水泥裝車機(jī)機(jī)架有限元靜力學(xué)分析

鄧援超，趙黎明，王雪梅，周謨林

水泥裝車機(jī)機(jī)架有限元靜力學(xué)分析

鄧援超1，趙黎明1，王雪梅2，周謨林1

（1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430068；2湖北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局行政許可技術(shù)評(píng)審中心，湖北武漢430068）

為了保證裝車機(jī)在不同工況下的工作性能，針對(duì)水泥裝車機(jī)在工作過程中的幾種典型工況，對(duì)裝車機(jī)機(jī)架進(jìn)行基于有限元的靜力學(xué)分析，以了解機(jī)架在不同工況下變形和應(yīng)力分布情況，為裝車機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論依據(jù)。

水泥裝車；有限元；機(jī)架；靜力學(xué)分析

水泥裝車機(jī)以懸置式的方式工作，工況復(fù)雜多變，因而對(duì)其中關(guān)鍵零部件工作性能要求較高［1－2］。主機(jī)機(jī)架作為整個(gè)裝車機(jī)的重要承載結(jié)構(gòu)，其工作時(shí)承受著各種類型的復(fù)雜載荷，對(duì)整個(gè)裝車機(jī)性能的優(yōu)劣有著非常重要的影響。

1 水泥裝車機(jī)主機(jī)方案

根據(jù)水泥裝車機(jī)各部分功能的不同，可以把裝車機(jī)劃分為四大部分：水泥輸送裝置、Y軸Z軸運(yùn)動(dòng)裝置、水泥分配平臺(tái)和碼垛裝置。其總體機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，本文所研究的對(duì)象就是水泥分配平臺(tái)機(jī)架［3］。

圖1 裝車機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的建立

本課題中水泥裝車機(jī)機(jī)架［4］主要由Q235槽鋼采用焊接的方式加工而成。Q235材料屬性如表1所示。

表1 Q235材料屬性

機(jī)架總長3300mm，總寬2800mm，機(jī)架總質(zhì)量約為500kg。建立正確合理的裝車機(jī)機(jī)架模型是進(jìn)行有限元分析與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一個(gè)好的有限元模型可以真實(shí)地反映出原設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，使得后期的分析設(shè)計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確，結(jié)果更加逼近真實(shí)性?？紤]到裝車機(jī)機(jī)架上面的安裝孔位比較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建立裝車機(jī)機(jī)架的有限元模型時(shí)做了一定的簡化，其簡化遵循以下幾個(gè)主要原則。

1）對(duì)于裝車機(jī)機(jī)架中較小的圓角、倒角等進(jìn)行了簡化，這些小的細(xì)節(jié)不會(huì)對(duì)機(jī)架的整體受力產(chǎn)生太大的影響。保留對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的加工孔位，對(duì)于結(jié)構(gòu)突變較大的地方必須保留原有的細(xì)節(jié)，以得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

2）將機(jī)架上裝飾性的設(shè)計(jì)和連接部件忽略掉，這樣可以提高建模效率，又可以使得整個(gè)模型簡潔美觀。

2.1 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)，要選擇合適的單元形狀和大?。?］。常見的單元類型有四面體單元、六面體單元等。單元體的大小根據(jù)實(shí)際情況而定，單元越小，劃分得越細(xì)，計(jì)算精度就越高，但是所需計(jì)算時(shí)間也越長，所以在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，單元格選擇大一點(diǎn)。在必要的應(yīng)力集中部位，可以采用較小幾何尺寸單元，使單元?jiǎng)澐值妹芤恍?dāng)單元大小不一樣時(shí)，要逐漸過渡。在該機(jī)架中采用的是四面體網(wǎng)格。四面體網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)是可以施加于任何幾何體并且可快速、自動(dòng)生成，在關(guān)鍵區(qū)域容易使用曲度和近似尺寸功能自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格以利于進(jìn)行邊界識(shí)別，邊界層有助于法向網(wǎng)格的細(xì)化。本文中得到的機(jī)架網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.2 載荷施加和邊界條件

裝車機(jī)機(jī)架懸置式安裝，受到的載荷主要有碼垛裝置的壓力、水泥包釋放閘門裝置的壓力、皮帶機(jī)的重力作用，還有機(jī)架自身的重力作用。在不同工況條件下，機(jī)架所受載荷的位置不同。

