基于有限元的搅拌筒后支架优化设计
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第50 卷 第 6 期
总第 54 8 期
基于有限元的搅拌筒后支架优化设计
王书太，刘晓辉，王文豪 聊城中通新能源汽车装备有限公司
摘 要｜针对搅拌筒后支架在优化设计时，对整体强度分布和刚度分布没有感性认识，常采用经验设计或对标设计的现 象，首先对搅拌车工作过程进行分析，归纳出重心的运动规律和典型工况；然后分析破坏载荷并按工况分解到前支架和后 支架，并通过整体分析，局部提取结果的方法对后支架进行有限元分析，从而确定后支架结构不合理的部位，在满足功能要 求和工艺要求的前提下对其优化设计；最后对优化后的后支架按恶劣工况进行有限元分析，从而验证结构的合理性。 关键词：搅拌车；重心规律；优化设计；旋转偏心
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第50 卷 第 6 期
总第 54 8 期
满载紧急制动。满载搅拌车行驶于平直公路，然后以 60 km/ h 的初速度紧急制动，制动距离为 20 m。
满载侧向转弯。搅拌车装满混凝土以 0.5g 向心加速 度转弯行驶。
满载车轮悬空。满载搅拌车在行驶过程中，混凝土重 心偏离搅拌车纵向垂直面的左侧 （假定搅拌筒从车后向 前看为逆时针旋转），选取左后车轮被悬空，副车架和底 盘发生扭曲。
1 工况及载荷分析
选择工况，既要符合力学原理，又要准确反映实际情
作者简介：王书太（1976—），男，山东冠县人，工程师，研究方向：纯电动客车研发，纯电动环卫车研发和车辆 CAE。
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设计·计算
Design and Calculation
况，是有限元分析的关键步骤。 1 .1 搅拌车重心特点
满载爬坡。满载搅拌车爬坡行驶在 15°斜坡上，同时 搅拌筒以恒定的角速度旋转。
满载下坡。满载搅拌车下坡行驶在 15°斜坡上，同时 搅拌筒以恒定的角速度旋转。
满载颠簸。搅拌车装满混凝土，所有轮胎离地后以 2g 加速度急速下行而撞击地面。
满载向前加速。搅拌车装满混凝土在良好路面上启 动，启动时间为 2.4 s，到达速度为 60 km/ h。
随着高速铁路、高速公路、机场以及大型水利工程的 快速建设，对混凝土的质量和运输速度提出了更高的要 求。混凝土搅拌运输车[1]具有运量大，速度快的特点，特别 是在运输过程中自身携带的搅拌筒以一定的速度旋转， 可有效地防止混凝土的泌水、分层、离析和早凝现象[2]，从 而有效保证混凝土的质量。
搅拌筒后支架安装在搅拌车上装的后部，其上部的 托轮用于支撑搅拌筒和混凝土的部分重量，并协助完成 搅拌筒的旋转运动；搅拌筒后支架同时承受进料结构、卸 料机构以及爬梯等附件的重量。
以上 8 种工况基本包括了混凝土搅拌车行驶过程中 涉及的典型工况。 1 .3 载荷分析
以某型 12 m3 搅拌车为例，该车采用汽车二类底盘， 搅拌筒有效容积为 12 m3，混凝土密度 2.4×103 kg/ m3；搅 拌筒装料旋转速度为 8 r/ min，运输过程中搅拌筒的旋转 速度为 3 r/ min，搅拌车紧急制动的加速度为 6.95 m/ s2；运 输过程中混凝土重心偏离距离为 105 mm[2]。
搅拌筒后支架长期受到搅拌筒和混凝土交变载荷的
破坏，其结构的可靠性和耐久性直接影响到搅拌车整体 的性能。搅拌筒后支架的传统设计是经验设计或对标设 计，很难对结构的受力状态有直观认识，导致设计出的结 构不合理，强度和刚度分布严重不均。
本文采用有限元分析方法，综合分析搅拌筒后支架 在各种工况下的合位移云图和等效应力云图，对原结构 进行优化设计，然后再次在恶劣工况下对其进行有限元 分析，从而验证结构的合理性。
图 2 搅拌筒横向截面示意图
图 3 重心相对垂直面的变化规律
中 X 轴表示混凝土所处的工作状态，Y 轴表示混凝土重 心距离垂直面的距离[7]。
搅拌车空载时，混凝土重心不存在。搅拌车在装料的 过程中，搅拌筒以一定的角速度快速旋转，所以混凝土的 重心逐渐偏离垂直面同时向水平面靠近。在装料结束时 搅拌筒的旋转速度逐渐减少到运输所需的角速度，混凝 土重心逐渐靠近垂直面同时远离水平面。搅拌车运输混 凝土的过程中搅拌筒以一定的角速度旋转，混凝土重心 相对搅拌筒稳定在空间某一位置。在混凝土到达目的地 浇筑时，为了使混凝土成分均质，首先快速旋转，然后反 向旋转将混凝土卸掉。在卸料的过程中，混凝土重心首 先远离垂直面同时靠近水平面，然后混凝土重心快速靠 近垂直面同时远离水平面，直至卸料完毕其重心回到垂 直面。 1 .2 工况分析
