羅昆　苑伍德　白傳輝　劉大維

文章編號：10069798（2022）02008107;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.013

摘要：為了對混凝土攪拌車副車架結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析，本文應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件建立混凝土攪拌車主、副車架有限元模型，對彎曲工況下副車架結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行有限元分析，得到副車架的應(yīng)力分布，確定測點位，建立應(yīng)力測試試驗系統(tǒng)，得到各測點位的等效應(yīng)力，最后對各測點等效應(yīng)力有限元計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證副車架有限元模型的正確性。同時，通過分析攪拌罐貢獻(xiàn)率，對各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，在各極限工況下，當(dāng)攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%時，副車架結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。該研究為混凝土攪拌車副車架的強度分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混凝土攪拌車;副車架;有限元;應(yīng)力試驗;貢獻(xiàn)率

中圖分類號：U463.32;U469.6+5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

副車架作為混凝土攪拌車主要承載部件，起到承載上裝部分載荷的作用＼[14＼]，且混凝土攪拌車工作環(huán)境復(fù)雜，路面條件惡劣，嚴(yán)重影響混凝土攪拌車的行駛安全及使用壽命＼[58＼]。目前，研究人員對混凝土攪拌車副車架的研究主要集中在靜強度和疲勞壽命分析。盧思穎等人＼[9＼]利用HyperMesh軟件對攪拌車副車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，采用新的加強板結(jié)構(gòu)減輕了攪拌車的重量;范娟娟等人＼[10＼]對攪拌車副車架進(jìn)行有限元仿真計算，對副車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計;侯國強等人＼[11＼]運用Ansys軟件對攪拌車車架進(jìn)行分析，對主車架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，使整車高度降低了120mm;司癸卯等人＼[12＼]對無副車架混凝土攪拌車車架進(jìn)行模態(tài)分析驗證其固有頻率的安全性;張飛飛等人＼[13＼]運用Optistruct軟件對副車架矩形管的厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，達(dá)到了輕量化10%的目標(biāo);夏學(xué)文等人＼[14＼]運用MSCFatigue軟件進(jìn)行攪拌車結(jié)構(gòu)件和焊縫疲勞仿真分析;李金偉等人＼[15＼]運用有限元技術(shù)及試驗技術(shù)，采用nCodeDesignLife軟件對攪拌車副車架進(jìn)行疲勞壽命分析;高耀東等人＼[16＼]使用FatigueTool對攪拌車副車架疲勞壽命進(jìn)行分析評估;鞠斌等人＼[17＼]在某汽車試驗場進(jìn)行應(yīng)變電測試驗，得到前排料攪拌車行駛時車架動應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過雨流計數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計分析獲得車架載荷譜。但上述研究均未考慮攪拌罐對副車架強度的影響?；诖?，本文建立混凝土攪拌車主、副車架有限元模型與應(yīng)力測試試驗系統(tǒng)，通過對各測點等效應(yīng)力有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了副車架有限元模型的正確性。同時，對攪拌罐的貢獻(xiàn)率和各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析表明，當(dāng)攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%時，各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。該研究為混凝土攪拌車副車架有限元分析及結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計提供參考依據(jù)。

1車架有限元模型建立

1.1車架結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

某公司開發(fā)的混凝土攪拌車車架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該車采用8×4結(jié)構(gòu)型式，由主車架和副車架組成，主車架主要由內(nèi)、外縱梁和橫梁組成，縱梁與橫梁采用螺栓連接;副車架由縱梁、橫梁、前臺，后臺和斜拉筋組成，各部件之間通過焊接連接，副車架與主車架通過U型螺栓連接。雙前橋通過普通鋼板彈簧與主車架相連，后橋通過平衡懸架與主車架相連，前鋼板彈簧的剛度系數(shù)kf=482N/mm，后鋼板彈簧的剛度系數(shù)kr=3870N/mm。

在HyperMesh軟件中進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃分，為了提高分析精度，建立主車架有限元模型，合理模擬主、副車架。車架縱梁、橫梁、前后臺、斜拉筋等主要部件為薄板結(jié)構(gòu)，采用10mm四邊形殼單元進(jìn)行劃分;某些部件允許退化為三角形單元;板簧支座等連接部件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用邊長為5mm的四面體單元進(jìn)行劃分;鋼板彈簧、推力桿和車橋采用梁單元進(jìn)行模擬。

