61m混凝土泵车底架的ANSYS有限元分析.pdf

61m 混凝土泵车底架的AN SY S 有限元分析 T h eA n s y sA p p l i c a t i o na n dF i n i t eE l e m e n t A n a l y s i so fB a s e S t r u c t u r eo f6 1 m e t e rT r u c kM o u n t e dC o n c r e t eP u m p 长沙中联重工科技发展股份有限公司李勋文 L IX u n w e n 摘要 本文采用A N S Y S 分析软件对长沙中联重工科技发展股份有限公司 下简称中联重科 6 l m 混凝土泵车的 底架进行了模拟分析 得出6 1 m 混凝土泵车泵车底架的应力分市规律并总结了改进措施和提出工艺要求 关键词 混凝土泵车有限元模拟计算底架 混凝土泵车移动灵活 使用方便 布料臂架具有 变幅 曲折和回转三个功能 输送管道沿着臂架铺设 在臂架活动范围内可以任意改变混凝土浇注位置 不 需在现场临时铺设管道 节省辅助时间 提高功效 泵 送量大 浇注质量高 正越来越受到施工单位和租赁 公司的青睐 已被广泛用于房屋 桥梁 高速公路等 工程施工 混凝土泵车是长沙中联重工科技发展股份 有限公司主导产品之一 在中短产品系列逐渐完善的 基础上 拟开发长臂架泵车 于2 0 0 7 年开始开发前腿 前摆后腿后摆的61 m 五桥长混凝土新型支腿第架结构 泵车 它的开发可以展示民族产业的技术实力和制造 能力 为行业的技术创新和技术提升起到很好的推动 作 提高国内工程机械企业的国际竞争力 促进我国 泵送混凝土技术得到更广泛的应用 实现施工方法的 现代化 将产生良好的经济效益和社会效益 底架是混凝土泵车上的关键部件之一 其上部连 接回转支承 上转台及混凝土臂架 下部通过副车架 与底盘相连接 是混凝土泵车结构中承上启下的的部 件 中联重科6 1 m 泵车底架如图1 所示 底架前端二 耳与前摆式前腿连接 后端二耳与后摆式后腿连接 6 1 m 泵车的底架由底架圆筒 左 中 右三个狭长箱 体 其间用隔板分隔成若干个小箱体 左右斜撑杆以 及四个支耳座一道组成为一复杂的空间壳体结构 这 参考文献 1 沙庆林 高等级公路半刚性基层沥青路面 M 北京 人民交 通出版社 1 9 9 8 2 天津市市政工程研究院 半刚性基层抗裂技术研究 M 天津 2 0 0 3 8 2 a 帆 2 0 0 8 0 6 图l 底架与支腿的连接示意图 种结构难以用经典的结构力学或材料力学的方法来进 行分析 采用有限元法是分析这种结构的一种有效途 径 可以系统直观地反映整个底架的应力及变形趋势 我们采用A N S Y S 分析软件对其进行有限元分析 1 整机工况分析 混凝土泵车在工作时 各节臂在垂直平面内自由 转动 位于底架上方的所有转动部件如臂架 回转支 承等可3 6 0 全回转作业 底架所受载荷是一种随布料 臂架旋转而变化着的载荷 它由臂架作用在下转台上的 垂直力和倾覆弯矩组成 当臂架中心线和机架纵轴线 重合时 倾覆弯矩对底架的作用是一个完全的弯曲力 3 许海云 武启诚 周卫峰 等 振动法设计水泥稳定碎石在 申嘉湖高速公路的应用 上海公路 2 0 0 7 4 收稿日期 2 0 0 8 0 3 18 通讯地址 武启诚 嘉兴市中山东路县南街46 号 B A 尾侧 图26 1 m 泵车底架支腿工况图 矩 当臂架中心线与机架纵轴线垂直时 倾覆弯矩对 底架的作用则是一个完全的扭转力矩 介于这两者之 间时倾覆弯矩则呈现出弯扭复合作用 在泵车的各种 工况中 当各节臂处于水平工况即各节臂与水平地面 平行布料时 底架承受的倾覆弯矩最大 其相应的应 力最大 臂架方向支腿反力也最大 当图2 所示的p 角 为锐角4 5 8 时 经计算得出 臂架方向支腿D 支腿 反力最大 与其对侧的支腿B 支腿反力为零 支腿抬 起 p 角为钝角1 3 4 2 时 经计算得出 臂架方向 支腿A 支腿反力最大 与其对侧的支腿C 支腿反力为 零 支腿抬起 整个泵车的支撑由四点支撑变为三点 支撑 底架与支腿连接的二个耳座将承受较大的拉压 t 一 生璺 前支幄垂克油打中心 t G a 二 a j 应力 由于为对称结构 B C 支腿受力与A D 支腿 