3 機(jī)架的有限元結(jié)果分析

3.1 普通工況下結(jié)果分析

對(duì)上述機(jī)架的有限元模型進(jìn)行求解后，得到了水泥裝車機(jī)機(jī)架的應(yīng)力（Stress）云圖（圖3）和變形（Deformation）云圖（圖4）。

圖3 普通工況下機(jī)架應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，機(jī)架較大的應(yīng)力區(qū)域主要集中在機(jī)架的中間橫梁上面和幾個(gè)機(jī)架與升降裝置的連接區(qū)域，最大值約為176.5MPa。該區(qū)域是載荷集中區(qū)域，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致機(jī)架的破壞。在機(jī)架的其他承受載荷區(qū)域，大部分區(qū)域應(yīng)力值處于20～100MPa。由水泥裝車機(jī)機(jī)架材料的力學(xué)性能可知，機(jī)架的屈服極限為235MPa，機(jī)架的最大應(yīng)力值小于材料的屈服極限。

圖4 普通工況下機(jī)架總變形云圖

由圖4機(jī)架總變形云圖可以看出，機(jī)架的最大變形量大約為2.5mm，其中最大變形發(fā)生在機(jī)架兩個(gè)側(cè)邊梁和其中一根橫梁上面，最大變形量2.5mm。分析結(jié)果表明，機(jī)架中間連接橫梁和側(cè)面橫梁局部存在剛度不足問題。通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)架側(cè)邊橫梁前段的變形量較中間部分要小，而實(shí)際情況機(jī)架前段所受到的載荷要大于中間部分。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)樵诔跏荚O(shè)計(jì)過程中，對(duì)機(jī)架前段的承受較大載荷部分采用了雙槽鋼疊加的設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)得到了加強(qiáng)?？偟膩碚f，機(jī)架的最大變形量處于一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值上，說明機(jī)架在普通工況下具有較優(yōu)的抗變形能力。但由于裝車機(jī)實(shí)際工作中工況復(fù)雜，為了保證機(jī)架具備良好的工作性能，機(jī)架的局部剛度還有待進(jìn)一步提高。

3.2 極限工況一結(jié)果分析

裝車機(jī)整體采用雙通道雙碼垛裝置同時(shí)碼垛的方式進(jìn)行碼包，所以在水泥裝車機(jī)的工作過程中，存在一種極限工況，就是2個(gè)碼垛裝置同時(shí)偏置一側(cè)，而2個(gè)分配水泥包的裝置同時(shí)偏置到另一側(cè)，這樣便形成了一種極限工況。在該極限工況下，機(jī)架所受的載荷與普通工況下有所不同，對(duì)機(jī)架的強(qiáng)度提出更高的要求，所以對(duì)該種極限工況下的機(jī)架進(jìn)行了基于有限元的仿真分析，得到的結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 極限工況一下機(jī)架應(yīng)力云圖

由圖5可見，機(jī)架整體情況應(yīng)力值在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（20～160MPa），但局部應(yīng)力最大值達(dá)到209 MPa。該值較普通工況下的應(yīng)力值相比有所增大，說明該工況對(duì)機(jī)架局部應(yīng)力集中部位需要要求更高。所以針對(duì)該區(qū)域，需要做結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理。

圖6 極限工況一下機(jī)架總變形云圖

由圖6可見，機(jī)架的總變形最大值為2.53mm，最大變形發(fā)生的位置為機(jī)架左側(cè)橫梁的端部和右側(cè)橫梁的尾部的。其余位置的變形量在小于2mm的范圍內(nèi)。該分析結(jié)果與第一代水泥裝車機(jī)在實(shí)際調(diào)試過程中機(jī)架變形的實(shí)際情況相吻合，機(jī)架變形的最大位置之所以在這兩個(gè)位置，就是由于在該工況下載荷偏置所導(dǎo)致的。

3.3 極限工況二結(jié)果分析

水泥裝車機(jī)的工作過程中，還存在著另一種極限工況，就是兩個(gè)碼垛裝置和兩個(gè)分配皮帶機(jī)同時(shí)偏置到一側(cè)，導(dǎo)致機(jī)架所受載荷位置再次發(fā)生變化。對(duì)該種極限工況下的機(jī)架進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 極限工況二下機(jī)架應(yīng)力變化云圖

由圖7可見，機(jī)架的最大應(yīng)力值為130MPa，最大應(yīng)力位置在中間連接橫梁處，機(jī)架的應(yīng)力是三種工況下最小的，滿足使用要求。

