基于Pro/E的混凝土泵車臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

陳貫祥，李 捷，郭潤坤，王富民(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

混凝土泵車以其施工范圍廣和效率高的特點，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，對混凝土泵車及其施工作業(yè)的要求越來越高。臂架結(jié)構(gòu)是混凝土泵車臂架系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計合理性直接影響著臂架的使用性能[1-5]。目前，關(guān)于混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的有限元分析研究比較多，大部分都是利用三維建模軟件(Pro/E、UG、SolidWorks)建模，然后導(dǎo)入 ANSYS、ABAQUS和MARC等有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。這些軟件都在不斷完善，但在多個軟件協(xié)同仿真時仍然無法做到完全兼容，而且增加了使用者學(xué)習(xí)和應(yīng)用軟件的難度。因此，利用Pro/E對臂架系統(tǒng)進(jìn)行建模、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的一體化研究，可以保證各分析階段數(shù)據(jù)文件之間的無縫連接，該研究方法易于工程應(yīng)用[6]。

本文以某廠生產(chǎn)的48 m混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)為研究對象，基于Pro/E軟件建立了泵車臂架系統(tǒng)模型，在Pro/MECHANINCA環(huán)境中建立約束條件，結(jié)合靈敏度分析優(yōu)化方法對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，旨在獲得質(zhì)量較輕、工作性能良好的泵車臂架。

1 建立混凝土泵車臂架系統(tǒng)有限元模型

1.1 建立混凝土泵車臂架系統(tǒng)幾何模型

混凝土泵車臂架系統(tǒng)是混凝土泵車的重要組成部分，由多節(jié)臂架、連桿、油缸和折疊式的平面連桿機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成，可在一定范圍內(nèi)輸送混凝土料，且具有回轉(zhuǎn)、伸縮和折疊等功能。本文采用Pro/E軟件對臂架各零部件進(jìn)行了建模，并完成裝配，臂架系統(tǒng)幾何模型如圖1所示。

采用Pro/MECHANINCA的AUTOGEM模塊分別對轉(zhuǎn)臺、變幅油缸、連桿、各節(jié)臂架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖1 混凝土泵車的三維幾何模型

1.2 載荷種類

混凝土泵車臂架系統(tǒng)承受的載荷包括其自身的重力和混凝土的重力與混凝土流動引起的動載。此外，還有一些附加載荷，比如風(fēng)載和端部牽引力等。

圖2 轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格的劃分示意圖

圖3 變幅油缸的網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 連桿網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 臂架網(wǎng)格劃分示意圖

其中，臂架和輸送管等結(jié)構(gòu)的自重是混凝土泵車承受的主要載荷，它包括各節(jié)臂、變幅油缸、連桿機(jī)構(gòu)、混凝土輸送管、混凝土輸送管支撐架、連接銷釘和末端軟管等結(jié)構(gòu)件的總重量G.

臂架的工作載荷包括：輸送管和末端軟管里混凝土的質(zhì)量。

端部牽引力：泵車作業(yè)布料時，需要工人牽引臂架末端的橡膠軟管進(jìn)行澆筑，端部牽引力就是工人牽引軟管時引起的側(cè)向拉力，在設(shè)計時一般取Fs=300 N.

風(fēng)載：在臂架工作時，有時會受到側(cè)向風(fēng)的作用而產(chǎn)生風(fēng)載。

回轉(zhuǎn)慣性力：臂架系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)臺開始轉(zhuǎn)動時或臂架系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)過程中突然制動時，臂架會產(chǎn)生慣性力，我們將這種慣性力叫做回轉(zhuǎn)慣性力[10]。

1.3 臂架系統(tǒng)的有限元分析

本文選取臂架的最不利工況(所有臂架均展開且處于水平狀態(tài))進(jìn)行分析。臂架結(jié)構(gòu)由進(jìn)口高強(qiáng)度鋼WELDOX900E焊接而成，材料的性能如表1所示。

表1 臂架材料的性能

1.4 有限元分析結(jié)果

利用Pro/MECHANINCA對臂架系統(tǒng)進(jìn)行了分析，各節(jié)臂架的最大應(yīng)力如表2所示。

表2 各節(jié)臂架最大應(yīng)力

由表2可知，五節(jié)臂架中所受應(yīng)力最大的是臂架1.根據(jù)材料屬性可知，臂架的最大屈服強(qiáng)度為900 MPa，而臂架1所受的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。綜上所述，五節(jié)臂架結(jié)構(gòu)都存在著很大的優(yōu)化空間。

圖6 臂架1應(yīng)力云圖

由圖6可知，臂架1的最大應(yīng)力處位于臂架1與臂架2相連接的銷孔處，且最大應(yīng)力值為523.62 MPa.

