軌輪式混凝土輸送車攪拌筒有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭年琴+林通

摘要：針對(duì)攪拌筒在工作過(guò)程中存在前端板與前錐段焊接部位焊縫開裂及支撐托輪破壞等問(wèn)題，利用有限元分析軟件ANSYS與Workbench對(duì)攪拌車制動(dòng)和卸料工況進(jìn)行了靜力分析，得出了2種工況下攪拌筒的受力和變形規(guī)律，找出了攪拌筒結(jié)構(gòu)的薄弱部位。以攪拌筒質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)和主要尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果選出了較為理想的攪拌筒尺寸。優(yōu)化后的筒體總重量降低了14.02%，強(qiáng)度和剛度均得到了提高，解決了軌輪式混凝土輸送車攪拌筒焊縫開裂及支撐托輪破壞等問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、降低制造成本具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混凝土輸送車；攪拌筒；優(yōu)化設(shè)計(jì)；靜力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：U457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to find out the causes of supporting roller damage and weld cracking at the position of front panel and front cone in mixing drum， statical analysis of the working process of braking and unloading was conducted by using the software of ANSYS Workbench. According to the simulation， the rule of force and deformation in different cases was obtained， and the weakest spot of the mixing drum was found. Taking the body mass as objective function， the main dimensions and structure were optimized. Compared with original design， the mass of mixing drum was reduced by 1402%. The simulation results show that the optimization could improve the structural strength and stiffness， solve the problems such as weld cracking and supporting roller damage. Research results provide reference for structural improvement design and help to reduce the manufacturing cost.

Key words： concrete mixing truck； mixing drum； optimization design； statical analysis

0引言

軌輪式混凝土輸送車是一種特殊的混凝土運(yùn)輸車，其工作原理與普通的混凝土運(yùn)輸車基本相同，利用電機(jī)車牽引的軌輪式混凝土運(yùn)輸車有效地解決了隧洞井巷內(nèi)部混凝土運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。攪拌筒是混凝土攪拌車的核心部件，它既是攪拌車運(yùn)送混凝土的裝載工具，也是攪拌混凝土的工作裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著工程質(zhì)量的好壞[12]。在運(yùn)行過(guò)程中，攪拌筒不但要承受來(lái)自混凝土質(zhì)量造成的彎矩，而且還有來(lái)自攪拌筒回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩和攪拌筒內(nèi)部的混凝土運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在沿?cái)嚢柰草S線和周線方向的作用力。實(shí)際使用過(guò)程中，攪拌筒存在前端板與前錐段焊接部位焊縫開裂及支撐托輪破壞等問(wèn)題[3]。為保證攪拌筒的正常運(yùn)行，有必要對(duì)易失效零件進(jìn)行有限元分析，并針對(duì)其失效原因改進(jìn)結(jié)構(gòu)以延長(zhǎng)使用壽命。

1攪拌筒結(jié)構(gòu)介紹

本文以某公司生產(chǎn)的2 m3軌輪式混凝土攪拌車為研究對(duì)象，攪拌筒的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。筒體由前錐段、圓柱段和后錐段焊接而成，在后錐段焊有滾道。三點(diǎn)支撐的攪拌筒以傾斜16°的形式放置在副車架上，可以繞其軸向旋轉(zhuǎn)。攪拌筒內(nèi)對(duì)稱焊接了2條變螺距攪拌葉片，攪拌筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以使攪拌葉片帶動(dòng)筒內(nèi)混凝土實(shí)現(xiàn)攪拌及卸料等工作[4] 。

