重要作用。

圖1 混凝土泵車示意圖

泵車支腿一般分為前支腿和后支腿，目前泵車的主流產(chǎn)品為X型前支腿和擺動型后支腿。前支腿多為等截面梁，而后支腿因與固定轉(zhuǎn)塔的接口形式、離地高度及與平臺距離的限制，多為變截面梁。變截面梁的應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性計算較復(fù)雜，并且無法直觀的看到支腿上各節(jié)點的應(yīng)力變化，使得后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度加大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期，一般先按照等截面梁初算支腿臂的截面和板厚，后續(xù)再利用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

SolidWorks采用非全約束的特征建模技術(shù), 其設(shè)計過程全相關(guān),可以在設(shè)計的任何階段對設(shè)計進(jìn)行修改,同時自動實現(xiàn)與之相關(guān)的更新。利用Solidworks截面執(zhí)行設(shè)計分析、仿真和優(yōu)化，就目前主流生產(chǎn)泵車后支腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，找出了影響后支腿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的規(guī)律，同時對某生產(chǎn)車型后支腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，滿足企業(yè)生產(chǎn)需要。由于混凝土泵車工作時工況繁多，只取后支腿工作最惡劣工況，即臂架全部水平展開狀態(tài)，并且臂架位于該支腿上方的情況。

1 支腿截面尺寸設(shè)計計算

泵車支腿為箱型梁結(jié)構(gòu)，為計算確定截面尺寸及板厚等設(shè)計數(shù)值，首先規(guī)定蓋板及底板所能承受的正應(yīng)力值δg和δd，然后將所需的截面尺寸各個數(shù)值與之發(fā)生關(guān)系，聯(lián)立出等式方程。

首先，最大正應(yīng)力與最大彎矩和箱體抗彎截面系數(shù)關(guān)系如下：

式中， Mmax——為最大彎矩，可根據(jù)支腿所受最大支反力算出，為已知數(shù)值。

W——箱體的抗彎截面系數(shù)，它與截面的幾何形狀有關(guān)，單位是m3。

I——截面的慣性矩，量綱為m4。

e——截面型心到相應(yīng)邊的距離。

根據(jù)泵車支腿截面形狀，計算出I和e的值，并使之與所需要計算的截面各尺寸發(fā)生關(guān)系。

1.1 截面型心位置坐標(biāo)計算

根據(jù)分塊積分原理，組合圖形的靜矩等于其各部分圖形的靜矩之和。截面有一垂直對稱軸，其形心必然在這一對稱軸上，因而只需確定形心在對稱軸上的位置。組合圖形形心坐標(biāo)的計算公式為：

式中，Ai和yi，Zi分別表示任一組成成分的面積及其型心的坐標(biāo)。n表示圖形由n個部分組成。

繪制支腿截面形狀，并設(shè)各未知尺寸如圖2，箱體蓋板與底板寬度為w，蓋板厚度為δ1，底板厚度為δ2，高度h，厚度b。

設(shè)ABCD的面積為A1，abcd的面積為A2。以底邊DC作為參考坐標(biāo)軸y。

圖2 箱體截面

由公式（3），整個截面的形心C的坐標(biāo)為：

1.2 由平行移軸公式, 計算截面對形心軸慣性距

矩形ABCD對yCfalse的慣性矩：

1.3 最大正應(yīng)力計算

將（2），（8）代入（11）可得截面上邊的抗彎截面模數(shù)：

其中，F(xiàn)max、l為已知數(shù)據(jù)，將得到支腿截面各尺寸間的關(guān)系不等式，未知數(shù)包括底板寬度w、蓋板厚度δ1、底板厚度δ1、高度h、側(cè)板厚度b共5個。確定蓋板、底板、側(cè)板要用鋼板的厚度，通過聯(lián)立方程，即可計算出箱體寬度w與高度h的值。

2 仿真模型建立及計算過程

利用有限元分析軟件Solidworks對支腿進(jìn)行應(yīng)力分析、變形量、穩(wěn)定性分析及優(yōu)化。

2.1 模型的建立

根據(jù)整車跨距、固定轉(zhuǎn)塔及接口形式、輪胎離地高度、離去角等確定后支腿的接口形式、截面高度、支腿長度等重要參數(shù)，利用PROE軟件進(jìn)行建模。

（1）模型轉(zhuǎn)換。將支腿臂Pro/E部件模型轉(zhuǎn)換為STEP格式文件。將STEP格式文件支腿臂模型導(dǎo)入Solidworks軟件中。在Solidworks軟件中將支腿臂部件轉(zhuǎn)換為零件。

（2）Solidworks零件模型處理。去除支腿臂模型中非承力特征，預(yù)留焊接坡口，預(yù)留焊接間隙，對支腿臂Solidworks零件模型進(jìn)行合并。

（3）創(chuàng)建支腿有限元分析輔助零件模型。創(chuàng)建后支腿固定轉(zhuǎn)塔、支腿軸、下?lián)斡透?、墊板、后支腿展開油缸簡化模型等，應(yīng)確保與之裝配零件的接觸面無間隙、無干涉，并按照原零部件的實際尺寸進(jìn)行簡化。

