基于+ANSYS+的混凝土搅拌车副车架的有限元分析

设 计基于ＡＮＳＹＳ的混凝土搅拌车副车架的有限元分析高耀东１　李　帅１　孔祥刚２（１．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古０１４０１０；２．内蒙古北方巴里巴工程专用车有限公司，内蒙古０１４０３３）摘要：利用ＡＮＳＹＳ软件对１４ｍ３混凝土搅拌车副车架的静动态特性进行仿真分析。

通过ＣＡＴＩＡ软件建立副车架的三维实体模型，并导入ＡＮＳＹＳＹ有限元分析软件对模型进行静力分析和模态分析，得到其最大应力的分布情况和固有频率及振型特点。

为该类型车辆的进一步改进设计提供了理论指导。

关键词：搅拌车；副车架；有限元分析；静动态特性；模型中图分类号：ＴＵ６４２ 文献标识码：ＡＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＭｉｘｅｒＳｕｂＦｒａｍｅＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＧａｏＹａｏｄｏｎｇ，ＬｉＳｈｕａｉ，ＫｏｎｇＸｉａｎｇｇａｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｅｓｏｎｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ１４ｍ３ｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｅｒｓｕｂｆｒａｍｅｈａｖｅｂｅｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇＡＮＳＹＳ．ＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｈａｓｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｒｏｕｇｈＣＡＴＩＡ，ａｎｄｓｔａｔｉｃｓｔｒｅｓｓａｎｄｍｏｄｅａｎａｌｙｓｅｓｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｑｕｏｔｉｎｇＡＮＳＹＳＹｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔ－ｗａｒｅ，ｆｉｎａｌｌｙｔｏｏｂｔａｉｎｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｅｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｅｓａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｓｗｅｌｌａｓｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｈａｒａｃ－ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｓｉｇｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｉｓｔｙｐｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｅｒ；ｓｕｂｆｒａｍｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｍｏｄｅｌ 目前我国生产的混凝土搅拌车多数是由上装部分和通用底盘组装而成的［１］。

其中，上装部分由搅拌筒、前后支撑、副车架、液压系统、操纵系统、清洗系统等主要部件组成。

副车架起着连接底盘和整个上装部分的重要作用。

混凝土搅拌车在行驶过程中，副车架不仅要承受拉伸、扭转、弯曲的复合应力，而且还要受动载荷作用产生冲击、振动。

当达到一定的工作次数后，副车架会产生疲劳失效，这也是副车架结构的常见失效形式。

针对上述的实际情况，本文以某厂生产的１４ｍ３混凝土搅拌车为研究对象，用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对该车型的副车架结构进行静力学分析和模态分析［４］，验证该结构是否具有足够的强度和刚度。

收稿日期：２０１２—１０—３０作者简介：高耀东（１９６６—），内蒙古科技大学教授，东南大学硕士，主要从事ＣＡＤ、ＣＡＥ技术的应用和研究工作。

李帅（１９８７—），内蒙古科技大学硕士研究生，主要从事ＣＡＤ、ＣＡＥ技术的应用和研究工作。

１　有限元模型的建立１．１　副车架结构该副车架为钢板焊接的纵截面为Ｕ型槽钢的箱型结构，主要由２根纵梁、２根横梁、８根Ｘ型斜梁组成，长６８３０ｍｍ、宽９０ｍｍ、高１４０ｍｍ。

其几何模型的主要尺寸如图１所示。

材料为Ｑ３４５－Ｂ，弹性模量Ｅ＝２．０６×１０５ＭＰａ，泊松比μ＝０．３，质量密度ρ＝７８５０ｋｇ／ｍ３，抗拉强度极限σｂ的范围为４７０ＭＰａ～６３０ＭＰａ，屈服强度极限σｓ＝３４５ＭＰａ。

