孫加龍 肖 平 房華玉

(1.蕪湖中集瑞江汽車有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，混凝土攪拌車的市場(chǎng)前景越來越廣闊，同時(shí)也對(duì)車輛的使用安全性提出更高要求[1]。在混凝土運(yùn)輸過程中，為保證混凝土使用質(zhì)量，攪拌罐需要不斷轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)其內(nèi)部的混凝土進(jìn)行運(yùn)動(dòng)防止粘結(jié)，故放置罐體的車架需要承受較大的載荷。車架在長(zhǎng)期使用中可能會(huì)出現(xiàn)局部斷裂、變形等情況，這些失效行為會(huì)對(duì)攪拌車的安全使用構(gòu)成威脅。

本文通過UG 三維建模軟件構(gòu)建某型混凝土攪拌車車架實(shí)體模型，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在傳統(tǒng)單一工況試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛實(shí)際使用情況篩選出彎曲、轉(zhuǎn)彎及制動(dòng)3 種危險(xiǎn)工況，在ANSYS 中對(duì)車架施加不同危險(xiǎn)工況下的載荷及位移邊界條件進(jìn)行虛擬試驗(yàn)分析。通過分析結(jié)果對(duì)車架的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終使得車架的安全使用性達(dá)到要求。

表1 Q355B 材料屬性

1 有限元分析

1.1 有限元模型的構(gòu)建

混凝土攪拌車車架的主要作用是固定攪拌罐體，攪拌罐體通過前臺(tái)、后臺(tái)、減速機(jī)、左右托輪等安裝在車架上，車架通過螺栓、扣件等零件與汽車底盤進(jìn)行連接?？紤]到本文主要是對(duì)車輛的車架進(jìn)行分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以僅將車架主體及前臺(tái)、后臺(tái)建模并進(jìn)行裝配。由于不考慮車架與其余零部件的實(shí)際連接情況，所以去除螺栓孔；且將模型中的倒角進(jìn)行處理防止出現(xiàn)應(yīng)力奇異。最終用于劃分網(wǎng)格的簡(jiǎn)化實(shí)體模型如圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的車架模型

1.2 不同工況下的有限元分析

通過對(duì)車輛實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，本文選定具有代表性的彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)3 種危險(xiǎn)工況進(jìn)行后續(xù)分析。考慮到混凝土攪拌車實(shí)際受力狀況，將簡(jiǎn)化后模型的前臺(tái)及后臺(tái)左右兩端即安裝左右拖輪的位置設(shè)定為載荷施加處。

彎曲工況下，對(duì)模型整體施加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，固定車架底端位置，設(shè)定好載荷及位移邊界條件后進(jìn)行求解。求解出的變形云圖如圖2 所示，最大變形量為3.4 265 mm，未超出設(shè)計(jì)安全值，出現(xiàn)在車架后端的前臺(tái)處。求解出的應(yīng)力云圖如圖3 所示，最大應(yīng)力為195.3 MPa，出現(xiàn)在前臺(tái)與車架連接位置處。變形云圖與應(yīng)力云圖分布較為對(duì)稱，符合該邊界條件下的實(shí)際工況。

圖2 彎曲工況下的變形云圖

圖3 彎曲工況下的應(yīng)力云圖

轉(zhuǎn)彎工況下，不僅需要對(duì)模型施加1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，還需要一個(gè)沿X 軸負(fù)向0.3 G 的加速度，用來等效替代轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的向心慣性力。同時(shí)還需要在前臺(tái)位置處施加沿X、Z 軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。求解出的變形云圖如圖4 所示，最大變形量為5.0 769 mm，出現(xiàn)在前臺(tái)左拖輪安裝處；這是因?yàn)檐囕v在轉(zhuǎn)彎時(shí)受到側(cè)向慣性力作用，混凝土重心向轉(zhuǎn)彎一側(cè)偏移，導(dǎo)致該側(cè)局部受力較大。應(yīng)力云圖如圖5 所示，最大應(yīng)力值為315.08 MPa，出現(xiàn)在前臺(tái)與車架連接位置出的左側(cè)。雖然最大應(yīng)力未超出設(shè)計(jì)值，但長(zhǎng)期在該工況下車架的安全性能會(huì)降低。

圖4 轉(zhuǎn)彎工況下的變形云圖

圖5 轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖

制動(dòng)工況下，不僅需要對(duì)模型整體施加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，還需要施加與其主運(yùn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)加速度用于等效制動(dòng)慣性力對(duì)車架整體的作用。由圖6 可以看出車架整體變形趨勢(shì)分布左右對(duì)稱，最大變形量為4.6 695 mm，出現(xiàn)在前臺(tái)及車架后端處。由圖7 可以看出車架最大應(yīng)力值為338.82 MPa，出現(xiàn)在前臺(tái)與車架連接處。在制動(dòng)慣性力作用下車架產(chǎn)生較大應(yīng)力，經(jīng)過多次積累后可能會(huì)在此處出現(xiàn)斷裂等失效現(xiàn)象。

圖6 制動(dòng)工況下的變形云圖

圖7 制動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

2.1 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述分析可以看出，車架整體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在前臺(tái)與車架的連接處，而最大變形量出現(xiàn)在前臺(tái)及車架兩根豎梁的最后端，故該處結(jié)構(gòu)薄弱需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)，根據(jù)分析結(jié)果在車架兩側(cè)分別添加與前臺(tái)相連的斜拉桿，斜拉桿一端與車架豎梁連接，另一端與前臺(tái)傾斜面連接。同時(shí)為進(jìn)一步降低車架整體質(zhì)量，在兩根斜拉桿上開有若干圓形減重孔用于減輕桿身自重。將車架各部分裝配好后如圖8 所示。按照前述有限元分析流程，對(duì)優(yōu)化后的車架劃分網(wǎng)格、賦予材料及施加相同邊界條件進(jìn)行分析。

圖8 優(yōu)化后的車架模型

2.2 優(yōu)化后的有限元分析

優(yōu)化后的車架在彎曲工況下的變形云圖如圖9 所示，應(yīng)力云圖如圖10 所示。最大變形量和最大應(yīng)力值較原始模型在相同邊界條件下都有所下降，最大變形處由前臺(tái)位置改為后臺(tái)位置。

圖9 彎曲工況下的變形云圖

圖10 彎曲工況下的應(yīng)力云圖

如圖11 所示，優(yōu)化后的車架在轉(zhuǎn)彎工況下的最大變形值為2.6 098 mm，變形量較原始模型相比下降了近一半。如圖12 所示，最大變形值為299.89 MPa 出現(xiàn)在車架左側(cè)。

圖11 轉(zhuǎn)彎工況下的變形云圖

圖12 轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖

如圖13 所示，優(yōu)化后的車架在制動(dòng)工況下的最大變形值為3.2 299 mm；如圖14 所示，最大應(yīng)力值為305.86 MPa。最大變形量及最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在車架前端及后臺(tái)處，較原始車架相比有一定程度的降低。

圖13 制動(dòng)工況下的變形云圖

圖14 制動(dòng)工況下的應(yīng)力云圖

優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)較原始模型的最大應(yīng)力值與最大變形量有明顯下降，這說明優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。

3 總結(jié)

通過有限元軟件對(duì)車架模型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)分析，根據(jù)分析結(jié)果清楚了解到車架結(jié)構(gòu)自身的薄弱處；通過對(duì)原始模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)的安全性得到提高。優(yōu)化后的車架模型可以滿足多種工況下的使用要求。