混凝土攪拌運輸車前支撐的分析

董瑞紅

（包頭職業技術學院，包頭 014030）

0 引言

混凝土攪拌運輸車具有良好的時效性與靈活機動性等優點，使得其獲得了巨大的市場需求。隨著市場需求的提高，對混凝土攪拌運輸車的結構進行調整，實現輕量化設計與節能減排，勢在必行[1]。

前支撐結構是混凝土攪拌運輸車的重要承載部件，其強度特性直接影響著整車的裝載能力[2]。因此，有必要針對前支撐結構做進一步的研究。本文基于前支撐的靜力學分析和模態分析，在較好地綜合兩種分析結果的基礎上，對前支撐結構進行了拓撲優化和尺寸優化，是對該項研究的創新性探索。

1 靜力學分析和模態分析

如圖1所示為簡化的前支撐模型，已簡化掉了多種輔助結構及工藝結構，如前支撐下部后橫梁處的連接結構、水箱支撐結構和多個工藝孔等。這些結構極大地增加了有限元模型建立及網格劃分的難度，卻對結構的載荷分布影響不大，也不容易產生較大的應力集中現象。又如，水箱支撐結構會給整體結構提供一較小載荷，可以在去掉該結構后，在相關位置施加等效的載荷。

就混凝土攪拌運輸車整體而言，需要考慮的簡化工況有：針對動力性能，平直路面的最高車速工況；針對制動性能，極限制動工況；針對操作穩定性，水平路面的轉彎工況；針對平順性，不平路面工況；針對上坡能力，上坡工況；針對底盤扭轉承載能力，主車架扭轉工況。以上各種工況中，對前支撐結構影響最顯著的是，制動工況與不平路面工況，結合兩者的綜合工況作為本文研究的危險工況。

圖1 簡化的前支撐模型

制動工況主要體現在整車所受的縱向力，不平路面工況主要體現在整車所受的垂向力。在前支撐下部與副車架連接的梁結構處施加約束，在上部與減速器連接的2個結構處施加載荷。經計算，不平路面上制動的綜合工況，前支撐的受力情況如表1所示。

表1 前支撐受力情況

前支撐結構的材料為Q345B，彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，屈服極限σs=345MPa。按相關設計規范，安全系數應達到1.2，即相應的許用應力[σ]為287.5MPa。經靜力學分析，前支撐結構所受的最大等效應力為283MPa，小于許用應力，符合強度要求。最大應力位置為與副車架相連接的前支撐底部結構中的左側橫梁、后部縱梁的內側圓角處（如圖2所示）。底部梁結構的圓角，本身能在一定程度上削弱應力集中，卻仍然成為了出現最大等效應力的位置。因此，底部的梁結構將是我們后續優化工作中的一個考慮環節。

圖2 最大等效應力

圖3 前支撐的振型

如圖3所示是模態分析中的前2階主振型。通過模態分析的結果可以看出，對前2階模態響應最敏感的部位，都是前支撐結構中間部分的兩外側鋼板。由于，前兩階振型所處頻率是最低的，最接近外部載荷的激振頻率，是響應最敏感的振型，是最容易發生危險的振型。因此，為使整體結構振動響應更為遲鈍和均勻，兩外側鋼板應作為優化的考慮環節。

在靜力學分析中，底部圓角處有最大等效應力，但是對振動的響應不明顯。在模態分析中，兩外側鋼板對振動的響應敏感，但是在靜力學分析中，所受等效應力較小。因此底部圓角與兩外側鋼板，這兩個待優化環節的相互影響較小，即耦合作用可以忽略。這對后續的優化十分有利。可也分別解決最大等效應力的減小問題和振動響應情況的調整問題，而不用考慮，在優化這一方的同時，會對另一方有不利影響。

在后續優化中，減小最大等效應力，可通過調整底部圓角的半徑來實現，而且這對結構的振動響應情況影響較小。調整振動響應情況，可以通過調整兩外側鋼板的造型來實現，還可以盡量減小其對應力分布的影響。