该材料为塑性材料，故选取极限屈服强度作为极限应力，取强度安全系数ｎ＝１．４，则有许用应力值［σ］＝σｓ／ｎ＝２４７ＭＰａ。

图１　副车架的主要尺寸Ｆｉｇｕｒｅ１　Ｍａｉｎｓｉｚｅｓｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ１枟中国重型装备枠Ｎｏ．１ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴＭａｒｃｈ２０１３１．２　模型建立通过ＣＡＴＩＡ软件的三维建模功能，对副车架的几何模型进行实体建模。

为方便计算可对副车架作以下简化处理：忽略非承载受力部件的影响；忽略部件上不需特别关注的小圆弧过渡等细节；结构中的焊接部分按理想焊接处理；去除副车架上非用于装配的小孔结构等［３］。

副车架的三维实体模型如图２所示。

图２　副车架的三维实体模型Ｆｉｇｕｒｅ２　Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ１．３　网格划分该副车架是由两侧纵梁与Ｕ型钢板焊接而成的，接触部分是按理想焊接处理的，因此基于该结构静态特性分析的特点，选取ＳＯＬＩＤ４５号三维实体单元。

划分网格时，对于可能存在的应力集中的位置处，网格可细密些，而对于非应力集中处则可粗糙些，这会减轻对该结构的应力、应变计算处理的工作量，提高效率。

最终计算得出，副车架的有限元模型共有节点５７８４８个，单元３８８７８个。

副车架的有限元模型如图３所示。

图３　副车架的有限元模型Ｆｉｇｕｒｅ３　Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ２　静力分析２．１　基本载荷的确定在分析副车架应力时，主要施加载荷为混凝土的重量以及上装部分空载的重量之和、各动力总成、驾驶室及成员总成。

搅拌车满载时，１４ｍ３的混凝土的重量为３．３６×１０５Ｎ，其上装部分的空载重量取１．４×１０４Ｎ，故上装部分总重量为３．５×１０５Ｎ，动力总成为０．４×１０４Ｎ，驾驶室及成员总成０．６×１０４Ｎ。

经计算，前支撑对副车架的载荷为２８９８６２Ｎ，后支撑对副车架的载荷为２２６２５１Ｎ。

２．２　典型工况的确定搅拌车在行驶过程中常会遇到多种复杂工况，如平稳运行、紧急制动、崎岖不平路面上某一车轮被抬高而悬空等，针对这几种实际情况进行以下工况分类，选择动载系数。

（１）弯曲工况：搅拌车满载时在路面上四轮着地平稳运行，副车架主要承受弯曲载荷，产生弯曲变形，取动载系数１．５；（２）制动工况：搅拌车满载行驶时，紧急刹车制动，取制动加速度４ｍ／ｓ２；（３）扭转工况：搅拌车满载行驶时，右后轮驶上１００ｍｍ的凸台而悬空，其余车轮处于同一水平面上；（４）弯扭联合工况１：搅拌车满载行驶在崎岖不平路面上时，既受动载荷产生弯曲变形，同时右后轮产生１００ｍｍ的悬空，其余车轮处于同一水平面上，取动载系数１．５；（５）弯扭联合工况２：搅拌车满载行驶在崎岖不平路面上时，既受动载荷产生弯曲变形，左前轮、右后轮同时产生１００ｍｍ的悬空，其余车轮处于同一水平面，取动载系数１．５。

２．３　各工况下的应力分析副车架在各工况下的应力如图４至图８所示。

副车架在各工况下的最大应力的计算结果如表１所示。

图４　弯曲工况下副车架的应力分布Ｆｉｇｕｒｅ４　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｂｅｎｄｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２Ｎｏ．１枟中国重型装备枠Ｍａｒｃｈ２０１３ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴ图５　制动工况下副车架的应力分布Ｆｉｇｕｒｅ５　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｂｒａｋｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ图６　扭转工况下副车架的应力分布Ｆｉｇｕｒｅ６　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｔｏｒｓｉｏｎａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ图７　弯扭工况１下副车架的应力分布Ｆｉｇｕｒｅ７　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１图８　弯扭工况２下副车架的应力分布Ｆｉｇｕｒｅ８　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２表１　副车架在各工况下的最大应力计算结果Ｔａｂｌｅ１　Ｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｏｆｓｕｂｆｒａｍｅｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ工况最大应力／ＭＰａ弯曲工况制动工况扭转工况弯扭工况１弯扭工况２９７１５３１９７２７９３０１从表１计算结果可知，副车架在匀速行驶时的纯弯曲工况、紧急刹车的制动工况和某轮驶上凸台的纯扭转工况下，所受最大应力值均远小于许用应力值２４７ＭＰａ，说明在这三种工况下副车架是安全可靠的。