圖7 臂架2應(yīng)力云圖

由圖7可知，臂架2的最大應(yīng)力出現(xiàn)在臂架2與臂架3的連接銷釘孔處，且最大應(yīng)力值為285.32 MPa.

圖8 臂架3應(yīng)力云圖

由圖8可知，臂架3的最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近上蓋板的側(cè)板處，大小為249.19 MPa.

由圖9可知，臂架4的最大應(yīng)力出現(xiàn)在臂架4前段下蓋板拐彎處，大小為75.69 MPa.

圖9 臂架4應(yīng)力云圖

圖10 臂架5應(yīng)力云圖

由圖10可知，臂架5的最大應(yīng)力出現(xiàn)在臂架5與臂架4的連接銷釘孔處，大小為69.54 MPa.

2 臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

2.1.1 設(shè)計變量

首先，從臂架系統(tǒng)的所有參數(shù)中選擇出20組數(shù)據(jù)作為優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量，設(shè)計變量的初值如表3所示。

其次，使用靈敏度分析法對這20組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，從而篩選出對臂架系統(tǒng)的總質(zhì)量影響最大的幾組數(shù)據(jù)出來，從而更好的對臂架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，20組設(shè)計變量的靈敏度計算值如下表4所示。

通過對表4數(shù)據(jù)的分析比較，我們很容易得出靈敏度值最大的10組數(shù)據(jù)，這10組數(shù)據(jù)的靈敏度計算值分析如圖11所示。

圖11 設(shè)計變量靈敏度分析圖

設(shè)計變量初值變量含義X1600臂架1的寬度X220臂架1的厚度X3300臂架1前段孔的直徑X4150臂架1后段孔的直徑X5515臂架2的寬度X620臂架2的厚度X7150臂架2前段孔的半徑X8150臂架2段后孔的半徑X9330臂架3的寬度X1020臂架3的厚度X11150臂架3前段孔的半徑X12150臂架3段孔的半徑X13250臂架4的寬度X1420臂架4的厚度X15100臂架4前段孔的半徑X1680臂架4段孔的半徑X17150臂架5的寬度X1820臂架5的厚度X19150臂架5前段孔的半徑X20100臂架5段孔的半徑

表4 設(shè)計變量的靈敏度計算值

最后，重新為這10組設(shè)計變量進(jìn)行排序，并給他們設(shè)定優(yōu)化的上下限，如表5所示。

2.1.2 約束條件

(1)根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸，在不發(fā)生干涉的前提下確定各個設(shè)計變量的范圍。

表5 設(shè)計變量的優(yōu)化范圍

(2)臂架折疊后各變幅油缸的長度Umin應(yīng)當(dāng)包含去油缸的行程(Umax-Umin)，應(yīng)滿足：

Umin≥(Umax-Umin)

(1)

(3)所考慮的多個工況中，各油缸軸向力均不能大于優(yōu)化前的力[4-7]。

2.1.3 目標(biāo)函數(shù)

以泵車臂架質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，如下式所示：

minm(x)=ρV(x1，x2，…，xn)

(2)

式中：ρ——臂架密度；

xi——設(shè)計變量。

2.1.4 優(yōu)化結(jié)果

利用Pro/MECHANINCA 中的優(yōu)化設(shè)計，對表5數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

表6 設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)原始總質(zhì)量是11 810.53 kg，通過優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量降低了10%，提高了泵車制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖12臂架優(yōu)化前后的對比圖

Fig.12Comparisonchartofarmframebeforeandafteroptimization

(2)使用Pro/E軟件對臂架系統(tǒng)進(jìn)行分析，也給研發(fā)人員提供了一種新的思路，因為大多數(shù)只是使用Pro/E作為一種建模軟件。

(3)基于Pro/E軟件對臂架系統(tǒng)進(jìn)行了建模、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的一體分析，最大可能地減少了建模軟件和分析軟件之間數(shù)據(jù)文件的銜接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在不同階段傳遞的無縫連接，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。

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