楚宇杰

(呼和浩特市機(jī)械工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

1 LS-DYNA簡(jiǎn)介

近些年有限元分析軟件得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，很多國(guó)家都對(duì)有限元分析軟件進(jìn)行了深入研究并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)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(xiàn)，在我們國(guó)家的運(yùn)用也不斷增多。

LS-DYNA程序是由美國(guó)率先研制成功，它是一種為武器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的分析工具。采用Lagrange算法，可以對(duì)液體、熱效應(yīng)、靜力、預(yù)應(yīng)力、回彈力等進(jìn)行綜合分析計(jì)算的有限元程序。它還可以選擇例如復(fù)合材料、土壤、玻璃、混凝土、炸藥、流體等材料，根據(jù)材料的不同還可考慮材料的溫度、黏性、失效等相關(guān)性質(zhì)。LS-DYNA的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，比如制造業(yè)、航空航天業(yè)、石油工業(yè)和汽車工業(yè)等。

2 實(shí)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(jìn)行建模，旋向?yàn)樽笮?，那么螺旋葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為進(jìn)料和攪拌，螺旋葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)為出料。

在三維軟件UG中利用阿基米德螺旋線創(chuàng)建攪拌筒的圓柱段，利用對(duì)數(shù)螺旋線創(chuàng)建攪拌筒的前錐段和后錐段，并對(duì)螺旋葉片進(jìn)行建模。

攪拌筒和螺旋葉片的建模步驟：①根據(jù)螺旋葉片方程作曲線，在卸料段曲線的半徑必須大過(guò)攪拌筒的半徑。②用UG以曲線為邊界移動(dòng)形成曲面。③作攪拌筒的外形實(shí)體輪廓并裁剪得到一個(gè)新的曲面。④作攪拌筒內(nèi)部實(shí)體，用該實(shí)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(gè)曲面，并與第一個(gè)曲面成180°角，兩個(gè)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(lái)就是將攪拌筒和螺旋葉片的幾何模型導(dǎo)入LS-DYNA軟件并劃分網(wǎng)格為有限元分析做基礎(chǔ)。

由于攪拌筒的螺旋葉片受力復(fù)雜不均衡，所以在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要著重考慮它要有一定的強(qiáng)度和耐磨性，而且在加強(qiáng)的同時(shí)還要考慮到它自身的重量因素，在材料的選取上應(yīng)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?yàn)樵贑AE分析中前處理消耗的時(shí)間是最長(zhǎng)的，而且HyperMesh還可提供風(fēng)格質(zhì)量檢查功能，所以為了提高使用效率和計(jì)算精度我們采用HyperMesh作為CAE前處理分析軟件。

HyperMesh是一個(gè)高效CAE前后處理分析軟件，而且可以和多款CAD、CAE軟件進(jìn)行對(duì)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(dòng)式劃分工具，用戶可以對(duì)每個(gè)面進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)如單元偏置梯度、單元密度等。HyperMesh前處理器在劃分網(wǎng)格時(shí)可以實(shí)時(shí)控制單元質(zhì)量，而且還可以對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。在有限元分析時(shí)，主要采用點(diǎn)焊連接攪拌筒與螺旋葉片，在HyperMesh前處理中采用焊接單元進(jìn)行剛性連接。

這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是：首先這種焊點(diǎn)不需要節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)方便模型的建議，其次可根據(jù)焊斑來(lái)判斷點(diǎn)焊是否失效。

混凝土攪拌筒根據(jù)功能不同可分為以下4種工況：①裝料：攪拌筒正向轉(zhuǎn)動(dòng)，速度為6 r/min～10 r/min，混凝土從料斗進(jìn)入攪拌筒并通過(guò)螺旋葉片進(jìn)入攪拌筒內(nèi)部。②攪拌：攪拌筒正向轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌筒以8 r/min～12 r/min速度正向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌功能。③攪動(dòng)：在運(yùn)輸過(guò)程中，攪拌筒以1 r/min～3 r/min速度正向轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持混凝土均質(zhì)。④卸料：攪拌筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)，速度為6 r/min～10 r/min，混凝土通過(guò)卸料槽卸料。

4 計(jì)算結(jié)果分析

由于攪拌筒工作時(shí)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(guò)程中的沖撞力等，所以必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算而且由于受力復(fù)雜人力很難計(jì)算。

運(yùn)用LS-DYNA軟件對(duì)攪拌筒模型進(jìn)行有限元分析，并對(duì)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(jìn)行分析和計(jì)算，對(duì)它們的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析對(duì)比。