由于各部件之間為焊接，鉚釘和螺栓連接，建模過程中焊縫采用焊接單元模擬;鉚釘和螺栓通過剛性單元進(jìn)行模擬，將車架各部件之間裝配孔周圍單元節(jié)點耦合至裝配孔中心建立約束關(guān)系＼[18＼];主副車架之間采用GAP單元模擬＼[19＼]。車架有限元模型如圖2所示。

1.2邊界條件確定

根據(jù)攪拌車運行實際工況對雙前橋一軸、二軸和中、后橋進(jìn)行約束，為保證副車架結(jié)構(gòu)的安全性，約束條件的設(shè)置均考慮副車架在極限工況下的結(jié)構(gòu)強度。

1）彎曲工況。雙前橋約束一軸右側(cè)3個方向的平動自由度及二軸右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，一軸和二軸左側(cè)只約束Z方向的平動自由度;中后橋約束右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，左側(cè)只約束Z方向的平動自由度，動載系數(shù)取2.5。

2）扭轉(zhuǎn)工況?；趶澢r的基礎(chǔ)上，在雙前橋一軸左側(cè)約束點Z方向施加53mm的位移;中后橋在右側(cè)約束點Z方向施加120mm的位移，動載系數(shù)取1.3。

3）制動工況。雙前橋約束一軸和二軸右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，一軸和二軸左側(cè)只約束Z方向的平動自由度;中后橋約束右側(cè)3個方向的平動自由度，左側(cè)約束X和Z方向的平動自由度，制動加速度取0.7g，動載系數(shù)取1.5。

4）轉(zhuǎn)彎工況。雙前橋約束一軸右側(cè)3個方向的平動自由度及二軸右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，一軸和二軸左側(cè)只約束Z方向的平動自由度;中后橋約束右側(cè)Y和Z方向的平動自由度，左側(cè)只約束Z方向的平動自由度，側(cè)向加速度取0.4g，動載系數(shù)取1.3。

車輛滿載作用于車架上的載荷包括駕駛室、發(fā)動機、水箱、減速器、油箱、蓄電池、攪拌罐和裝載等質(zhì)量。車架承載質(zhì)量如表1所示。

駕駛室、發(fā)動機、蓄電池及油箱等質(zhì)量按集中力的加載方式直接作用在車架的相應(yīng)質(zhì)心位置，攪拌罐及裝載混凝土的質(zhì)量按照式（1）～式（3）分配至支撐處，即

式中，G為裝載重量;L為重心到前臺距離;L1為攪拌罐長度;F1和F2為左右支撐輪受力;FV和FH為前臺處受力;α為攪拌罐傾斜角度;θ為F1和F2與豎直方向夾角。

靜態(tài)分析中，假設(shè)混凝土不產(chǎn)生偏心現(xiàn)象＼[20＼]，混凝土和攪拌罐的受力簡圖如圖3所示。

2副車架有限元計算與試驗測試對比分析

2.1彎曲工況副車架有限元分析

為了確定副車架測點位置，進(jìn)行應(yīng)力測試試驗，車架結(jié)構(gòu)有限元模型按照上述彎曲工況的邊界條件加載，加載動載系數(shù)取值為1，彎曲工況下副車架應(yīng)力云圖如圖4所示。根據(jù)計算結(jié)果確定8個測點進(jìn)行貼片;測點1和測點8位于前臺前端與縱梁連接處;測點2和測點7位于后臺前端與縱梁連接處;測點3和測點6位于斜拉筋與后臺連接處;測點4和測點5位于攪拌罐后支撐輪與后臺連接處，副車架測點示意圖如圖5所示。

2.2試驗過程

副車架應(yīng)力測試試驗系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)主要由副車架應(yīng)變信息測量、應(yīng)變信息采集及應(yīng)變信息處理3部分組成。副車架上的各應(yīng)變式傳感器測量應(yīng)變信息，使用16通道動態(tài)應(yīng)變儀和裝有Labview數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦采集應(yīng)變信息，采集得到的應(yīng)變信息由Dasp信號分析軟件進(jìn)行處理。圖745°直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖-由于副車架上各測點不是單向應(yīng)力狀態(tài)，因此在各測點布置了45°直角應(yīng)變花，45°直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，應(yīng)變花最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ2分別為-

式中，E為彈性模量;μ為泊松比;εa、εb和εc分別表示0°，45°和90°這3個方向上的應(yīng)變;a、b、c分別為0°，45°和90°3個方向上的應(yīng)變片。

