攪拌運輸車前支架的優化設計研究

朱志輝，陳晨，王金剛

（1.河北工業大學后勤管理處，天津 300130；2.河北工業大學機械學院，天津 300130）

攪拌運輸車前支架的優化設計研究

朱志輝1，陳晨2，王金剛2

（1.河北工業大學后勤管理處，天津 300130；2.河北工業大學機械學院，天津 300130）

攪拌運輸車是商用混凝土運輸的理想工具．為了運輸安全起見，我國設計的混凝土攪拌運輸車往往存在著結構偏重、整體剛度過大的缺陷，增加了制造成本和使用成本．為了解決該問題，首先，建立了某攪拌車前支架的三維模型，對彎曲、彎扭、剎車、轉彎四種工況進行了有限元分析和拓撲優化設計；然后，根據拓撲優化結果，對前支架進行了結構的再設計、有限元分析和尺寸優化研究．研究結果表明，在基本不損失其剛度和強度的前提下，結構質量減輕了18%，減重效果顯著，為降低生產成本和使用成本奠定了基礎．

混凝土攪拌運輸車；前支架；有限元；拓撲優化；尺寸優化

0 引言

混凝土攪拌運輸車具有服務性強、專業性強、時間性強、運途相對較短等特點，是商用混凝土最為理想的專用運輸工具[1]．我國混凝土攪拌運輸車市場需求潛力巨大，但同國外相比，技術上還有一定的差距，主要表現在整體剛度過大、結構偏重等方面，增加了制造成本和使用成本[2-6]．因此，使用現代先進的設計技術研究攪拌車前支架的優化問題是非常必要的．

1 前支架的優化設計研究

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用HyperMesh讀取了幾何模型；對其抽取中面和幾何清理；用四邊形shell單元對其進行離散并設置單元厚度屬性；對單元質量進行檢查并定義其材料特性參數；約束前支架下墊板上所有節點的6個自由度，載荷施加在減速器受力中心節點處，應用RADIOSS解算器對攪拌車前支架進行有限元分析，用Hyperview后處理器對計算結果進行提取．4種典型工況的應力和位移云圖如圖1所示．

從有限元分析結果可知，在彎曲、彎扭、剎車、轉彎這4種工況中，攪拌車減速器受力中心點的最大位移為0.348mm，出現在剎車工況中；攪拌車前支架的最大應力為93.277MPa．這遠遠小于攪拌車前支架材料（16MN）的屈服強度345MPa．由此看見，很有必要對其進行優化研究．

圖1 攪拌車前支架優化前各工況有限元分析結果Fig.1 Finite elementanalysisof the agitating lorry frontsupportbefore optim ization

1.2 前支架的拓撲優化

優化區域為除去前支架上面板和下墊板以外所有的區域，受力中心的總位移設定為小于0.4 mm[7]，強度安全系數取為1.5，優化目標為體積最小——質量最輕．為提高優化迭代的準確性和優化結果的可借鑒性、可制造性，選取懲罰因子的值為4，單元最小密度值為0.01，目標函數收斂容差設定為0.005．優化區域進行對稱約束．

經過11次迭代運算后目標函數收斂．應用Hyperview讀取優化設計結果（如圖2、圖3），取單元閥值為0.3．

分析拓撲優化結果，發現前后面板材料可以刪除，側面板材料冗余，攪拌車前支架的優化空間還是很大的．

圖2 攪拌車前支架拓撲優化結果（正面）Fig.2 Topology optim ization resultof front support（Heads）

圖3 攪拌車前支架拓撲優化結果（背面）Fig．3 Topology optim ization result of front support（Tails）

圖4 結構再設計前后攪拌車前支架幾何模型的對比Fig.4 Contrast re-design structure and initial structure of front support

2 前支架的結構再設計及其優化

2.1 前支架結構再設計

根據拓撲優化結果，以不增加制造難度為前提，對攪拌車前支架進行結構再設計．圖4為結構再設計前后攪拌車前支架幾何模型的對比．

根據拓撲優化結果，將左右側面板材料冗余部分做了掏空處理；對前后面板做了大面積的材料刪減．由于再設計趨于保守，經過結構再設計的攪拌車前支架的質量比原設計方案減少11%．