2攪拌筒有限元分析

2.1幾何模型的建立

攪拌筒內(nèi)部對(duì)數(shù)螺旋線造型復(fù)雜，在ANSYS軟件中建模效率不高，因此本文采用Solidworks軟件建立模型。建立實(shí)體模型時(shí)，在如實(shí)反映攪拌筒結(jié)構(gòu)受力的前提下，盡可能簡(jiǎn)化其模型[5]。本文對(duì)模型做如下處理：將筒體的三段焊接件視為整體部件，對(duì)法蘭盤上的螺栓孔和人孔進(jìn)行簡(jiǎn)化，壓縮圓角和倒角等特征，以提高軟件進(jìn)行計(jì)算的速度。模型建立完成后從Solidworks軟件中導(dǎo)入Workbench中的Design Modeler，完成實(shí)體模型元的建立。

2.2攪拌筒的有限元模型

攪拌筒有限元分析利用ANSYS軟件，根據(jù)有限元法對(duì)攪拌筒進(jìn)行靜力學(xué)分析。攪拌筒的有限元模型需要設(shè)置攪拌筒材料屬性、選擇實(shí)體單元、劃分網(wǎng)格、確定邊界條件及加載載荷等。

（1） 材料屬性。攪拌筒采用16Mn鋼，其彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=03，密度ρ=7 800 kg·m-3。

（2） 實(shí)體單元。為提高計(jì)算速度，在保證計(jì)算精度的情況下對(duì)筒體、攪拌葉片按三維殼單元（solid63）劃分，其他各單元按實(shí)體單元（solid45）劃分。

（3） 網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格單元長(zhǎng)為30 mm。為了更好地反映攪拌筒真實(shí)的受力情況，對(duì)各零件連接處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理[6]，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。該模型共有節(jié)點(diǎn)54 866個(gè)，單元25 063個(gè)。

（4） 邊界條件。根據(jù)攪拌筒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況確定模型的邊界條件，設(shè)置支撐托輪和法蘭內(nèi)端面可繞軸向旋轉(zhuǎn)，支撐托輪與滾動(dòng)軸成接觸的內(nèi)壁支撐類型為“Frictionless support”，法蘭盤與減速器連接部位表面支撐類型設(shè)置為“Cylindrical support”。各零件之間接觸類型設(shè)置為“bonded”。

（5） 載荷。由于攪拌筒實(shí)際工作中的工況不同，混凝土對(duì)攪拌筒內(nèi)壁的作用力也不一樣。本文按2種典型工況下的載荷情況進(jìn)行有限元模型的靜力學(xué)分析。

2.3不同工況下的攪拌筒的有限元分析

（1） 制動(dòng)工況。此工況下的約束條件是支撐托輪和法蘭盤可沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，約束其他方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。在制動(dòng)時(shí)，攪拌筒轉(zhuǎn)速較小，所以攪拌筒壁的轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)，攪拌筒本身的重力G1和混凝土重力G2如下

G1=M1g（1）

G2=M2g=ρVg（2）

式中：M1為攪拌筒的質(zhì)量；M2為混凝土的質(zhì)量；ρ為混凝土的密度，取2 400 kg·m-3；V為攪拌筒的有效裝載體積。

在制動(dòng)過(guò)程中攪拌筒前端板及部分葉片受到混凝土運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力。由生產(chǎn)廠家提供輸送車的最大速度Vmax=10 km·h-1、停車時(shí)間t=1 s。則根據(jù)Vmax=at2/2可得慣性力Fa如下

攪拌筒筒體與水平面夾角為16°，混凝土重力可分解為垂直作用于攪拌筒內(nèi)壁F1及對(duì)前端板的力F2

F1=G1cos 16°（4）

F2=G2sin 16°（5）

所受的載荷在Workbench中均以Force形式垂直施加在受力表面，攪拌筒重力以重力加速度形式加載，取g=9.8 m·s-2，方向沿Y軸負(fù)方向。具體載荷施加情況如表1所示。

通過(guò)計(jì)算得出攪拌筒在制動(dòng)工況下變形和應(yīng)力的分布規(guī)律。攪拌筒變形情況如圖3所示，攪拌筒最大位移為4128 7 mm，位于前錐與前端板的連接處。攪拌筒所受應(yīng)力情況如圖4所示，最大的應(yīng)力為21297 MPa，位于滾道與支撐托輪的接觸處。此外，法蘭盤與減速機(jī)連接處也受到較大的應(yīng)力，為12936 MPa。模擬的結(jié)果與實(shí)際失效情況一致。