2.2 創(chuàng)建支腿有限元分析計算裝配模型

以固定轉(zhuǎn)塔簡化零件模型為基準(zhǔn)件（固定），根據(jù)支腿臂、油缸墊板、固定轉(zhuǎn)塔、油缸、支腿軸的實際裝配關(guān)系裝配上述零件。

2.3 支腿靜態(tài)計算

（1）支腿靜態(tài)計算模型網(wǎng)格劃分及邊界條件施加。接觸面組定義：零部件全局接觸為無穿透。定義相觸面組：對于間隙為零的兩個零件的相觸面組采用自動查找相觸面組的方法進(jìn)行設(shè)置；檢查裝配模型干涉情況，并進(jìn)行處理。

定義材料屬性：零件材料為合金鋼，彈性模量2.1e+11；泊松比0.28；密度7700。

約束定義：后支腿分析簡化固定轉(zhuǎn)塔末端的兩個面及展開油缸末端面設(shè)為固定約束；油缸墊板四周的四個面約束設(shè)為在平面上，并在水平兩個方向上進(jìn)行約束，與支撐油缸底面的磨擦系數(shù)設(shè)為0.3。

（2）外部載荷定義。

定義引力：引力方向為鉛垂方向，應(yīng)定義在基準(zhǔn)面上。定義支腿支反力：受力面積為油缸墊板的分割面，方向垂直油缸墊板底面，油缸墊板可設(shè)為水平，也可設(shè)定一定的傾斜角度，視泵車使用情況而定。載荷大小設(shè)為泵車總重的0.7倍，載荷大小最后根據(jù)轉(zhuǎn)塔有限元分析結(jié)果前、后支腿的最大支反力進(jìn)行修正。

（3）支腿計算模型網(wǎng)格劃分。支腿靜態(tài)求解:網(wǎng)格劃分好以后，對模型進(jìn)行靜態(tài)運算，查看支腿靜態(tài)分析結(jié)果文件，包括應(yīng)力、應(yīng)變、變形量。

（4）支腿屈曲計算。設(shè)置全局接觸為接合，刪除在靜態(tài)分析中設(shè)置的相觸面組；刪除在靜態(tài)分析中設(shè)置的前支腿伸縮油缸模型及后支腿展開油缸模型。其余同上。

扭曲模式數(shù)設(shè)為10，支腿屈曲計算安全系數(shù)一般要求大于2，即載荷因子為最小正數(shù)時，載荷因子數(shù)值必須大于2。

3 后支腿實例分析

3.1 根據(jù)上述優(yōu)化過程，取某一車型后支腿進(jìn)行有限元分析

（1）加載后模型如圖3所示。

圖3 后支腿分析模型及加載情況

（2）有限元分析結(jié)果如圖4所示：為了更好的查看支腿的有限元分析結(jié)構(gòu)，將除支腿外的其它部件隱藏。

通過有限元分析結(jié)果，可以很直觀的看出支腿應(yīng)力變化及應(yīng)力較大區(qū)域，為后期優(yōu)化指明方向。

（3）后支腿應(yīng)力變化規(guī)律分析。通過圖8可以得出結(jié)論，有限元分析結(jié)果與理論計算吻合：支腿應(yīng)力較大區(qū)域為離中性面較遠(yuǎn)處的蓋板和底板，而位于中性面附近的側(cè)板區(qū)域受力較小。需要重點關(guān)注及優(yōu)化的區(qū)域即為紅色應(yīng)力較大的區(qū)域：底板、蓋板、上軸套、下軸套、蓋板加強(qiáng)板、底板加強(qiáng)板及焊縫收尾和截面突變的區(qū)域；重點減重區(qū)域為藍(lán)色應(yīng)力較好的區(qū)域：內(nèi)外側(cè)板，蓋板尾部、底板尾部等區(qū)域。

3.2 對實例后支腿進(jìn)行優(yōu)化

對該支腿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后模型及應(yīng)力圖如圖5所示。

（1）重點應(yīng)力區(qū)域改進(jìn)情況對比。對優(yōu)化前后的支腿臂的重點部位進(jìn)行應(yīng)力對比，對比情況如表1所示。

圖4 應(yīng)力結(jié)果

圖5 后支腿優(yōu)化結(jié)果

對優(yōu)化前后變形及穩(wěn)定性情況進(jìn)行對比，情況如表2所示。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。蓋板、底板優(yōu)化措施：開孔位置移至加強(qiáng)板內(nèi)，并利用塞焊方式，增加開孔部位強(qiáng)度；上貼板及下貼板結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施：將加強(qiáng)板加長，增大離支腿軸距離，并將其更改為魚尾型或橢圓收尾，減少橫向焊縫； 上中板和下中板：截面過渡處增加過渡或收尾，減小應(yīng)力集中；上、中、下軸套：更改為直徑更大的加強(qiáng)圈，增加局部剛性。

