王振 朱偉麗
摘要:介紹了混凝土攪拌運輸車前后支架的重要作用,通過對前后支架五種工況下的有限元分析校核該結(jié)構的剛強度是否滿足要求。根據(jù)分析的結(jié)果,對前后支架進行輕量化優(yōu)化設計,再次通過有限元分析進行校核,驗證了該設計更加合理,且自重降低,滿足市場需求。
關鍵詞:混凝土攪拌運輸車;前后支架;有限元分析;輕量化;安全系數(shù)
中圖分類號:TH136 收稿日期:2022—04—02
DOI:10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.010
1前言
攪拌車輕量化經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)形成了多種成熟的優(yōu)化模式,如優(yōu)化車身結(jié)構、使用輕量化材料,以及通過先進的制造工藝到材料回收再利用等技術手段,其中使用輕量化材料和運用先進制造工藝的輕量化效果最為顯著,實現(xiàn)了車輛的節(jié)能減排,降低了用戶的用車成本。
攪拌車前后支架的強度和剛度對攪拌車有重大影響,強度低容易斷裂,剛度低容易扭曲變形。通過NX三維設計軟件自頂向下及等高設計思路,并通過有限元運動仿真及受力分析,在滿足車架強度和剛度的前提下盡量使前后支架輕量化,提高燃油經(jīng)濟性,降低運輸成本。
2前后支架結(jié)構
混凝土攪拌運輸車的結(jié)構布置如下:攪拌罐體前端安裝有減速機,減速機固定在前支架上;攪拌罐上的滾道落在拖輪上方,拖輪固定在后支架上;前后支架分布在攪拌車車架前后兩端,對攪拌罐體和裝載的混凝土起到支撐作用。由于在滿載運輸混凝土的過程中,前后支架受到交變載荷的反復作用,所以很容易發(fā)生疲勞破壞和斷裂。
攪拌車的前支架主要由側(cè)板、前板、加強板、后板、頂板組成,后支架主要由側(cè)板、前板、筋板、頂板、后板、加強件組成。前后支架與車架的連接有焊接式和裝配式兩種,本文中有限元分析的是前后支架焊接式結(jié)構。
前后支架作為重要的支撐部件,需保證它們的強度和剛度,所以前后支架的材質(zhì)和結(jié)構起到關鍵作用。攪拌車經(jīng)過多年的發(fā)展,前后支架的結(jié)構已經(jīng)比較成熟,所以新材料的應用越來越受到關注。
3各工況下前后支架有限元分析
攪拌罐內(nèi)的葉片會造成混凝土在攪拌罐旋轉(zhuǎn)過程中質(zhì)心的位置偏心,因此前后支架的左右支撐點作用反力不一致。前后支架支撐點分為前支架左支撐點、前支架右支撐點、后支架左支撐點、后支架右支撐點,因各個支撐點在XYZ三軸方向均承受力的作用,所以各支反力大小均考慮了1.2倍動載系數(shù)。
前后支架材質(zhì)為Q355B,材料彈性模量210 GPa,泊松比0.3,屈服強度463 MPa,抗拉強度556 MPa,延伸率27.6%,強度安全系數(shù)為1.3,前后支架有限元分析采用殼單元進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸平均10 mm。前后支架模型如圖1所示。
靜力有限元分析工況包括滿載勻速上坡、滿載勻速下坡、滿載彎曲、滿載制動以及滿載轉(zhuǎn)彎五種工況。分析這五種工況下前后支架結(jié)構的強度和剛度,并進行前后支架輕量化優(yōu)化的有限元分析選出最不利的工況。以下是具體有限元分析的結(jié)果。
3.1滿載勻速上坡工況下的有限元分析
滿載勻速上坡工況下前后支架應力和變形云圖如圖2所示,最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為269.3 MPa,位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處,最大變形量為0.5mm,位于前支架左邊側(cè)板與頂板交接處;后支架最大等效應力為119.7MPa,位于后支架左筋板中間開口圓角處,最大變形量為1.2mm,位于后支架左側(cè)板上沿處。
3.2滿載勻速下坡工況下的有限元分析
滿載勻速下坡工況下前后支架應力和變形云圖如圖3所示,最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為284.4 MPa,位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處,最大變形量為1mm,位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為121.9 MPa,位于后支架左筋板中間開口圓角處,最大變形量為1.2mm,位于后支架左側(cè)板上沿處。