2 拓撲優化及參數化建模

根據強度分析的結果，初步提出了優化可以考慮的環節。在對結構造型進行調整之前，再利用拓撲優化，確定具體的調整方案。如圖4所示是以減少50%質量為目標的拓撲優化分析結果。左圖為原始結果，右圖為可移除單元的分布情況。可以看出，兩個外側鋼板，中間水平鋼板，底部后橫梁，都是可優化處理的結構。但是，其中的中間水平鋼板應該保留。整體結構中，只有頂部與中部兩組水平鋼板。在考慮強度問題的同時，還要考慮保持結構的剛度水平，以及不惡化結構的振動響應情況。中間水平鋼板對增強結構的剛度十分重要，不可去掉。若對其進行開孔等工藝，盡管既能保證剛度性能，又能減少質量。但是會增加工藝難度，增大成本。因此，綜合考慮各方面因素，中間鋼板保持不變。

圖4 50%拓撲優化結果

考慮拓撲優化結果中的兩外側鋼板，需要結合模態分析的結果，即兩外側鋼板響應劇烈。同時，考慮到兩外側鋼板有圓形開口，容易出現應力集中。因此確定，將兩外側鋼板作為外形的調整對象。由模態分析看出，前2階主振型屬于側向振動。從結構方面考慮，主要是去掉兩個外側鋼板，新增兩個肋板，可有效減小側向振動的響應情況。其他相關結構如水箱支撐結構等，只需要做細小的調整。從加工方面考慮，肋板相對于兩外側鋼板，減少了圓形開口這道工藝，其他方面加工難度基本相同。從結構復雜程度及加工難度上，外側鋼板調整為肋板，不僅可節省成本，同時還解決了兩外側鋼板側向振動響應過于敏感的問題。其對應力的分布影響，需要在后續優化工作中研究。

表2 參數設置

考慮拓撲優化結果中的底部后橫梁結構，需要結合靜力學分析的結果，即在前支撐的底部梁結構的圓角處，出現最大等效應力。由于前支撐與減速器、副車架的裝配關系不宜輕易調節，因此前支撐的底部梁結構的外部的高、寬尺寸應該保持不變。針對以上情況，將前支撐的底部梁結構的圓角半徑作為優化參數。

圖5 參數化模型

綜合前面的分析結果，最終確定參數化模型包含3個參數，即底部圓角半徑R，兩側肋板所在平面與豎直面的角度A，兩側肋板側邊線與底邊線的角度B，參數化模型的網格模型如圖5所示，網格比較均勻，為后續優化提供了保證。各個參數如表2所示，其中參數的變化范圍是根據經驗設定。

3 尺寸優化

利用ANSYS軟件的多目標驅動優化模塊，對參數化模型進行優化。結構質量M的目標設置為尋找最小值。最大等效應力P的目標設置為小于許用應力[σ]。

優化求解得到的最優參數如表3所示，即底部圓角半徑32mm，兩肋板所在平面相對于豎直平面向后旋轉2°，兩肋板側邊線相對于底邊線的角度68°。最大等效應力由283MPa減小到262MPa，減小了7.5%，安全系數增大到1.3。質量由187Kg減小到162.4kg，質量減少了13%。

表3 最優參數

4 結論

前支撐作為混凝土攪拌運輸車的關鍵受載部件，其現有結構過于笨重。利用ANSYS軟件的靜力學分析模塊、模態分析模塊、拓撲優化模塊和多目標驅動優化模塊的聯合仿真，以在不平路面上制動的綜合工況作為分析基礎，對混凝土攪拌運輸車的前支撐的結構質量、最大等效應力以及振動響應情況進行優化。本次優化中，調整了振動響應最敏感部位的結構，減小響應程度；結構質量與最大等效應力同時降低，使前支撐性能全面提升。

[1]董中澤.混凝土攪拌車行業發展問題分析[J].科技致富導向,2010(07上),124-166.

[2]趙加清,劉倩,王增全.混凝土攪拌車前后支架拓撲及尺寸優化設計[J].機械設計與制造,2010(7):27-29.

[3]王海英.水泥混凝土輸送泵車結構優化設計[J].長安大學學報(自然科學版),2004,24(1):88-91.

[4]夏宇輝.基于有限元法的攪拌車主副車架結構拓撲優化設計[D].武漢:武漢理工大學,2009:3-7.