董瑞紅

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014030）

0 引言

混凝土攪拌運(yùn)輸車具有良好的時(shí)效性與靈活機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，使得其獲得了巨大的市場(chǎng)需求。隨著市場(chǎng)需求的提高，對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)與節(jié)能減排，勢(shì)在必行[1]。

前支撐結(jié)構(gòu)是混凝土攪拌運(yùn)輸車的重要承載部件，其強(qiáng)度特性直接影響著整車的裝載能力[2]。因此，有必要針對(duì)前支撐結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的研究。本文基于前支撐的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，在較好地綜合兩種分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)前支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，是對(duì)該項(xiàng)研究的創(chuàng)新性探索。

1 靜力學(xué)分析和模態(tài)分析

如圖1所示為簡(jiǎn)化的前支撐模型，已簡(jiǎn)化掉了多種輔助結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)，如前支撐下部后橫梁處的連接結(jié)構(gòu)、水箱支撐結(jié)構(gòu)和多個(gè)工藝孔等。這些結(jié)構(gòu)極大地增加了有限元模型建立及網(wǎng)格劃分的難度，卻對(duì)結(jié)構(gòu)的載荷分布影響不大，也不容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。又如，水箱支撐結(jié)構(gòu)會(huì)給整體結(jié)構(gòu)提供一較小載荷，可以在去掉該結(jié)構(gòu)后，在相關(guān)位置施加等效的載荷。

就混凝土攪拌運(yùn)輸車整體而言，需要考慮的簡(jiǎn)化工況有：針對(duì)動(dòng)力性能，平直路面的最高車速工況；針對(duì)制動(dòng)性能，極限制動(dòng)工況；針對(duì)操作穩(wěn)定性，水平路面的轉(zhuǎn)彎工況；針對(duì)平順性，不平路面工況；針對(duì)上坡能力，上坡工況；針對(duì)底盤扭轉(zhuǎn)承載能力，主車架扭轉(zhuǎn)工況。以上各種工況中，對(duì)前支撐結(jié)構(gòu)影響最顯著的是，制動(dòng)工況與不平路面工況，結(jié)合兩者的綜合工況作為本文研究的危險(xiǎn)工況。

圖1 簡(jiǎn)化的前支撐模型

制動(dòng)工況主要體現(xiàn)在整車所受的縱向力，不平路面工況主要體現(xiàn)在整車所受的垂向力。在前支撐下部與副車架連接的梁結(jié)構(gòu)處施加約束，在上部與減速器連接的2個(gè)結(jié)構(gòu)處施加載荷。經(jīng)計(jì)算，不平路面上制動(dòng)的綜合工況，前支撐的受力情況如表1所示。

表1 前支撐受力情況

前支撐結(jié)構(gòu)的材料為Q345B，彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，屈服極限σs=345MPa。按相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.2，即相應(yīng)的許用應(yīng)力[σ]為287.5MPa。經(jīng)靜力學(xué)分析，前支撐結(jié)構(gòu)所受的最大等效應(yīng)力為283MPa，小于許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度要求。最大應(yīng)力位置為與副車架相連接的前支撐底部結(jié)構(gòu)中的左側(cè)橫梁、后部縱梁的內(nèi)側(cè)圓角處（如圖2所示）。底部梁結(jié)構(gòu)的圓角，本身能在一定程度上削弱應(yīng)力集中，卻仍然成為了出現(xiàn)最大等效應(yīng)力的位置。因此，底部的梁結(jié)構(gòu)將是我們后續(xù)優(yōu)化工作中的一個(gè)考慮環(huán)節(jié)。

圖2 最大等效應(yīng)力

圖3 前支撐的振型

如圖3所示是模態(tài)分析中的前2階主振型。通過(guò)模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，對(duì)前2階模態(tài)響應(yīng)最敏感的部位，都是前支撐結(jié)構(gòu)中間部分的兩外側(cè)鋼板。由于，前兩階振型所處頻率是最低的，最接近外部載荷的激振頻率，是響應(yīng)最敏感的振型，是最容易發(fā)生危險(xiǎn)的振型。因此，為使整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)更為遲鈍和均勻，兩外側(cè)鋼板應(yīng)作為優(yōu)化的考慮環(huán)節(jié)。

在靜力學(xué)分析中，底部圓角處有最大等效應(yīng)力，但是對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)不明顯。在模態(tài)分析中，兩外側(cè)鋼板對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)敏感，但是在靜力學(xué)分析中，所受等效應(yīng)力較小。因此底部圓角與兩外側(cè)鋼板，這兩個(gè)待優(yōu)化環(huán)節(jié)的相互影響較小，即耦合作用可以忽略。這對(duì)后續(xù)的優(yōu)化十分有利?？梢卜謩e解決最大等效應(yīng)力的減小問(wèn)題和振動(dòng)響應(yīng)情況的調(diào)整問(wèn)題，而不用考慮，在優(yōu)化這一方的同時(shí)，會(huì)對(duì)另一方有不利影響。

在后續(xù)優(yōu)化中，減小最大等效應(yīng)力，可通過(guò)調(diào)整底部圓角的半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且這對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)情況影響較小。調(diào)整振動(dòng)響應(yīng)情況，可以通過(guò)調(diào)整兩外側(cè)鋼板的造型來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以盡量減小其對(duì)應(yīng)力分布的影響。