受力情况一致 故我们只要分析A D 支腿即可 由于 结构原因 底架的耳座及其连接部位及圆筒部份相对 底架其它箱体部位往往较弱 此部位受力最为恶劣 故 对此工况进行详细分析 以观底架的应力 变形情况 2 底架的受力分析 由于长臂架原因 此底架与后支腿方被上方的臂 架占椐了较大的空间 底盘纵梁上表面距地面相对中 短臂架泵车底盘要高 而泵车的总高度要求在4 m 或者 以下 所以底架的上下盖板之间的高度受到限制 而 各处的结构受力不一致 我们将此底架做成薄板箱形 多变截面结构 箱形内腔兼作液压油箱 2 1 支腿受力分析 当支腿A D 支腿反力最大时 不会同时受力最 大 底架的连接处将承受较大的拉压应力 经计算当 D 角为锐角4 5 8 和钝角1 3 4 2 时 D A 支腿反力 最大 其余支腿反力情况如下 A 支腿反力最大时D 支腿反力最大时 R a 4 4 7 7 0 0 NR a 0 N R b 1 1 6 4 6 0 N R b 8 5 6 9 0 N R c 0 NR c 1 0 0 4 2 0 N R d 8 6 3 0 0 NR d 4 3 6 4 2 0 N 2 2 底架与前 后支腿A D 连接处的受力分析 图3 底架与前支腿A 连接处的受力分析 N 2 7 广 一L d一 鼬 I后支腿 疰直 l I 缸中心 F 图4 底架与后支腿D 连接处的受力分析 支腿与底架铰点受力分析如图 3 图4 所示 由于摩擦力相对于其 它力较小 为了便于计算 不考虑摩 擦力对受力的影响 由图3 图4 可得 R a l G a R a R a L h N l H a G a L a R d l G d R d R d L f N 2 H d G d L d 式中 R a l R d l 一底架前 后 铰点垂直方向所受作用力 G a G d 一前 后支腿自重 N 1 N 2 一底架前 后铰点水 平方向所受拉压力 L h L f 一前 后支腿至底架 前 后铰点水平方向距离 2 0 0 8 0 6 建设机械技术与管理8 3 H a H d 一力N 1 N 2 之间的距离 R a R d 一前 后支腿反力 L a L d 一前 后支腿重心离回转镜点水平方向距离 经过计算 得铰点A 的受力Ra1 416700N N1 30 33228N 铰点D 的受力R dl 4 2 0 4 20 N N 2 4 5 8 6 7 4 8 N 其它铰点也可相应计算出来 图5 整个底架网格模型图 3回转底座有限元模型的建立和约束条件 3 1 有限元模型的建立 计算单元采用了A N S Y S 单元库中的任意四面体单 元 这种单元由于在其单元方程式中考虑了沿板厚方向 的剪切变形 是一种对薄板和厚板都适应的单元 由于 为任意四面体 故对于构形的适应性较好 只要网格不 过于粗糙 可有较好的计算效果 所做成的模型基本体 现了设计形体的几何特征 并避免了可能导致单元畸变 的细小结构 如底架上的小圆孔等 所形成的网格经检 查无畸变单元产生 图5 为底架网格划分模型图 建立 有限元模型所遵循的原则如下 1 为提高计算的运行速度 油口 小工艺孔对计 算结果影响很小 在建立有限元模型时忽略 2 为提高元件划分的优良率 对为避免应力集中 而采用的倒圆角或板的折弯圆弧 未考虑在内 3 底架圆筒部份只取要关注的部分进行分析计 算 将后支腿部分略去 4 底架的有限元模型采用了P R O E 及A N S Y S l 0 0 软件通过P R E P 多种技术处理和修复 局部应力集中 点采用2 倍及4 倍的网格细化 3 2 边界条件 约束和载荷的施加 将底架的分析计算分成后铰点 后支腿最大反力 时 前铰点 前支腿最大反力时 和底架圆筒三种情 况进行分析计算 8 4c 删2 0 0 8 0 6 图6 后铰点约束及加载 图7 前铰点约束及加载 图8 圆筒约束及加载 在分析前 后铰点处应力时 约束圆筒顶板上表 面 在铰点处各加一对力矩N 1 和N 2 代替支腿对底架 产生的力矩 再加前 后支腿对底架的作用力R a l R d l R a l R d l N I N 2 已在前面计算出来 其它受力较 小的铰点也按相同方法加上 在分析底架圆筒应力时 采用约束与底盘及底架 连接的副车架 加倾覆弯矩和其上部承受的结构件重 量 含动载荷重量 