混凝土噴漿車轉臺結構輕量化優化分析

張淑君，孫武和，喬彬

（1.徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州221004；2.吉林大學機械科學與工程學院工程結構研究所，長春130025）

0 前言

混凝土噴漿車是利用高壓風將含有液態速凝劑的混凝土噴射到施工面，完成濕噴工藝的一種施工設備。近幾年，隨著國家加大鐵路、公路等隧道項目建設，混凝土噴漿車在該施工領域也得到廣泛應用[1]。

噴漿車除了底盤、泵送系統、空氣系統和速凝劑系統等功能部分外，整機結構主要分為上下車兩大部分，而轉臺在其中承接著連接上車臂架系統和下車底架結構的作用，如圖1 所示，其結構主要由立板、底板、圍板、支撐板、彎板、隔板、貼板等件拼焊而成。

圖1 轉臺結構

結構整體截面不規則，應用傳統解析法很難計算出結構的剛度及強度值，故本文應用ANSYS 軟件（Design Opt）優化模塊，對結構各板厚進行優化，最終得到板厚的整數最優解，通過減小各板厚度進而達到結構輕量化目的[2]。

1 有限元模型

選取我公司某型號混凝土噴漿車轉臺為研究對象，對轉臺結構三維模型進行中面提取和幾何處理，再劃分網格，添加相關約束和載荷，如圖2，最后應用ANSYS 軟件對其進行有限元計算[2]。

圖2 有限元模型圖

本文利用有限元多種單元類型的特點，針對不同部件采用不同單元類型：

（1）各種板件：采用SHELL181 殼單元模擬；

（2）銷軸：采用BEAM188 梁單元模擬；

（3）銷軸與轉臺孔連接處：采用LINK180 桿模擬。

2 計算工況

轉臺承受的載荷主要是垂直載荷及彎矩，其中：垂直載荷為臂架結構自重、混凝土重量及噴射反力；彎矩：上述垂直載荷對轉臺的彎矩，隨著轉臺上部所連接的臂架系統處于不同變幅角度（即臂架處于不同姿態時），轉臺結構所受的彎矩不盡相同。當臂架系統水平全伸，且噴射反力向下時，上車臂架系統對轉臺結構的彎矩是最大的，故本文對轉臺結構的優化計算，采用此種工況，如圖3 所示。

圖3 計算工況圖

3 約束、載荷

3.1 約束

對轉臺結構底座外圈進行移動約束，兩個鉸點銷軸進行轉動約束，結構約束如圖4。

圖4 轉臺結構約束圖

3.2 載荷

由力及力矩平衡方程，可求得上車臂架結構對轉臺結構的作用力，其作用力大小及方向，如圖5 所示。

圖5 轉臺結構載荷圖

3.3 材料及性能

部件材料及性能如表1 所示。

表1 部件材料及性能表

許用應力值計算公式：

n 為安全系數，參見有關設計規范，這里取1.33[3]。

3.4 計算結果

由計算結果可知：

轉臺結構最大位移出現在頂端位置，位移值為0.7 mm，這是因為頂端位置相當于結構的懸臂梁自由端，進而發生結構最大位移。

最大應力為231 MPa，出現在下鉸點支撐立板的尖點處，為應力集區域。最大位移與最大應力都小于企業制定的相關設計值（圖6、圖7），故，初始設計結構有一定的冗余，有進一步優化的空間。

圖6 結構最大位移云圖

圖7 結構最大應力云圖

4 優化計算及結果

4.1 優化設置

在該結構優化設計中，取如圖8 所示中的8 塊板件的板厚為設計變量，如圖9～圖11，以轉臺允許的最大位移和最大應力兩個參數為約束條件，把轉臺結構的總重量（總體積）最小作為目標函數，擬通過優化減小各板厚度以達到減輕轉臺結構重量的目的。

圖8 結構優化設計變量（板厚）圖

圖9 設計變量范圍及容差圖

圖10 約束條件及容差圖

圖11 目標函數及容差圖

優化要求：結構總體積最小。

容差值為程序自動給出，約為原結構總體積1%。

4.2 優化計算結果

如圖12～圖14，對該結構進行優化計算。

圖12 迭代優化結果圖1

圖13 迭代優化結果圖2

圖14 迭代優化結果圖3

本次優化共進行53 次迭代計算，其中，第34 次迭代結果為板厚非整數最優解，進行板厚的圓整，得到各板優化前后厚度參數的對比表，如表2 所示。

表2 優化前后各板厚度對比表

通過對比可知，通過優化計算后，各板厚度都有不同程度的減小，從而整體結構重量也相應有所減輕。

4.3 板厚優化減小后的校驗計算

將轉臺各板厚調整到優化減小后的數值，再次加載相同約束和載荷進行計算（圖15、圖16）。

圖15 轉臺結構位移云圖

圖16 轉臺結構應力云圖

由優化后計算結果可以看出，結構最大位移、最大應力都趨向于約束條件的最大限值，即趨向于滿剛度、滿應力優化。

優化前后整個結構體積及重量差值對比如表3所示。

表3 結構板件體積及重量對比表

通過前后重量差值可得，減重百分比：

4.4 優化曲線

目標函數隨著迭代進行，呈現逐步減小，且趨向于收斂于某個定值。

總體積VOLUME 隨迭代次數N 的變化關系如圖17～20 所示。

圖17 總體積隨迭代次數變化曲線圖

圖18 最大位移隨迭代次數變化曲線圖

圖19 最大應力隨迭代次數變化曲線圖

圖20 部分板件隨迭代次數變化曲線圖

4.5 結果分析

本轉臺結構各板厚的設計變量隨優化迭代的進行，趨向于某個定值，這個定值是我們給定的設計變量的下限，說明該結構還是有一定可靠性余量的。

通常，設計變量上下限是因人而異給定的，跟經驗值有很大關系，而程序迭代計算總是趨向于有利減輕結構總重量的，所以，設計變量并不一定是收斂于上下限，該結果就是最終的優化結果。

結構的約束條件范圍比較關鍵，因為這個限制范圍直接關系到優化結果的可靠性。

各板厚都有不同程度減薄，結構位移和應力都有所增加，結構重量也減少，已經達到了提升材料利用率以及輕量化目的。

5 結論

（1）首先，通過對原轉臺結構的剛度、強度計算，得到結構最大位移值0.7 mm，最大應力值231 MPa，遠小于企業的相關標準，結構可靠性余量較大；

（2）采用ANSYS 軟件優化模塊，以結構總重量（總體積）最小為目標函數，剛度、強度允許最大值為約束條件，對轉臺結構8 塊板厚進行優化計算，經過53 迭代計算，通過減小板厚，得到本次優化板厚圓整最優解，得到優化后的位移值1.2 mm，應力值377 MPa，均滿足要求；

（3）經優化計算，通過減小各板厚度，結構質量減少26.62%，達到提升材料利用率以及結構輕量化目的[4]。優化后的轉臺結構已在新車上應用，其重量輕，應力及應變均滿足使用工況要求。