2 拓?fù)鋬?yōu)化及參數(shù)化建模

根據(jù)強(qiáng)度分析的結(jié)果，初步提出了優(yōu)化可以考慮的環(huán)節(jié)。在對(duì)結(jié)構(gòu)造型進(jìn)行調(diào)整之前，再利用拓?fù)鋬?yōu)化，確定具體的調(diào)整方案。如圖4所示是以減少50%質(zhì)量為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果。左圖為原始結(jié)果，右圖為可移除單元的分布情況?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)外側(cè)鋼板，中間水平鋼板，底部后橫梁，都是可優(yōu)化處理的結(jié)構(gòu)。但是，其中的中間水平鋼板應(yīng)該保留。整體結(jié)構(gòu)中，只有頂部與中部?jī)山M水平鋼板。在考慮強(qiáng)度問(wèn)題的同時(shí)，還要考慮保持結(jié)構(gòu)的剛度水平，以及不惡化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)情況。中間水平鋼板對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度十分重要，不可去掉。若對(duì)其進(jìn)行開(kāi)孔等工藝，盡管既能保證剛度性能，又能減少質(zhì)量。但是會(huì)增加工藝難度，增大成本。因此，綜合考慮各方面因素，中間鋼板保持不變。

圖4 50%拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

考慮拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中的兩外側(cè)鋼板，需要結(jié)合模態(tài)分析的結(jié)果，即兩外側(cè)鋼板響應(yīng)劇烈。同時(shí)，考慮到兩外側(cè)鋼板有圓形開(kāi)口，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此確定，將兩外側(cè)鋼板作為外形的調(diào)整對(duì)象。由模態(tài)分析看出，前2階主振型屬于側(cè)向振動(dòng)。從結(jié)構(gòu)方面考慮，主要是去掉兩個(gè)外側(cè)鋼板，新增兩個(gè)肋板，可有效減小側(cè)向振動(dòng)的響應(yīng)情況。其他相關(guān)結(jié)構(gòu)如水箱支撐結(jié)構(gòu)等，只需要做細(xì)小的調(diào)整。從加工方面考慮，肋板相對(duì)于兩外側(cè)鋼板，減少了圓形開(kāi)口這道工藝，其他方面加工難度基本相同。從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及加工難度上，外側(cè)鋼板調(diào)整為肋板，不僅可節(jié)省成本，同時(shí)還解決了兩外側(cè)鋼板側(cè)向振動(dòng)響應(yīng)過(guò)于敏感的問(wèn)題。其對(duì)應(yīng)力的分布影響，需要在后續(xù)優(yōu)化工作中研究。

表2 參數(shù)設(shè)置

考慮拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中的底部后橫梁結(jié)構(gòu)，需要結(jié)合靜力學(xué)分析的結(jié)果，即在前支撐的底部梁結(jié)構(gòu)的圓角處，出現(xiàn)最大等效應(yīng)力。由于前支撐與減速器、副車架的裝配關(guān)系不宜輕易調(diào)節(jié)，因此前支撐的底部梁結(jié)構(gòu)的外部的高、寬尺寸應(yīng)該保持不變。針對(duì)以上情況，將前支撐的底部梁結(jié)構(gòu)的圓角半徑作為優(yōu)化參數(shù)。

圖5 參數(shù)化模型

綜合前面的分析結(jié)果，最終確定參數(shù)化模型包含3個(gè)參數(shù)，即底部圓角半徑R，兩側(cè)肋板所在平面與豎直面的角度A，兩側(cè)肋板側(cè)邊線與底邊線的角度B，參數(shù)化模型的網(wǎng)格模型如圖5所示，網(wǎng)格比較均勻，為后續(xù)優(yōu)化提供了保證。各個(gè)參數(shù)如表2所示，其中參數(shù)的變化范圍是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。

3 尺寸優(yōu)化

利用ANSYS軟件的多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模塊，對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)質(zhì)量M的目標(biāo)設(shè)置為尋找最小值。最大等效應(yīng)力P的目標(biāo)設(shè)置為小于許用應(yīng)力[σ]。

優(yōu)化求解得到的最優(yōu)參數(shù)如表3所示，即底部圓角半徑32mm，兩肋板所在平面相對(duì)于豎直平面向后旋轉(zhuǎn)2°，兩肋板側(cè)邊線相對(duì)于底邊線的角度68°。最大等效應(yīng)力由283MPa減小到262MPa，減小了7.5%，安全系數(shù)增大到1.3。質(zhì)量由187Kg減小到162.4kg，質(zhì)量減少了13%。

表3 最優(yōu)參數(shù)

4 結(jié)論

前支撐作為混凝土攪拌運(yùn)輸車的關(guān)鍵受載部件，其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重。利用ANSYS軟件的靜力學(xué)分析模塊、模態(tài)分析模塊、拓?fù)鋬?yōu)化模塊和多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模塊的聯(lián)合仿真，以在不平路面上制動(dòng)的綜合工況作為分析基礎(chǔ)，對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車的前支撐的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、最大等效應(yīng)力以及振動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行優(yōu)化。本次優(yōu)化中，調(diào)整了振動(dòng)響應(yīng)最敏感部位的結(jié)構(gòu)，減小響應(yīng)程度；結(jié)構(gòu)質(zhì)量與最大等效應(yīng)力同時(shí)降低，使前支撐性能全面提升。

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