（3）結(jié)構(gòu)減重措施。通過有限元分析結(jié)果得出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后支腿應(yīng)力得到改善，但是支腿重量相應(yīng)增加。設(shè)計者需要在應(yīng)力滿足要求的同時，達(dá)到減重降成本的目的。從支腿應(yīng)力分析圖可以看出，支腿減重的重點區(qū)域應(yīng)為：側(cè)板、蓋板和底板尾部應(yīng)力約200MPa以內(nèi)的區(qū)域，即應(yīng)力分析圖中藍(lán)色及藍(lán)綠色區(qū)域。將支腿優(yōu)化后的模型進(jìn)行減重處理：蓋板尾部減薄、側(cè)板尾部減薄、底板尾部減薄，并進(jìn)行應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性及減重質(zhì)量分析，對比情況如表3，表4所示。

通過表3對比得出結(jié)論，不同減重措施對支腿重點區(qū)域應(yīng)力影響：側(cè)板減薄應(yīng)力最好，底板減薄其次，蓋板減薄對支腿應(yīng)力影響最大；

表1 重點應(yīng)力區(qū)域優(yōu)化情況對比

表2 優(yōu)化前后變形及穩(wěn)定性情況對比

表3 減重措施應(yīng)力對比

表4 減重對比

位移變化與應(yīng)力變化規(guī)律近似：側(cè)板減薄位移最小，底板減薄其次，蓋板減薄位移最大；

穩(wěn)定性影響：側(cè)板減薄穩(wěn)定性最好，蓋板減薄之次，底板減薄穩(wěn)定性最差。

綜上，支腿側(cè)板減重對支腿應(yīng)力、變形量及穩(wěn)定性影響最小，設(shè)計時優(yōu)先考慮支腿側(cè)板減重；也可根據(jù)實際減重及應(yīng)力要求采取三種方式任意組合的形式進(jìn)行減重。

泵車工作時，支腿底板受拉，如果底板改為厚薄對接焊縫受力，開裂隱患較大，可在對接焊縫內(nèi)側(cè)或外側(cè)增貼加強(qiáng)板。

因支腿為箱型梁，為滿足減重及應(yīng)力要求，支腿截面一般設(shè)計為高度較高，但寬度較小的截面梁，以某車型后支腿為例，蓋板重量191kg，底板重量195kg，內(nèi)外側(cè)板總重量783Kg，將材料板厚減小一個規(guī)格的情況下，底板或側(cè)板減重空間小且對支腿應(yīng)力影響大，如設(shè)計階段減重工作任務(wù)比較艱巨，可慮將側(cè)板整體減薄，減薄后應(yīng)力及穩(wěn)定性對比如表5和表6所示，可看出側(cè)板整體減薄對底板及下軸套應(yīng)力及支腿臂穩(wěn)定性影響較大，可通過對底板進(jìn)行局部加強(qiáng)的方法來提高應(yīng)力，穩(wěn)定性不足的情況可考慮在側(cè)板內(nèi)側(cè)增加平行于底板垂直于側(cè)板的橫筋板。

表5 應(yīng)力對比

表6 位移及穩(wěn)定性對比

4 結(jié)語

利用有限元分析手段，對目前主流生產(chǎn)的后支腿進(jìn)行應(yīng)力、變形量及穩(wěn)定性分析，不但可以節(jié)省理論計算、試驗測試時間，同時為支腿設(shè)計提供依據(jù)和方法，通過研究可以得到如下結(jié)論：第一，支腿應(yīng)力較大區(qū)域為：底板、蓋板、上軸套、下軸套、蓋板加強(qiáng)板、底板加強(qiáng)板及焊縫收尾和截面突變的區(qū)域；第二，重點減重區(qū)域為：內(nèi)外側(cè)板，蓋板尾部、底板尾部區(qū)域；第三，支腿減重時，優(yōu)先考慮支腿側(cè)板減重； 也可采用側(cè)板、蓋板、底板減重組合的方式；第四，減小應(yīng)力措施：盡量避免離支腿軸較近的區(qū)域開孔，如開孔需進(jìn)行局部加強(qiáng)；加強(qiáng)板采用魚尾型或橢圓收尾，減少橫向焊縫；截面過渡處增加過渡或收尾； 增加局部剛性。

[1]蔡慧林,戴建強(qiáng),席晨飛.基于SolidWorks 的應(yīng)力分析和運動仿真的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2008（1）92.

[2]趙罘，王平，張云杰. Solidworks 2008中文版典型范例[M].北京，清華大學(xué)出版社,2008: 5-6.

[3]鄧訓(xùn)，趙元勤. 材料力學(xué)[M].武漢，武漢理工大學(xué)出版社,2009:94-110.

[4]侯作富，胡述龍，張新紅. 材料力學(xué)[M].武漢，武漢理工大學(xué)出版社,2010: 255-262.

[5]姜校林.用不等式確定混凝土泵車支腿最大反力的值域[J].設(shè)計計算，2006(3): 94-99.

TU646

：A

：1671-0711（2017）08（上）-0170-04