淺談有限元分析在混凝土攪拌車攪拌筒和螺旋葉片設計中的應用

楚宇杰

(呼和浩特市機械工程職業技術學校，內蒙古 呼和浩特 010010)

1 LS-DYNA簡介

近些年有限元分析軟件得到了長足的發展，很多國家都對有限元分析軟件進行了深入研究并應用于實際生產中。其中LS-DYNA程序在求解沖壓成型、爆炸、碰撞沖擊等方面都做出了卓越的貢獻，在我們國家的運用也不斷增多。

LS-DYNA程序是由美國率先研制成功，它是一種為武器設計開發出的分析工具。采用Lagrange算法，可以對液體、熱效應、靜力、預應力、回彈力等進行綜合分析計算的有限元程序。它還可以選擇例如復合材料、土壤、玻璃、混凝土、炸藥、流體等材料，根據材料的不同還可考慮材料的溫度、黏性、失效等相關性質。LS-DYNA的應用領域很廣泛，比如制造業、航空航天業、石油工業和汽車工業等。

2 實體模型的建立

文中螺旋葉片采用直紋螺旋面組合而成，并利用三維軟件UG進行建模，旋向為左旋，那么螺旋葉片順時針旋轉時為進料和攪拌，螺旋葉片逆時針旋轉時為出料。

在三維軟件UG中利用阿基米德螺旋線創建攪拌筒的圓柱段，利用對數螺旋線創建攪拌筒的前錐段和后錐段，并對螺旋葉片進行建模。

攪拌筒和螺旋葉片的建模步驟：①根據螺旋葉片方程作曲線，在卸料段曲線的半徑必須大過攪拌筒的半徑。②用UG以曲線為邊界移動形成曲面。③作攪拌筒的外形實體輪廓并裁剪得到一個新的曲面。④作攪拌筒內部實體，用該實體裁剪第三步形成的曲面，得到新的曲面也就是卸料段的螺旋葉片。⑤由于是組合螺旋葉片，所以可建出另外一個曲面，并與第一個曲面成180°角，兩個新的曲面就形成了具有攪拌和卸料作用的完整螺旋葉片。

攪拌筒和螺旋葉片的幾何模型以建好。接下來就是將攪拌筒和螺旋葉片的幾何模型導入LS-DYNA軟件并劃分網格為有限元分析做基礎。

由于攪拌筒的螺旋葉片受力復雜不均衡，所以在設計計算時要著重考慮它要有一定的強度和耐磨性，而且在加強的同時還要考慮到它自身的重量因素，在材料的選取上應兼顧以上因素。

3 攪拌筒有限元模型的建立

筆者采用HyperMesh作為CAE分析軟件，因為在CAE分析中前處理消耗的時間是最長的，而且HyperMesh還可提供風格質量檢查功能，所以為了提高使用效率和計算精度我們采用HyperMesh作為CAE前處理分析軟件。

HyperMesh是一個高效CAE前后處理分析軟件，而且可以和多款CAD、CAE軟件進行對接并支持多種格式讀入，例如CAXA、UG、Pro/E、STEP、IGES等格式。

HyperMesh具有完善的互動式劃分工具，用戶可以對每個面進行參數調節如單元偏置梯度、單元密度等。HyperMesh前處理器在劃分網格時可以實時控制單元質量，而且還可以對網格質量進行修改。采用四邊形和三角形混合單元可以將攪拌筒、螺旋葉片進行網格劃分。在有限元分析時，主要采用點焊連接攪拌筒與螺旋葉片，在HyperMesh前處理中采用焊接單元進行剛性連接。

這樣處理的優點是：首先這種焊點不需要節點一一對應方便模型的建議，其次可根據焊斑來判斷點焊是否失效。

混凝土攪拌筒根據功能不同可分為以下4種工況：①裝料：攪拌筒正向轉動，速度為6 r/min～10 r/min，混凝土從料斗進入攪拌筒并通過螺旋葉片進入攪拌筒內部。②攪拌：攪拌筒正向轉動，攪拌筒以8 r/min～12 r/min速度正向轉動實現攪拌功能。③攪動：在運輸過程中，攪拌筒以1 r/min～3 r/min速度正向轉動，以保持混凝土均質。④卸料：攪拌筒反向轉動，速度為6 r/min～10 r/min，混凝土通過卸料槽卸料。

