基于Adams的混凝土泵車(chē)臂架有限元分析

李海波 楊剛 張進(jìn)

1. 湖南響箭重工科技有限公司 湖南 常德 415106；

2. 臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院 浙江 臺(tái)州 318020

引言

隨著基建項(xiàng)目的大力開(kāi)發(fā)，混凝土泵車(chē)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。混凝土泵車(chē)是一種集成泵、支撐機(jī)構(gòu)、布料桿于改裝卡車(chē)底盤(pán)上以實(shí)現(xiàn)混凝土高效泵送的特種工程機(jī)械[4]?；炷帘密?chē)各部件間存在著耦合作用，泵車(chē)的負(fù)載、重量、尺寸、傾覆力均隨臂架的加長(zhǎng)而增大[5]。隨著施工需求的持續(xù)升級(jí)，對(duì)臂架系統(tǒng)及節(jié)數(shù)的需求日益提升。因此，在確保臂架強(qiáng)度及剛度滿(mǎn)足安全的情形下，泵車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)意義十分重大。本研究基于泵車(chē)幾何模型，建立每一節(jié)臂和連桿、轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)的有限元模型，結(jié)合Adams有限元分析軟件對(duì)不同工況下臂架一的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析，在確保安全、可靠的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化臂架設(shè)計(jì)。

1 模型的建立

1.1 臂架有限元模型

圖1 臂架有限元模型

根據(jù)幾何模型，建立每一節(jié)臂和連桿、轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)的有限元模型，其中，臂架有限元模型如圖1所示，采用片體單元進(jìn)行有限元模擬，片體取臂架截面的內(nèi)表面。臂架、連桿和轉(zhuǎn)臺(tái)有限元網(wǎng)格大小按照15-30mm進(jìn)行劃分，單元類(lèi)型為QUAD4及少量TRIA3板殼單元，臂架兩端網(wǎng)格細(xì)化。臂架分析中，輸料管、銷(xiāo)軸、三角連桿采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行仿真模擬，油缸和直連桿采用桿單元進(jìn)行仿真模擬。臂頭用桿單元模擬一個(gè)連桿（臂架一為油缸），臂尾用桿單元模擬油缸和直連桿，梁?jiǎn)卧M三角連桿和下一節(jié)臂。

1.2 臂架工況與載荷

載荷主要包括以下幾個(gè)部分：

（1）自重載荷。根據(jù)有限元軟件自身功能，在前處理程序中輸入對(duì)應(yīng)材料的密度及重力加速度，程序便根據(jù)輸入單元截面形狀，計(jì)算模型重量。

（2）工作載荷。工作載荷為所分析的臂架后面的質(zhì)量部分所產(chǎn)生的彎矩和剪力。

（3）風(fēng)載。壓強(qiáng)為250 Pa。單節(jié)臂產(chǎn)生的風(fēng)載很小，可以忽略。所加的風(fēng)載為所分析的臂架后面的部分由于風(fēng)載產(chǎn)生的彎矩和剪力。

圖2 模型加載及約束圖

圖2為模型加載及約束圖，所加的彎矩和剪力數(shù)據(jù)由三維模型和EXCEL表算出，取動(dòng)載系數(shù)為結(jié)構(gòu)1.1、混凝土1.3，臂架分析中約束臂頭鉸孔中心和臂頭連桿或油缸桿單元的端點(diǎn)的移動(dòng)自由度。

由Adams有限元分析軟件對(duì)臂架鉸點(diǎn)組進(jìn)行分析，分別取臂尾鉸點(diǎn)組油缸最大力和三角連桿、直連桿最大力時(shí)臂架的姿態(tài)進(jìn)行有限元分析。臂頭連桿（或油缸）始終保持其受力最大時(shí)的姿態(tài)，圖3為臂尾鉸點(diǎn)組Adams仿真模型及曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)比有限元結(jié)果和Adams結(jié)果中的連桿、油缸力來(lái)驗(yàn)證有限元模型的加載是否準(zhǔn)確。連桿的載荷和工況同樣來(lái)自Adams分析。

圖3 臂架鉸點(diǎn)組Adams仿真模型及曲線(xiàn)