利用第四強度理論（vonmises理論）進(jìn)行應(yīng)力合成，得到等效應(yīng)力為

應(yīng)變花布置在平面時，σ3=0，化簡得

在某建筑工地進(jìn)行試驗，模擬實際運輸過程中的復(fù)雜道路，試驗場地部分路面如圖8所示?；炷翑嚢柢囇b載量為28t，為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次試驗重復(fù)2次。圖8試驗場地部分路面--

2.3有限元計算與試驗測試對比分析

副車架各測點等效應(yīng)力有限元計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果對比如表2所示。

由表2可以看出，測試彎曲工況時，各測點等效應(yīng)力有限元計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果變化趨勢相同，證明了有限元模型的正確性，但大部分測點的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相對誤差超出15%，主要原因是未考慮攪拌罐對車架的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致載荷施加過大。

2.4攪拌罐對副車架強度的影響

通常情況下，對副車架進(jìn)行有限元計算時，將攪拌罐和承載的載荷簡化為集中力或均布力作用于副車架支撐處，未考慮攪拌罐與副車架的連接對副車架強度的貢獻(xiàn)率。本文通過副車架在彎曲工況下的強度計算，分析攪拌罐對副車架強度的貢獻(xiàn)率，通過試驗對比，驗證分析結(jié)果。攪拌罐不同貢獻(xiàn)率副車架各測點等效應(yīng)力如表3所示。-

由表3可以看出，各測點等效應(yīng)力有限元計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果，隨著貢獻(xiàn)率的變化，其變化趨勢相同，隨著攪拌罐貢獻(xiàn)率增大，副車架等效應(yīng)力計算結(jié)果減小，逐漸接近試驗值，當(dāng)貢獻(xiàn)率超過20%時，各測點有限元計算結(jié)果低于試驗值。

攪拌罐不同貢獻(xiàn)率時副車架各測點誤差分析如表4所示。

由表4可以看出，當(dāng)貢獻(xiàn)率增加到20%時，各測點絕對誤差逐漸減小，當(dāng)貢獻(xiàn)率超過20%時，部分測點的絕對誤差又開始逐漸增加。這是由于隨著攪拌罐貢獻(xiàn)率的增加，副車架有限元計算結(jié)果減小，接近試驗值。當(dāng)貢獻(xiàn)率超過20%時，有限元計算結(jié)果偏離試驗值，導(dǎo)致誤差增大。通過對各測點誤差分析，確定攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%。

3極限工況副車架有限元計算結(jié)果及分析

按照上述邊界條件對車架結(jié)構(gòu)有限元模型加載，各極限工況下應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

由圖9可以看出，彎曲工況下最大應(yīng)力值為315.93MPa，位于左側(cè)斜拉筋與縱梁連接處;扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力值為269.26MPa，位于副車架第二橫梁與縱梁連接處;制動工況下最大應(yīng)力值為216.8MPa，位于前臺與右副縱梁連接處;轉(zhuǎn)彎工況下最大應(yīng)力值為237.66MPa，位于右側(cè)斜拉筋與縱梁連接處。

4結(jié)束語

本文應(yīng)用HyperMesh有限元分析軟件建立混凝土攪拌車主、副車架有限元模型，對彎曲工況下副車架結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行有限元分析，建立副車架應(yīng)力測試試驗系統(tǒng)，得到副車架各測點的等效應(yīng)力。將各測點等效應(yīng)力有限元計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果對比分析，驗證了副車架有限元模型的正確性，并對車架強度的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，對各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，攪拌罐貢獻(xiàn)率為20%，各極限工況下副車架結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。該研究為混凝土攪拌車副車架的強度分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

＼[1＼]姚澤功，張峰，王利民.混凝土攪拌運輸車抖動分析及解決方法＼[J＼].專用汽車，2021（1）：8991.

＼[2＼]陳自云，李振華，劉安海.混凝土攪拌運輸車副車架應(yīng)力計算及測試分析＼[J＼].工程機械，2019，50（10）：2631.

＼[3＼]趙魯燕.基于有限元的混凝土攪拌車設(shè)計及結(jié)構(gòu)改進(jìn)＼[D＼].南寧：廣西大學(xué)，2019.

＼[4＼]劉炳君.混凝土攪拌運輸車水箱與后支架綜合方案創(chuàng)新設(shè)計研究＼[D＼].西安：長安大學(xué)，2020.