4 計算結果分析

由于攪拌筒工作時承受的力屬于綜合力，包括自身的重力、混凝土的重力、在攪拌過程中的沖撞力等，所以必須進行結構的強度計算而且由于受力復雜人力很難計算。

運用LS-DYNA軟件對攪拌筒模型進行有限元分析，并對4種不同的情況ω1=6 r/min、ω2=10 r/min、ω3=3 r/min、ω4=-12 r/min分別進行分析和計算，對它們的應力和應變進行分析對比。

由于在工作時攪拌筒的自身重量和混凝土重量對攪拌筒會形成一種彎矩，而且還受到攪拌筒旋轉所形成的扭矩作用，再加上在行駛過程中路面、起動、制動等因素的影響，使攪拌筒的綜合受力非常復雜，尤其是支撐球冠法蘭位置。如果法蘭設計不合理，會造成攪拌筒軸向變形增大焊縫開裂，這是攪拌筒出現故障的關鍵因素。所以攪拌筒要必須對其軸向變形進行分析。

應力-應變分析。主要分析混凝土對攪拌筒及螺旋葉片的作用情況并對應力進行分析比較。圖1所示為T=50 ms時筒體所受的應力云圖。

(a) ω1=6 r/min(裝料)

(b) ω2=10 r/min(攪拌)

(c) ω3=3 r/min(攪動)

(d) ω4=-12 r/min(卸料)

從圖1可形成這樣的論述：因為混凝土在筒內處于不均勻的形態，所以受力也是不一樣的。但是從圖1中可知，攪拌筒的中下部受力最大而上部受力較小，所以攪拌筒和葉片分段采用不同厚度的鋼板焊接，可以有效提高它們的使用壽命。

從圖2螺旋葉片塑性應變云圖可知螺旋葉片在外緣受摩擦力最大，葉片變形、受損嚴重。我們通常采用在葉片外緣焊接鋼絲來增加葉片的耐磨性，從而可以增長葉片的使用壽命。

圖2 葉片塑性應變云(ω4=-10 r/min)

通過以上對攪拌筒及葉片的軸向竄動量、應力、應變量等方面的分析研究，我們知道哪些參數會對攪拌筒在運轉中產生影響，從中得到一些相關數據，從而對我們在設計攪拌筒及葉片的時候形成重要的指導意義。

5 結束語

筆者通過使用CAE軟件對混凝土攪拌運輸車的攪拌筒和螺旋葉片進行了有限元分析，通過分析認識到混凝土攪拌運輸車的攪拌筒和螺旋葉片的設計與CAE技術是分不開的，我們可以通過CAE技術對攪拌筒和螺旋葉片在4種不同工況下的工作特性進行了詳細分析并得出以下結論：①筆者將攪拌筒及攪拌葉片的設計與計算機輔助工程技術相緊密結合，為今后攪拌筒和攪拌葉片的設計提供了參考依據。②運用參數優化設計方法對攪拌筒及攪拌葉片進行參數總體設計，因此通過對一些參數進行修改以后便可生產系列化產品，這樣不僅使設計人員的勞動強度大大降低，而且還可以縮短設計的時間提高生產效率降低成本。③對混凝土攪拌運輸車的攪拌筒及攪拌葉片在各種不同工況下的應力應變狀態，采用有限元軟件進行CAE分析，如果發現攪拌筒及攪拌葉片有嚴重受損的地方，就可以對攪拌筒及攪拌葉片受損嚴重的地方進行參數修改，因此對我們今后的設計與研發有著重要的現實意義。④通過對混凝土攪拌運輸車在制動及卸料時攪拌筒在軸向的竄動量分析發現，攪拌筒在其連接法蘭處受到了較強的沖擊載荷，所以混凝土攪拌運輸車在制動及卸料時攪拌筒的法蘭要有足夠的強度和抗沖擊力。⑤由于混凝土是一種不均勻的物質，而且在運輸過程中路況復雜，可能會使攪拌裝置受力情況不穩定，我們采用不同材料不同厚度的鋼板進行分節焊接可以有效提高攪拌裝置的使用壽命。

筆者研究的缺點在于把混凝土顆粒假設為一種微小的鋼體在設計時忽略了混凝土的黏合性，并且在設計時不能把混凝土這種物質完全模擬成真實要求的混凝土，所以文中運用CAE分析出的相關參數只是一種指導性的參數，這一點還需要繼續提高和完善。