（2） 卸料工況。此工況下約束條件和載荷情況與制動(dòng)工況基本相同，但沒(méi)有來(lái)自混凝土產(chǎn)生的慣性載荷作用。卸料時(shí)攪拌筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為10 r·min-1，此時(shí)減速機(jī)傳遞的轉(zhuǎn)矩為18 000 N·mm，轉(zhuǎn)矩施加在法蘭盤上[7]。其他載荷加載方式與制動(dòng)工況相同。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出卸料工況下的變形和應(yīng)力分布情況。變形情況如圖5所示，最大變形位于前錐與前端板連接處，變形量為3.557 5 mm。等效應(yīng)力分布情況如圖6所示，最大應(yīng)力位于法蘭盤與減速器連接處，為14785 MPa，同時(shí)前端支撐托輪與滾道接觸處也有較大應(yīng)力。

2.4結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析的結(jié)果可知，在攪拌筒處于制動(dòng)工況下受到的最大等效應(yīng)力為212.97 MPa。最大變形量為4128 7 mm。根據(jù)材料屬性可知16Mn鋼的屈服應(yīng)力σs=345 MPa，由于軌道式運(yùn)輸車運(yùn)行較為平穩(wěn)，取安全系數(shù)ns=1.5 ，此時(shí)許用應(yīng)力[σ]為

[σ]=σsns（6）

制動(dòng)工況的最大等效應(yīng)力接近其許用應(yīng)力，且攪拌筒在實(shí)際工作中也驗(yàn)證了該處為零件的力學(xué)薄弱處。卸料工況下的最大應(yīng)力為147.85 MPa，和許用應(yīng)力相比，較為安全。但法蘭盤與減速機(jī)的連接處受到因減速機(jī)引起的交變載荷的影響，法蘭盤容易失效。

3筒體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1優(yōu)化模型的前處理

根據(jù)上述對(duì)攪拌筒的有限元分析，獲得其結(jié)構(gòu)變形及等效應(yīng)力分布情況，可對(duì)攪拌筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)對(duì)模型做如下處理：一是在前端板與前錐段內(nèi)壁連接處增加6條三角加強(qiáng)筋，沿圓周均勻焊接，增大攪拌筒在前錐段與前端板焊接處的強(qiáng)度；二是將模型中的尺寸格式更改為能被Workbench軟件識(shí)別的“DS_XX”尺寸格式。按照改進(jìn)后的攪拌筒結(jié)構(gòu)重新建立模型，利用目標(biāo)優(yōu)化工具對(duì)攪拌筒尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

3.2確定設(shè)計(jì)變量及優(yōu)化范圍

由于軌輪式混凝土輸送車是一種特殊的運(yùn)輸工具，工作環(huán)境受到運(yùn)輸軌道寬度、礦井隧道高度等限制，因此其長(zhǎng)度和寬度等幾何參數(shù)按照工作要求確定，不能隨意修改。本文通過(guò)優(yōu)化攪拌筒各錐段厚度及易失效零部件的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)攪拌筒輕量化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)變量初始值及范圍如表2所示。

3.3約束條件的確定

（1） 根據(jù)材料的屬性確定其最大應(yīng)力不大于材料的許用應(yīng)力，即σmax≤[σ]。

（2） 攪拌筒壁厚的約束條件為d≥5 mm。

（3） 攪拌筒壁在最大工作載荷下的變形量Δ，約束條件為Δ≤6 mm。

3.4目標(biāo)函數(shù)的確定

攪拌筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化追求以最輕的工作裝置質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的良好工作狀態(tài)，即輕量化設(shè)計(jì)[8]。目標(biāo)函數(shù)F（x）為