圖8 極限工況二下機(jī)架總變形云圖

由圖8可見，機(jī)架的總變形最大值為2.17mm，最大變形發(fā)生的位置為載荷偏置側(cè)橫梁。其余位置的變形量較小，由載荷偏置側(cè)向另一側(cè)逐漸遞減。出現(xiàn)該種結(jié)果也是由于載荷偏置所導(dǎo)致的。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合在普通工況和極限工況下的靜力學(xué)分析結(jié)果可得，裝車機(jī)機(jī)架在普通工況下基本滿足使用要求，局部存在剛度不足的問題；在極限工況下，存在應(yīng)力集中較大的區(qū)域與剛度不足的問題，因此不能完全滿足裝車機(jī)的使用要求，需要進(jìn)行一定的優(yōu)化與改進(jìn)。

1）機(jī)架中間的變形量較大的橫梁可以采用變截面梁，在變形區(qū)域較大的區(qū)域增加梁的截面面積。

2）通過不同工況下的分析結(jié)果可以看出，在機(jī)架中存在一部分應(yīng)力和變形都非常小的區(qū)域，對(duì)于這些應(yīng)力較小變形不大的區(qū)域，可以減少壁厚或者減少多余的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3）對(duì)機(jī)架的可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以保證強(qiáng)度不變的情況下減小整個(gè)機(jī)架的重量，并可以降低最大應(yīng)力值，改善應(yīng)力的分布狀態(tài)。

綜合以上對(duì)主機(jī)機(jī)架的改進(jìn)措施，得到主機(jī)機(jī)架優(yōu)化的總成方案如圖9所示。

圖9 機(jī)架優(yōu)化結(jié)構(gòu)

進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)架總質(zhì)量約為300kg，優(yōu)化之前的機(jī)架總質(zhì)量約為400kg，質(zhì)量約減少25%。

5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證

為了保證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的實(shí)用性，需進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化后的主機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)合之前對(duì)原有機(jī)架在三種典型工況下的分析結(jié)果，選取極限工況一進(jìn)行驗(yàn)證分析，優(yōu)化后的機(jī)架結(jié)構(gòu)在極限工況一下的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)變形云圖

從優(yōu)化后的驗(yàn)證分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在極限工況一下最大應(yīng)力為52MPa，最大變形量為1.6 mm，可以滿足裝車機(jī)的工作要求。但進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后的機(jī)架總質(zhì)量減少了約25%。說明改進(jìn)后的機(jī)架改進(jìn)方案合理，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

在不同工況條件下對(duì)水泥裝車機(jī)主機(jī)機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出了其存在局部剛度不足問題的結(jié)論，針對(duì)該問題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)在極限工況下做了驗(yàn)證分析。從優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果可以看出，主機(jī)機(jī)架質(zhì)量減少了約25%。從驗(yàn)證分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的機(jī)架變形和應(yīng)力都有所改善，其大小都處于合理范圍內(nèi)，滿足主機(jī)機(jī)架的工作要求。該優(yōu)化方案可行，結(jié)構(gòu)改進(jìn)合理。

［1］ 魏兵，熊禾根.機(jī)械原理［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

［2］ 陳錫棟，楊婕，趙曉棟，等.有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2010，39（11）：6－8.

［3］ 陳偉.電動(dòng)汽車車架結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2012.

［4］ 白修山.半掛車車架結(jié)構(gòu)有限元分析［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

［5］ 許冠能.基于有限元的某微型車車架強(qiáng)度分析［J］.大眾科技，2013（5）：111－113.

The Statics Analysis of the Frame of Cement Loading Machine Based on ANSYS

DENG Yuanchao1，ZHAO Liming1，WANG Xuemei2，ZHOU Molin1
（1 School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Hubei Provincial Bureau of Quality and Technical Supervision Administrative Licensing Technology Review Center.Wuhan 430068，China）

In order to ensure the performance of loading machine under different working conditions，aiming at several typical working conditions of cement loading machine in the work process，this paper analyzes the statics finite element based on loading machine.It will help understand the frame under different conditions of deformation and stress distribution conditions，and provide a theoretical basis for the design and improvement of loading machine frame.

cement loading；finite element；frame；static analysis

TH243

A

［責(zé)任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0012－03

2017－05－24

鄧援超（1963－），男，湖北孝感人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論

趙黎明（1990－），男，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程