这种约束加载方法在中 短臂架泵车的底架上进 行过分析 被证明是可行的 约束和载荷的施加如图 6 7 8 所示 4 有限元分析结果及结论 从有限元的应力 应变分布云图可以看出 在多板 交叉尖点出现应力集中 实际情况 在这些区域都进行 了圆弧处理及圆弧过渡 其附近应力会显著下降 图9 后铰点反力最大时应力云图 图l O 前铰点反力最大时应力云图 图1 1圆筒正前侧应力云图 图1 2圆筒正右侧4 5 应力云图 其余大部分应力均集中在5 0 0 M P a 以内 上下盖板应力 在6 4 0 M P a 以内 对于应力值小于5 0 0 M P a 的部分 我 图1 3圆筒正侧9 0 应力云图 图1 4后铰点应变云图 其余应变均比此种情况小 们采用屈服强度为6 4 0 M P a 的高强板 对于上下盖板 我们采用屈服强度为9 0 0 M P a 的高强板 由圣维南定理 可知 应力集中点对较远处应力不产生影响 因此 回 转底座的应力分布合理 符合实际工作工况 从有限元分析也可以看出 多板交叉点的应力值 与其附近区域的应力值相比较 呈几何级数增加 这 就要求焊接中严禁在板交叉区域起弧及收弧 同时要 求在设计中应尽可能地在该区域采用大圆角过渡 焊 缝采用圆滑焊接处理 严禁出现焊接缺陷 通过以上数种工况的采用有限元模拟的对比分析 可以了解到随着臂架相位的变化泵车底架上应力的变 化情况 通过有限元模拟我们也可以找出这种复杂结 构上高应力出现的部位 进行有效的设计改进 从而 避免在设计上的盲目性 还可以通过模拟计算来探索 增强结构刚度的措施 这些都是用传统的经典力学方 法是无法做到的 参考文献 1 王富耻 张朝晖编著 A N S Y S1 0 0 有限元分析理论与工程 应用 电子工业出版社 2 0 0 5 5 收稿日期 2 0 0 8 0 5 2 0 通讯地址 长沙中联重工科技发展股份有限公司 混凝土分公司技术部 黪器黝 2 0 0 8 0 6 建设机械技术与管理8 5 61m混凝土泵车底架的ANSYS有限元分析61m混凝土泵车底架的ANSYS有限元分析 作者 李勋文 LI Xunwen 作者单位 长沙中联重工科技发展股份有限公司 刊名 建设机械技术与管理 英文刊名 CONSTRUCTION MACHINERY TECHNOLOGY MANAGEMENT 年 卷 期 2008 21 6 被引用次数 0次 参考文献 1条 参考文献 1条 1 王富耻 张朝晖 ANSYS 10 0有限元分析理论与工程应用 2005 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 郭立新 张国忠 郭咏梅 混凝土泵车布料机构系统有限元建模及其动态分析 建筑机械1999 12 针对臂架式混凝土泵车布料机构的结构特点 建立了布料机构系统的三维有限元模型 通过对三种工况的有限元动态分析 得出了整个系统的固有频率 和振型 以及系统结构动态响应各时刻的变形和应力分布规律 2 期刊论文 唐方台 何玉东 Tang Fangtai HE Yudong 37m混凝土泵车泵送承力结构的有限元分析探讨 建设机械 技术与管理2003 16 8 针对混凝土泵车上复杂空间形态的S形换向阀 转台 料斗等承力结构 本文讨论了根据弹性力学原理的实体单元和板壳单元复合模型的构建和加载 方式 讨论和提出了这些模型上的轴孔接触分布载荷函数的计算式 介绍了S形换向阀和转台的建模分析情况 在国内首先建成了用于混凝土泵和泵车的S形 换向阀 转台 料斗等有限元计算模型 根据这些模型所显现的应力分布规律和变形趋势来指导和改进设计 取得了良好的设计效果 3 学位论文 田润利 混凝土泵车结构力学性能研究 2009 在建筑施工中 混凝土泵车以突出的机动灵活 适宜各种浇注条件等优点 已经成为其不可缺少的车种 并且混凝土泵车经常工作在各种复杂的工 况下 因此要求它具有较高的强度 刚度 具有良好的工作适应性和可靠性 并且具有较小的振动特性 这对混凝土泵车的整体性能的优劣起着至关重 要的作用 本文以某5节臂的45米混凝土泵车为研究对象 以ANSYS软件为工具 采用实体单元与接触单元相结合的方法模拟各个臂架之间的连接 板壳单元和 梁单元用于模拟泵车其余结构 建立了整车有限元计算模型 