2.2 前支架再設計結構的有限元分析

載荷和邊界條件都不變，對拓撲優化后再設計的攪拌車前支架進行有限元分析．各工況分析結果如圖5所示．

由圖5可知，拓撲優化后再設計的攪拌車前支架4種工況最大位移為0.37mm，最大應力為152.99MPa，遠小于其材料的屈服強度345MPa．無論從剛度還是強度上都符合攪拌車前支架的靜力學性能要求．

圖5 攪拌車前支架拓撲優化后各工況有限元分析結果Fig.5 Finiteelementanalysis of theagitating lorry front support after topology optim ization

2.3 前支架再設計結構的尺寸優化

再設計的前支架結構仍有優化的潛質，用尺寸優化技術對其進行再次優化，力求在滿足力學特性要求的前提下質量最輕．

優化目標：不同工況下的結構總體積最小（也就是總質量最小）；優化變量：將前支架各焊接件鋼板（上面板、前后面板、前后加強板、側面板、下墊板）厚度作為優化變量，根據每部分鋼板原設計方案厚度，并上下給定浮動范圍，也就是在尺寸優化計算迭代過程中，各設計變量的值在此區間內變動，最后得到最佳厚度尺寸；約束條件：應用剛度約束，減速器受力中心點在4個工況下的總位移均不超過0.4mm．提取尺寸優化結果文件如圖6所示．圖中的不同顏色表示不同的厚度尺寸．根據尺寸優化結果，對攪拌車前支架各焊接件的厚度進行重新設計，優化前后各焊接件的厚度變化如表1所示．

由于前后面板和側面板在前面的拓撲優化中已經進行了重新設計，所以在此次尺寸優化中，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；左右兩側的加強板根據尺寸優化的結果也進行了減薄處理．由于優化設計的前提是保證目標部件的工作性能，尺寸優化以后攪拌車前支架減重7%．

載荷和邊界條件保持不變，對尺寸優化后各部件厚度尺寸再設計后的攪拌車前支架進行有限元分析，尺寸優化鋼板厚度再設計后的攪拌車前支架在4種工況最大位移為0.399 9 mm，最大應力為159.8 MPa．滿足其力學特性要求．

表1 攪拌車前支架各零件尺寸再設計前后厚度對比Tab.1 Contrast redesign thicknessand initial thickness

圖6 攪拌車前支架結構再設計后尺寸優化結果Fig.6 Size optim ization result after re-design of frontsupport

3 結論

在對原設計的攪拌車的前支架進行了建模和有限元分析的基礎上，進行了拓撲優化和尺寸優化研究．根據拓撲優化結果，去掉了冗余的材料并對前支架進行了結構再設計和尺寸優化，對鋼板進行了減薄處理．在滿足其強度和剛度要求的前提下，前支架的質量減輕了18%，減重效果顯著．總體來說，攪拌車前支架的優化設計是成功的，在基本不損失其剛度和強度的前提下，減小了其質量．達到了優化設計的目的．

[1]謝開泉．我國混凝土攪拌運輸車市場情況分析及預測[J]．專用汽車，2007（4）：12-14．

[2]劉鳳波．混凝土攪拌運輸車前懸架系統設計[J]．遼寧農業職業技術學院學報，2014，16（4）：18-21．

[3]董志明，姚樹軍，白篤．混凝土攪拌運輸車副車架和后支撐結構優化設計[J]．工程機械，2010（5）：26-29．

[4]趙鵬，焦登鑫．混凝土攪拌運輸車副梁受力分析與結構優化[C]//四川省第九屆汽車學術交流年會，2009．

[5]劉宇，張生芳，宋雪萍，等．動力平板車車架結構的拓撲優化設計[J]．中國工程機械學報,2014，12（1）：34-37．

[6]關麗坤，張凱，張鑫宇．混凝土攪拌車車架的有限元分析[J]．中國重型裝備，2009（1）：23-26．

[7]趙加清，劉倩，王增全，等．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．

[責任編輯 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），實驗師．