水泥裝車機機架有限元靜力學分析

鄧援超，趙黎明，王雪梅，周謨林

水泥裝車機機架有限元靜力學分析

鄧援超1，趙黎明1，王雪梅2，周謨林1

（1湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢430068；2湖北省質量技術監督局行政許可技術評審中心，湖北武漢430068）

為了保證裝車機在不同工況下的工作性能，針對水泥裝車機在工作過程中的幾種典型工況，對裝車機機架進行基于有限元的靜力學分析，以了解機架在不同工況下變形和應力分布情況，為裝車機機架的設計與改進提供理論依據。

水泥裝車；有限元；機架；靜力學分析

水泥裝車機以懸置式的方式工作，工況復雜多變，因而對其中關鍵零部件工作性能要求較高［1－2］。主機機架作為整個裝車機的重要承載結構，其工作時承受著各種類型的復雜載荷，對整個裝車機性能的優劣有著非常重要的影響。

1 水泥裝車機主機方案

根據水泥裝車機各部分功能的不同，可以把裝車機劃分為四大部分：水泥輸送裝置、Y軸Z軸運動裝置、水泥分配平臺和碼垛裝置。其總體機構示意圖如圖1所示，本文所研究的對象就是水泥分配平臺機架［3］。

圖1 裝車機總體結構示意圖

2 有限元模型的建立

本課題中水泥裝車機機架［4］主要由Q235槽鋼采用焊接的方式加工而成。Q235材料屬性如表1所示。

表1 Q235材料屬性

機架總長3300mm，總寬2800mm，機架總質量約為500kg。建立正確合理的裝車機機架模型是進行有限元分析與設計的關鍵。一個好的有限元模型可以真實地反映出原設計的數學模型，使得后期的分析設計結果更加準確，結果更加逼近真實性。考慮到裝車機機架上面的安裝孔位比較多，結構比較復雜，在建立裝車機機架的有限元模型時做了一定的簡化，其簡化遵循以下幾個主要原則。

1）對于裝車機機架中較小的圓角、倒角等進行了簡化，這些小的細節不會對機架的整體受力產生太大的影響。保留對結構影響較大的加工孔位，對于結構突變較大的地方必須保留原有的細節，以得到較為準確的仿真結果。

2）將機架上裝飾性的設計和連接部件忽略掉，這樣可以提高建模效率，又可以使得整個模型簡潔美觀。

2.1 網格劃分

劃分網格時，要選擇合適的單元形狀和大?。?］。常見的單元類型有四面體單元、六面體單元等。單元體的大小根據實際情況而定，單元越小，劃分得越細，計算精度就越高，但是所需計算時間也越長，所以在劃分網格的時候，在保證計算結果準確性的前提下，單元格選擇大一點。在必要的應力集中部位，可以采用較小幾何尺寸單元，使單元劃分得密一些，當單元大小不一樣時，要逐漸過渡。在該機架中采用的是四面體網格。四面體網格的優點是可以施加于任何幾何體并且可快速、自動生成，在關鍵區域容易使用曲度和近似尺寸功能自動細化網格以利于進行邊界識別，邊界層有助于法向網格的細化。本文中得到的機架網格劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分圖

2.2 載荷施加和邊界條件

裝車機機架懸置式安裝，受到的載荷主要有碼垛裝置的壓力、水泥包釋放閘門裝置的壓力、皮帶機的重力作用，還有機架自身的重力作用。在不同工況條件下，機架所受載荷的位置不同。

3 機架的有限元結果分析

3.1 普通工況下結果分析

對上述機架的有限元模型進行求解后，得到了水泥裝車機機架的應力（Stress）云圖（圖3）和變形（Deformation）云圖（圖4）。

圖3 普通工況下機架應力云圖

由圖3可以看出，機架較大的應力區域主要集中在機架的中間橫梁上面和幾個機架與升降裝置的連接區域，最大值約為176.5MPa。該區域是載荷集中區域，容易出現應力集中，從而導致機架的破壞。在機架的其他承受載荷區域，大部分區域應力值處于20～100MPa。由水泥裝車機機架材料的力學性能可知，機架的屈服極限為235MPa，機架的最大應力值小于材料的屈服極限。

圖4 普通工況下機架總變形云圖

由圖4機架總變形云圖可以看出，機架的最大變形量大約為2.5mm，其中最大變形發生在機架兩個側邊梁和其中一根橫梁上面，最大變形量2.5mm。分析結果表明，機架中間連接橫梁和側面橫梁局部存在剛度不足問題。通過觀察還可以發現，機架側邊橫梁前段的變形量較中間部分要小，而實際情況機架前段所受到的載荷要大于中間部分。之所以出現這種情況，是因為在初始設計過程中，對機架前段的承受較大載荷部分采用了雙槽鋼疊加的設計，使得結構得到了加強。總的來說，機架的最大變形量處于一個相對較小的數值上，說明機架在普通工況下具有較優的抗變形能力。但由于裝車機實際工作中工況復雜，為了保證機架具備良好的工作性能，機架的局部剛度還有待進一步提高。

3.2 極限工況一結果分析

裝車機整體采用雙通道雙碼垛裝置同時碼垛的方式進行碼包，所以在水泥裝車機的工作過程中，存在一種極限工況，就是2個碼垛裝置同時偏置一側，而2個分配水泥包的裝置同時偏置到另一側，這樣便形成了一種極限工況。在該極限工況下，機架所受的載荷與普通工況下有所不同，對機架的強度提出更高的要求，所以對該種極限工況下的機架進行了基于有限元的仿真分析，得到的結果如圖5和圖6所示。