3.3滿載彎曲工況下的有限元分析
滿載彎曲工況(平路運輸)下前后支架應力和變形云圖如圖4所示,最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為158MPa,位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處,最大變形量為0.4mm,位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為126.2 MPa,位于后支架左筋板中間開口圓角處,最大變形量為1.3mm,位于后支架左側(cè)板上沿處。
a.前支架應力云圖
b.前臺位移云圖
c.后支架應力云圖
d.后臺位移云圖
3.4滿載制動工況下的有限元分析
滿載制動工況下前后支架應力和變形云圖如圖5所示,最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為292.4MPa,位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處,最大變形量為1mm,位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為172.1 MPa,位于后支架頂板與側(cè)板交接處,最大變形量為0.4mm,位于后支架前板開口處。
3.5滿載轉(zhuǎn)彎工況下的有限元分析
滿載轉(zhuǎn)彎工況下前后支架應力和變形云圖如圖6所示,最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為289.7 MPa,位于前支架左邊側(cè)板底部與車架橫梁交接處,最大變形量為0.8 mm,位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為225.2 MPa,位于后支架前板下端開口處,最大變形量為3.2mm,位于左側(cè)板上沿處。
根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以看出,前后支架在五種工況下,安全系數(shù)均大于1.3,特別是后支架的安全系數(shù)更高,所以目前的結(jié)構形式滿足使用要求,可以進一步進行輕量化優(yōu)化設計。
4前后支架輕量化優(yōu)化
攪拌車前后支架輕量化的最終目的是讓前后結(jié)構的安全性和重量處于一個平衡狀態(tài),即結(jié)構安全的前提下保證前后支架重量最小。因此對前后支架材料進行升級,即材料更換為610L。610L材料彈性模量為221 GPa,泊松比0.29,屈服強度590 MPa,抗拉強度664 MPa,延伸率24.1%。對以上五種工況(尤其是滿載轉(zhuǎn)彎工況)的前后支架進行輕量化優(yōu)化仿真分析,前后支架零件編號如圖7所示,具體優(yōu)化結(jié)果見表2。
對輕量化優(yōu)化后的前后支架進行上述五種工況有限元分析,優(yōu)化后滿載勻速上坡應力云圖如圖8所示,優(yōu)化后滿載勻速下坡工況應力云圖如圖9所示,優(yōu)化后滿載轉(zhuǎn)彎工況應力云圖如圖10所示。優(yōu)化后各工況的變形云圖不再顯示,因為位置一樣,只是變形量不同,各工況部件最大等效應力及變形量見表3。
對表1和表3進行分析,前后支架優(yōu)化后各工況的應力安全系數(shù)都大于1.3,優(yōu)化后前支架安全系數(shù)與原結(jié)構基本一致;后支架強度安全系數(shù)稍有降低,但還是超過要求的設定值,所以輕量化優(yōu)化方案滿足要求。
5 結(jié)語
通過對攪拌車前后支架做強度、剛度的有限元分析以及輕量化優(yōu)化后的有限元分析,得出結(jié)果為:攪拌車前后支架原結(jié)構強度滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側(cè)向轉(zhuǎn)彎五種工況要求,特別是后支架安全系數(shù)更高,所以可以進行下一步的輕量化設計。輕量化設計方案為材料更換為610L,攪拌車前后支架原質(zhì)量為323.51 kg,輕量化后質(zhì)量為243.1kg,減重80.41kg,減重24.8%,經(jīng)濟效益較高。輕量化后進行有限元分析,攪拌車前后支架輕量化后強度安全系數(shù)均大于要求值,變形量稍有增大,但同樣滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側(cè)向轉(zhuǎn)彎五種狀況要求。
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