1.3 分析結(jié)果評(píng)估

臂架材料許用應(yīng)力如表1所示，要求各部件無(wú)應(yīng)力集中，臂架單節(jié)臂變形比例需小于5%。

表1 材料許用應(yīng)力表

2 結(jié)果與討論

2.1 工況分析

圖4所示為臂架一與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸點(diǎn)Adams仿真姿態(tài)，臂架一從水平0°轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直90°，其他臂架保持水平，滿(mǎn)載工作工況。有限元分析得到一號(hào)油缸力結(jié)果如圖5所示，一號(hào)油缸在0°水平工況時(shí)受力最大。

圖4 臂架一與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸點(diǎn)Adams仿真姿態(tài)

圖5 一號(hào)油缸力Adams有限元分析曲線(xiàn)

圖6所示為臂架一、二鉸點(diǎn)組臂架滿(mǎn)載工況Adams仿真姿態(tài)，考慮臂架一、二轉(zhuǎn)角θ從30°轉(zhuǎn)到180°，四、五、六臂保持水平。θ在0°到30°只需考慮臂架一水平，其他所有臂架收攏時(shí)的工況，此時(shí)油缸受拉。圖7所示為臂架一、二鉸點(diǎn)組有限元分析曲線(xiàn)，由圖分析可知，在水平工況時(shí)直連桿和三角連桿力達(dá)到最大，143°時(shí)油缸力達(dá)到最大。

圖6 臂架一、二鉸點(diǎn)組滿(mǎn)載工況

圖7 臂架一、二鉸點(diǎn)組有限元分析曲線(xiàn)

經(jīng)分析，臂架一所需分析的工況應(yīng)為水平工況、垂直工況和143°工況三種，所施加的載荷為：彎矩M=1354666169 N.mm，剪力F=87514 N，扭矩T=37800298 N.mm，風(fēng)載扭矩TW=72717275 N.mm。

2.2 水平工況

圖8-10所示為臂架一水平工況下縱向變形圖、橫向變形圖及綜合變形圖，由圖可知，臂架一最大縱向變形為283mm，變形比例為2.4%；臂架一最大橫向變形為20mm，變形比例為0.17%；臂架一最大綜合變形為284mm，變形比例為2.4%。圖11所示為臂架一水平工況應(yīng)力云圖，由圖可知，臂架一最大應(yīng)力為591MPa，位于內(nèi)部縱筋母材邊。

圖8 臂架一水平工況縱向變形圖

圖9 臂架一水平工況橫向變形圖

圖10 臂架一水平工況綜合變形圖

圖11 臂架一水平工況應(yīng)力云圖

2.3 垂直工況

垂直工況臂架一為豎直狀態(tài)，其他為臂架水平的姿態(tài)。圖12所示為臂架一垂直工況綜合變形圖，由圖可知，最大變形為194 mm，變形比例為1.7%。圖13所示為臂架一垂直工況應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為540MPa，位于大頭底板油缸座缸口圓弧邊。

圖12 臂架一水平工況綜合變形圖

圖13 臂架一水平工況綜合變形圖

2.4 143°工況

圖14所示為臂架—143°工況綜合變形圖，由圖可知，最大變形為242mm，變形比例為2.1%。圖15所示為臂架—143°工況應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為572MPa，位于內(nèi)部縱筋母材邊。

圖14 臂架一143°工況綜合變形圖

圖15 臂架一143°工況應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)幾何模型，建立每一節(jié)臂和連桿、轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)的有限元模型?；贏dams有限元分析軟件對(duì)臂架一水平、垂直兩個(gè)極限工況以及143°工況的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行了分析。水平工況的最大應(yīng)力591MPa，位于內(nèi)部縱筋母材邊。垂直工況的最大應(yīng)力540MPa，位于大頭底板油缸座缸口圓弧邊。143°工況最大應(yīng)力為572MPa，位于內(nèi)部縱筋母材邊緣。最大應(yīng)力均在600MPa以下，大片應(yīng)力均在500MPa以下，變形比例小于5%。臂架一結(jié)構(gòu)應(yīng)力、和變形符合設(shè)計(jì)要求。