圖5 極限工況一下機架應力云圖

由圖5可見，機架整體情況應力值在一個較小的范圍內（20～160MPa），但局部應力最大值達到209 MPa。該值較普通工況下的應力值相比有所增大，說明該工況對機架局部應力集中部位需要要求更高。所以針對該區域，需要做結構優化處理。

圖6 極限工況一下機架總變形云圖

由圖6可見，機架的總變形最大值為2.53mm，最大變形發生的位置為機架左側橫梁的端部和右側橫梁的尾部的。其余位置的變形量在小于2mm的范圍內。該分析結果與第一代水泥裝車機在實際調試過程中機架變形的實際情況相吻合，機架變形的最大位置之所以在這兩個位置，就是由于在該工況下載荷偏置所導致的。

3.3 極限工況二結果分析

水泥裝車機的工作過程中，還存在著另一種極限工況，就是兩個碼垛裝置和兩個分配皮帶機同時偏置到一側，導致機架所受載荷位置再次發生變化。對該種極限工況下的機架進行仿真分析，得到的結果如圖7和圖8所示。

圖7 極限工況二下機架應力變化云圖

由圖7可見，機架的最大應力值為130MPa，最大應力位置在中間連接橫梁處，機架的應力是三種工況下最小的，滿足使用要求。

圖8 極限工況二下機架總變形云圖

由圖8可見，機架的總變形最大值為2.17mm，最大變形發生的位置為載荷偏置側橫梁。其余位置的變形量較小，由載荷偏置側向另一側逐漸遞減。出現該種結果也是由于載荷偏置所導致的。

4 結構優化

綜合在普通工況和極限工況下的靜力學分析結果可得，裝車機機架在普通工況下基本滿足使用要求，局部存在剛度不足的問題；在極限工況下，存在應力集中較大的區域與剛度不足的問題，因此不能完全滿足裝車機的使用要求，需要進行一定的優化與改進。

1）機架中間的變形量較大的橫梁可以采用變截面梁，在變形區域較大的區域增加梁的截面面積。

2）通過不同工況下的分析結果可以看出，在機架中存在一部分應力和變形都非常小的區域，對于這些應力較小變形不大的區域，可以減少壁厚或者減少多余的加強結構，進行輕量化設計。

3）對機架的可以進行拓撲優化，以保證強度不變的情況下減小整個機架的重量，并可以降低最大應力值，改善應力的分布狀態。

綜合以上對主機機架的改進措施，得到主機機架優化的總成方案如圖9所示。

圖9 機架優化結構

進行結構優化后的機架總質量約為300kg，優化之前的機架總質量約為400kg，質量約減少25%。

5 優化結構的驗證

為了保證優化后結構的實用性，需進一步對優化后的主機機架結構進行驗證分析。結合之前對原有機架在三種典型工況下的分析結果，選取極限工況一進行驗證分析，優化后的機架結構在極限工況一下的靜力學分析結果如圖10和圖11所示。

圖10 優化后結構應力云圖

圖11 優化后結構變形云圖

從優化后的驗證分析結果可以看出，優化結構在極限工況一下最大應力為52MPa，最大變形量為1.6 mm，可以滿足裝車機的工作要求。但進行輕量化設計后的機架總質量減少了約25%。說明改進后的機架改進方案合理，滿足實際設計要求。

6 結論

在不同工況條件下對水泥裝車機主機機架進行了靜力學分析，得出了其存在局部剛度不足問題的結論，針對該問題進行了優化設計，并對優化結構在極限工況下做了驗證分析。從優化設計的結果可以看出，主機機架質量減少了約25%。從驗證分析結果可以看出，優化后的機架變形和應力都有所改善，其大小都處于合理范圍內，滿足主機機架的工作要求。該優化方案可行，結構改進合理。

［1］ 魏兵，熊禾根.機械原理［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007.

［2］ 陳錫棟，楊婕，趙曉棟，等.有限元法的發展現狀及應用［J］.機械設計與制造工程，2010，39（11）：6－8.

［3］ 陳偉.電動汽車車架結構有限元分析與優化［D］.重慶：重慶交通大學，2012.

［4］ 白修山.半掛車車架結構有限元分析［D］.合肥：合肥工業大學，2005.

［5］ 許冠能.基于有限元的某微型車車架強度分析［J］.大眾科技，2013（5）：111－113.

The Statics Analysis of the Frame of Cement Loading Machine Based on ANSYS

DENG Yuanchao1，ZHAO Liming1，WANG Xuemei2，ZHOU Molin1
（1 School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Hubei Provincial Bureau of Quality and Technical Supervision Administrative Licensing Technology Review Center.Wuhan 430068，China）

In order to ensure the performance of loading machine under different working conditions，aiming at several typical working conditions of cement loading machine in the work process，this paper analyzes the statics finite element based on loading machine.It will help understand the frame under different conditions of deformation and stress distribution conditions，and provide a theoretical basis for the design and improvement of loading machine frame.

cement loading；finite element；frame；static analysis

TH243

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0012－03

2017－05－24

鄧援超（1963－），男，湖北孝感人，湖北工業大學教授，研究方向為機械設計及理論

趙黎明（1990－），男，湖北武漢人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為機械工程