＼[5＼]孔祥玉.大方量混凝土攪拌運輸車副車架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化＼[D＼].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

＼[6＼]趙致富，段曉峰.混凝土攪拌運輸車上裝結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計研究＼[J＼].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021（7）：6465，68.

＼[7＼]許國偉.混凝土攪拌運輸車研發(fā)＼[D＼].廣州：華南理工大學(xué)，2019.

＼[8＼]劉景真.混凝土攪拌運輸車前臺互換性技術(shù)研究＼[J＼].專用汽車，2020（8）：7679.

＼[9＼]盧思穎.攪拌車輕量化技術(shù)研究＼[D＼].長沙：湖南大學(xué)，2020.

＼[10＼]苑娟娟.基于拓?fù)淅碚摰臄嚢柢嚫避嚰艿膬?yōu)化設(shè)計與疲勞分析研究＼[D＼].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

＼[11＼]侯國強.混凝土攪拌運輸車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計及分析＼[D＼].西安：長安大學(xué)，2016.

＼[12＼]司癸卯，王彤，趙建成，等.混凝土攪拌運輸車新型車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析＼[J＼].筑路機械與施工機械化，2017，34（11）：114117.

＼[13＼]張飛飛，任潔雨，張建，等.基于有限元法的某混凝土攪拌車輕量化設(shè)計＼[J＼].機械強度，2014，36（4）：560565.

＼[14＼]夏學(xué)文，王承凱，雷新軍.基于虛擬試驗場的混凝土攪拌運輸車結(jié)構(gòu)件疲勞仿真分析＼[J＼].汽車實用技術(shù)，2018（23）：216219.

＼[15＼]李金偉.混凝土攪拌車副車架疲勞壽命分析＼[D＼].青島：青島大學(xué)，2015.

＼[16＼]高耀東，胡欣欣.混凝土攪拌車副車架多軸疲勞分析＼[J＼].機械設(shè)計與制造，2015（6）：211214.

＼[17＼]鞠斌，李金偉，劉大維.前卸料混凝土攪拌運輸車車架載荷譜研究＼[J＼].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2015，30（2）：4751.

＼[18＼]宋夫杰，程曉東，陳貫祥，等.無副車架的渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)強度有限元分析＼[J＼].青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2020，35（1）：7277.

＼[19＼]王國林，張建，王啟唐，等.基于GAP單元的車架有限元分析＼[J＼].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，29（3）：206209.

＼[20＼]王國林，任潔雨，傅乃霽，等.基于數(shù)值仿真和動靜態(tài)試驗的副車架輕量化＼[J＼].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，35（5）：137144.

FiniteElementAnalysisandExperimentalVerificationofSubframeStructureofConcreteMixer

LUOKun1，YUANWude1，BAIChuanhui2，LIUDawei1

（1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China;

2.SinotrukQingdaoHeavyIndustryCo，Ltd，Qingdao266031，China）Abstract：

Inordertoanalyzethestructuralstrengthofthesubframeoftheconcretemixertruck，thispaperusesHyperMeshfiniteelementanalysissoftwaretoestablishthefiniteelementmodelofthemainandsubframesoftheconcretemixertruck.Thefiniteelementanalysisofthestructuralstrengthofthesubframeunderbendingconditionsiscarriedout，thestressdistributionofthesubframeisobtained，themeasuringpointsaredetermined，andthestresstestsystemisestablishedtoobtaintheequivalentstressofeachmeasuringpoint.Thefiniteelementcalculationresultsarecomparedwiththeexperimentaltestresults，andtheresultsverifythecorrectnessofthefiniteelementmodelofthesubframe.Byanalyzingthecontributionrateofthemixingtank，thestructuralstrengthofthesubframeundervariousextremeconditionsisanalyzed.Theresultsshowthatthecontributionrateofthemixingtankis20%，andthestructuralstrengthofthesubframeundereachextremeworkingconditionmeetstherequirementsofuse.Thisresearchprovidesareferenceforthestrengthanalysisandstructuralimprovementofthesubframeoftheconcretemixertruck.

.Keywords：concretemixertruck;subframe;finiteelement;stresstest;contributionrate

收稿日期：20211123;修回日期：20220103

作者簡介：羅昆（1996），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車動態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者：劉大維（1957），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為汽車動態(tài)仿真與控制技術(shù)、地面車輛系統(tǒng)與控制技術(shù)。Email：qdldw@163.com

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