通过力学分析得出了臂架水平且垂直于支撑点对角线时为泵车危险工况 在典型工况下 采用非线性有限元分析方法对该泵车整体结构进行了强度 刚度及稳定性等静力性能分析 并且根据计算结果进行了现场试验 试验结果表明计算分 析与测量值相当吻合 分析结果为泵车整体结构的设计和优化提供了理论依据 通过对泵车结构进行模态分析 得到了此泵车振动的各阶频率及其振型 对设计方案进行动力学评价 为以后在新产品的设计中能够进行结构动态特性的预估及优化设计提供方法 最后考虑输送混凝土时混凝土泵的周期冲 击和混凝土对输料管的冲击 混凝土对输料管的摩擦力及本身质量的影响 分析了臂架系统在典型工况时的瞬态动力响应 包括动应力 动位移响应仿 真云图和典型节点的动应力时间历程曲线 分析了动载冲击对于结构产生的影响 获得分析此类问题的方法和步骤 4 期刊论文 张艳伟 孙国正 石来德 ZHANG Yan wei SUN Guo zheng SHI Lai de 混凝土泵车支腿反力计算及基于 ANSYS的支腿结构分析 中国工程机械学报2004 2 3 论述了混凝土泵车摆动型支腿的反力计算方法及通用计算公式 指出了各支腿最危险工况对应的臂架系统位置 研究了基于ANSYS的摆动型支腿结构分 析的建模和加载方法 以36 m混凝土泵车为例 对其摆动型支腿进行了有限元建模和分析 最危险工况下ANSYS计算结果与实测结果相吻合 说明所述支腿反 力计算方法及支腿结构建模和加载方法是合理的 为摆动型支腿的结构设计提供了依据 5 学位论文 关云轩 混凝土泵车部件参数化绘图及稳定性研究 1998 在建筑施工中 混凝土的运输量占整个施工量的很大比重 混凝土泵车的使用越来越广泛 该论文回顾了混凝土泵车的发展历史 结合生产实际 对混凝 土泵车的布粒机构进行了参数化绘图和有限元分析 并且对混凝土泵车的工作稳定性和行使稳定性进行了计算 同时对Visual Basic4 0为开发工具 开发 了一个基于Windows95平台的功能较强的混凝土泵车CAD系统 该系统集资料管理 部件参数化绘图 有限元分析结果演示 阅读稳定性计算报告于一体 并提供了与AutoCAD R12和Word7 0的接口 是一个开发性的Windows应用软件 应用初中表明 该软件实用性强 用户界面友好 易于操作 扩充和维护 该文对AutoCAD R12 for Windows95进行了二次开发 扩充了AutoCAD的绘图功能 针对中国的机械制图的规范和标准 开发了设置绘图环境 标题栏的绘 制 明细表的绘制 尺寸标注 会差标注 粗糙度的标注等通用功能 适用于常用的机械制图 同时 建立了布料机构的小弯板 小臂和中臂的参数化绘图 的数学模型 使用程序实现了自动参数化绘图 该文对混凝土泵车布料机构中的部件小弯板和小臂 利用ALGOR FEASX综合性有限元软件包 进行了最危险工 况下各零部件的结构静力学分析 该软件计算能力强 计算结果精确 前处理和后处理能力强 是九十年代最先进的有限元分析软件 该文分析了在最危险 工况下 混凝土泵车的工作和行使状态 并进行了工作稳定性和行使稳定性的研究 为用户提供了科学的依据 该文对不同应用程序之间 不同功能模块之 间的数据传递和数据管理进行了探索和研究 为更全面 更具体 更深入的混凝土泵车CAD研究打下一个基础 6 期刊论文 陈凯 孙国正 混凝土泵车臂架结构的智能优化设计 武汉理工大学学报 交通科学与工程版 2003 27 2 针对混凝土泵车臂架结构优化设计非线性的复杂性和优化目标的多样性 利用BP神经网络算法建立起结构设计参数与变形 应力等的非线性全局映射 关系 从而获得遗传算法求解结构优化问题所需的目标函数近似值 动态完成混凝土泵车臂架结构优化设计 7 期刊论文 张艳伟 佟力 孙国正 基于ANSYS的混凝土泵车臂架结构分析研究 武汉理工大学学报 交通科学与工程 版 2004 28 4 根据混凝土泵车的实际工作情况给出了各节臂架最危险工况下受力理论值的计算方法 并对各节臂架进行了有限元建模 着重研究了臂架结构模型的 加载方法 以及单元划分的若干关键问题 有限元分析结果和测试结果十分吻合 在满足强度和刚度条件下 为臂架结构的局部改进提供了依据 8 期刊论文 周海霞 袁宁 ZHOU Haixia YUAN Ning 泵车两节臂连接部位的六连杆机构装配有限元分析 建设机械