最大应力出现在副车架两纵梁与主车架的连接处，这说明搅拌车在行驶过程中因为路面不平等原因引起的微小振动使得主副车架相互挤压而产生应力。

对于在动载荷作用下某一轮被抬高的扭转工况１，副车架受到扭转力矩而产生较大的应力，其最大应力值已经略微超过许用应力。

对于两轮同时被抬高的极限扭转工况２，其最大应力值为３０１ＭＰａ，仍然小于屈服极限３４５ＭＰａ。

综上所述，副车架的结构设计因为注重安全因素，远远超出刚度和强度的需求。

为了使该副车架结构更加合理、材料利用率更高，在后续的优化设计中适当降低安全系数，减轻车架质量，以降低成本。

３　模态分析模态分析就是确定结构的振动特性，得到其固有频率和振型的一个过程。

固有频率和振型特点是动载荷结构设计的重要依据。

对副车架结构进行模态分析，目的就是确定副车架的动态特性参数，提高结构的可靠性和避免共振的产生。

本文模态提取方法采用ＢｌｏｃｋＬａｎｃｚｏｓ法，该法适用于大型结构对称的质量刚度矩阵，具有收敛快、处理大自由度、允许有质量较差的实体单元等优点。

提取６阶频率，各阶频率值如表２所示。

由于路面不平引起的激振频率一般可取（１～２０）Ｈｚ，该型号的搅拌车的发动机怠速工况激振频率为（２７．５～３２）Ｈｚ，最大扭矩转速激振频率为（６０～８０）Ｈｚ［２］。

由表２结果可知：１阶模态频率为３４．７４８Ｈｚ，避开了路面的激振频率；２阶模态频率为３９．０２５Ｈｚ，在发动机怠速工况频率范围之外；４３枟中国重型装备枠Ｎｏ．１ＣＨＩＮＡＨＥＡＶＹＥＱＵＩＰＭＥＮＴＭａｒｃｈ２０１３至６阶频率均高于发动机最大频率值８０Ｈｚ，并且各阶振型平稳未有突变发生。

充分证明该副车架不会产生共振现象，结构设计合理。

各阶振型如图９至图１４所示。

４　结束语本文运用ＣＡＴＩＡ软件对１４ｍ３混凝土搅拌表２　副车架的各阶频率Ｔａｂｌｅ２　Ｖａｒｉｏｕｓｐｈａｓｅｓｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ阶数频率／Ｈｚ振型描述１２３４５６３４．７４８３９．０２５５１．８８１８９．０６０１０９．１９１２４．９１１阶扭转１阶扭转１阶弯曲２阶弯曲２阶扭转３阶弯曲图９　副车架第１阶振型Ｆｉｇｕｒｅ９　１ｓｔｐｈａｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ图１０　副车架第２阶振型Ｆｉｇｕｒｅ１０　２ｎｄｐｈａｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ图１１　副车架第３阶振型Ｆｉｇｕｒｅ１１　Ｔｈｉｒｄｐｈａｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ图１２　副车架第４阶振型Ｆｉｇｕｒｅ１２　Ｆｏｕｒｔｈｐｈａｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ图１３　副车架第５阶振型Ｆｉｇｕｒｅ１３　Ｆｉｆｔｈｐｈａｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ图１４　副车架第６阶振型Ｆｉｇｕｒｅ１４　Ｓｉｘｔｈｐｈａｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｕｂｆｒａｍｅ车副车架结构进行了三维实体建模，并导入ＡＮ－ＳＹＳＹ进行有限元静力分析，验证得出副车架结构的强度、刚度均满足设计要求。