F（x）=min[m（x）]（7）

式中：m（x）為攪拌筒的質(zhì)量；x為設(shè)計(jì)變量。

3.5優(yōu)化結(jié)果

本文采取多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)攪拌筒進(jìn)行優(yōu)化，載荷和約束情況與制動(dòng)工況一致[9]。經(jīng)過(guò)計(jì)算后選取15組優(yōu)化結(jié)果，如表3所示。

3.6優(yōu)化結(jié)果分析

由表3可知，優(yōu)化結(jié)果中質(zhì)量較小的為第9組和第13組數(shù)據(jù)，分別為708.01 kg和720.07 kg。由于第9組最大等效應(yīng)力為230.59 MPa，超過(guò)了材料的許用應(yīng)力，所以根據(jù)輕量化目標(biāo)的要求，選取第13組為最佳優(yōu)化結(jié)果，圓整后的優(yōu)化尺寸如表4所示。

按照?qǐng)A整后的尺寸進(jìn)行模型再生，對(duì)再生的模型進(jìn)行制動(dòng)工況下的靜力學(xué)有限元分析，分析結(jié)果與原設(shè)計(jì)結(jié)果的對(duì)比如表5所示。

由表5可以看出，優(yōu)化后的攪拌筒質(zhì)量從82688 kg降為710.93 kg，降幅為14.02%；最大等效應(yīng)力從212.97 MPa降為168.68 MPa，降幅為2079%；攪拌筒應(yīng)變量從4.128 7 mm降為3.413 4 mm，降幅為17.33%。因此可以確定優(yōu)化后的攪拌筒不僅減輕了整體質(zhì)量，并且強(qiáng)度和剛度也得到了提高，特別是增加了支撐托輪的使用壽命，這在改進(jìn)設(shè)計(jì)后的實(shí)際使用過(guò)程中得到了驗(yàn)證。

4結(jié)語(yǔ)

（1） 針對(duì)原混凝土攪拌筒工作過(guò)程中易出現(xiàn)的前端板與前錐段焊接部位焊縫開裂及支撐托輪破壞等問(wèn)題，進(jìn)行了有限元靜力分析。找出了2種典型工況下原攪拌筒的受力和變形規(guī)律，分析試驗(yàn)結(jié)果可知原攪拌筒軸向剛度不足。

（2） 以質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，采用Workbench有限元軟件對(duì)攪拌筒進(jìn)行了尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后，攪拌筒減重1402%，最大變形量降低了1733%，最大等效應(yīng)力降低了2079%。從輕量化、剛度、強(qiáng)度等方面綜合考慮，攪拌筒的尺寸優(yōu)化取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉永，劉衛(wèi)生，喬光輝，等.車載復(fù)合材料混凝土攪拌筒筒體的有限元分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013（3）：8992.

[2]程書良，姚莉莉，李全勤.混凝土攪拌運(yùn)輸車攪拌筒設(shè)計(jì)概述[J].建筑機(jī)械化，2002，23（1）：3840.

[3]肖弦，唐衛(wèi)東.攪拌筒破壞原因的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2006，10（5）：9698.

[4]于世旭，儀垂杰，郭健翔，等.混凝土攪拌車攪拌總成建模及仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（1）：79.

[5]丁成業(yè)，羅述詳.傳動(dòng)滾筒的有限元分析及優(yōu)化[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28（12）：9093.

[6]王艷，徐信芯，焦生杰.旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2013，30（5）：97101.

[7]張國(guó)忠，王福良，周淑文.現(xiàn)代混凝土攪拌輸送車及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006.

[8]汪海朋.輕量化設(shè)計(jì)在混凝土攪拌運(yùn)輸車上的應(yīng)用[J].商業(yè)汽車，2013（8）：100105.

[9]張飛飛，任潔雨，張建，等.基于有限元法的某混凝土攪拌車輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2014，36（4）：560565.

[責(zé)任編輯：高甜]