由于在工作時(shí)攪拌筒的自身重量和混凝土重量對(duì)攪拌筒會(huì)形成一種彎矩，而且還受到攪拌筒旋轉(zhuǎn)所形成的扭矩作用，再加上在行駛過(guò)程中路面、起動(dòng)、制動(dòng)等因素的影響，使攪拌筒的綜合受力非常復(fù)雜，尤其是支撐球冠法蘭位置。如果法蘭設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成攪拌筒軸向變形增大焊縫開(kāi)裂，這是攪拌筒出現(xiàn)故障的關(guān)鍵因素。所以攪拌筒要必須對(duì)其軸向變形進(jìn)行分析。

應(yīng)力-應(yīng)變分析。主要分析混凝土對(duì)攪拌筒及螺旋葉片的作用情況并對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析比較。圖1所示為T=50 ms時(shí)筒體所受的應(yīng)力云圖。

(a) ω1=6 r/min(裝料)

(b) ω2=10 r/min(攪拌)

(c) ω3=3 r/min(攪動(dòng))

(d) ω4=-12 r/min(卸料)

從圖1可形成這樣的論述：因?yàn)榛炷猎谕矁?nèi)處于不均勻的形態(tài)，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(yīng)變?cè)茍D可知螺旋葉片在外緣受摩擦力最大，葉片變形、受損嚴(yán)重。我們通常采用在葉片外緣焊接鋼絲來(lái)增加葉片的耐磨性，從而可以增長(zhǎng)葉片的使用壽命。

圖2 葉片塑性應(yīng)變?cè)?ω4=-10 r/min)

通過(guò)以上對(duì)攪拌筒及葉片的軸向竄動(dòng)量、應(yīng)力、應(yīng)變量等方面的分析研究，我們知道哪些參數(shù)會(huì)對(duì)攪拌筒在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生影響，從中得到一些相關(guān)數(shù)據(jù)，從而對(duì)我們?cè)谠O(shè)計(jì)攪拌筒及葉片的時(shí)候形成重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)使用CAE軟件對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒和螺旋葉片進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)分析認(rèn)識(shí)到混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒和螺旋葉片的設(shè)計(jì)與CAE技術(shù)是分不開(kāi)的，我們可以通過(guò)CAE技術(shù)對(duì)攪拌筒和螺旋葉片在4種不同工況下的工作特性進(jìn)行了詳細(xì)分析并得出以下結(jié)論：①筆者將攪拌筒及攪拌葉片的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)相緊密結(jié)合，為今后攪拌筒和攪拌葉片的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。②運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)攪拌筒及攪拌葉片進(jìn)行參數(shù)總體設(shè)計(jì)，因此通過(guò)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行修改以后便可生產(chǎn)系列化產(chǎn)品，這樣不僅使設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，而且還可以縮短設(shè)計(jì)的時(shí)間提高生產(chǎn)效率降低成本。③對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車的攪拌筒及攪拌葉片在各種不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，采用有限元軟件進(jìn)行CAE分析，如果發(fā)現(xiàn)攪拌筒及攪拌葉片有嚴(yán)重受損的地方，就可以對(duì)攪拌筒及攪拌葉片受損嚴(yán)重的地方進(jìn)行參數(shù)修改，因此對(duì)我們今后的設(shè)計(jì)與研發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。④通過(guò)對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車在制動(dòng)及卸料時(shí)攪拌筒在軸向的竄動(dòng)量分析發(fā)現(xiàn)，攪拌筒在其連接法蘭處受到了較強(qiáng)的沖擊載荷，所以混凝土攪拌運(yùn)輸車在制動(dòng)及卸料時(shí)攪拌筒的法蘭要有足夠的強(qiáng)度和抗沖擊力。⑤由于混凝土是一種不均勻的物質(zhì)，而且在運(yùn)輸過(guò)程中路況復(fù)雜，可能會(huì)使攪拌裝置受力情況不穩(wěn)定，我們采用不同材料不同厚度的鋼板進(jìn)行分節(jié)焊接可以有效提高攪拌裝置的使用壽命。

筆者研究的缺點(diǎn)在于把混凝土顆粒假設(shè)為一種微小的鋼體在設(shè)計(jì)時(shí)忽略了混凝土的黏合性，并且在設(shè)計(jì)時(shí)不能把混凝土這種物質(zhì)完全模擬成真實(shí)要求的混凝土，所以文中運(yùn)用CAE分析出的相關(guān)參數(shù)只是一種指導(dǎo)性的參數(shù)，這一點(diǎn)還需要繼續(xù)提高和完善。