搅拌车重心主要由底盘重心、上装重心以及混凝土 重心三部分组成，其中底盘重心和上装重心的位置在搅 拌车制造完成后基本保持不变。在装料、运输和卸料的过 程中可近似将混凝土看作流体[3- 4]，其重心的位置在搅拌 车空载、装料、运输以及卸料的过程中是变化的[5- 6]。 1.1.1 相对旋转中心线
混凝土重心相对搅拌筒旋转中心线的变化规律如图 1 所示，其中 X 轴表示混凝土所处的工作状态，Y 轴表示 混凝土重心相对搅拌筒旋转中心线的距离[7]。
搅拌筒后支架是上装的一部分，对其载荷分析要和 前支架一起分析。前支架和后支架受到的主要载荷有：混 凝土、搅拌筒、减速器、进料斗、出料斗、水箱及其支架等 的重量，如表 1 所示。通过力学分析将力按工况分解到前
图 1 重心相对旋转中心线的位置变化规律 搅拌车空载时，混凝土重心不存在。在装料过程中， 随着混凝土的增加其重心向搅拌筒旋转中心线逐渐靠 近，直到达到极值点。在运输和搅拌筒反向旋转的过程 中，混凝土的量和旋转速度基本不再发生变化，其重心位 置基本保持不变。在卸料的过程中，混凝土不断地减少直 到混凝土卸载完，其重心逐渐远离搅拌筒的旋转中心线。 1.1.2 相对垂直面 如图 2 所示，过搅拌筒旋转中心线的面为垂直面。混 凝土重心相对搅拌筒垂直面的变化规律如图 3 所示，其
搅拌车在作业过程中会经历混凝土量的增减和位置 的变化，在运输过程中会经历频繁的加速、减速、爬坡、下 坡、转弯、车轮悬空等工况，各种工况都会对搅拌车后支 架产生破坏作用，造成后支架失效。为了能够真实地反映 搅ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ车的不同工况，选取 8 种工况进行研究[13]。
满载匀速。满载搅拌车在平直的公路静止或匀速行 驶，同时搅拌筒以恒定的角速度旋转。
总第 54 8 期
基于有限元的搅拌筒后支架优化设计
王书太，刘晓辉，王文豪 聊城中通新能源汽车装备有限公司
摘 要｜针对搅拌筒后支架在优化设计时，对整体强度分布和刚度分布没有感性认识，常采用经验设计或对标设计的现 象，首先对搅拌车工作过程进行分析，归纳出重心的运动规律和典型工况；然后分析破坏载荷并按工况分解到前支架和后 支架，并通过整体分析，局部提取结果的方法对后支架进行有限元分析，从而确定后支架结构不合理的部位，在满足功能要 求和工艺要求的前提下对其优化设计；最后对优化后的后支架按恶劣工况进行有限元分析，从而验证结构的合理性。 关键词：搅拌车；重心规律；优化设计；旋转偏心
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满载紧急制动。满载搅拌车行驶于平直公路，然后以 60 km/ h 的初速度紧急制动，制动距离为 20 m。
满载侧向转弯。搅拌车装满混凝土以 0.5g 向心加速 度转弯行驶。
满载车轮悬空。满载搅拌车在行驶过程中，混凝土重 心偏离搅拌车纵向垂直面的左侧 （假定搅拌筒从车后向 前看为逆时针旋转），选取左后车轮被悬空，副车架和底 盘发生扭曲。
1 工况及载荷分析
选择工况，既要符合力学原理，又要准确反映实际情
作者简介：王书太（1976—），男，山东冠县人，工程师，研究方向：纯电动客车研发，纯电动环卫车研发和车辆 CAE。
2 0 19·6
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设计·计算
Design and Calculation
况，是有限元分析的关键步骤。 1 .1 搅拌车重心特点
满载爬坡。满载搅拌车爬坡行驶在 15°斜坡上，同时 搅拌筒以恒定的角速度旋转。
满载下坡。满载搅拌车下坡行驶在 15°斜坡上，同时 搅拌筒以恒定的角速度旋转。
满载颠簸。搅拌车装满混凝土，所有轮胎离地后以 2g 加速度急速下行而撞击地面。
满载向前加速。搅拌车装满混凝土在良好路面上启 动，启动时间为 2.4 s，到达速度为 60 km/ h。
随着高速铁路、高速公路、机场以及大型水利工程的 快速建设，对混凝土的质量和运输速度提出了更高的要 求。混凝土搅拌运输车[1]具有运量大，速度快的特点，特别 是在运输过程中自身携带的搅拌筒以一定的速度旋转， 可有效地防止混凝土的泌水、分层、离析和早凝现象[2]，从 而有效保证混凝土的质量。
搅拌筒后支架安装在搅拌车上装的后部，其上部的 托轮用于支撑搅拌筒和混凝土的部分重量，并协助完成 搅拌筒的旋转运动；搅拌筒后支架同时承受进料结构、卸 料机构以及爬梯等附件的重量。
以上 8 种工况基本包括了混凝土搅拌车行驶过程中 涉及的典型工况。 1 .3 载荷分析
以某型 12 m3 搅拌车为例，该车采用汽车二类底盘， 搅拌筒有效容积为 12 m3，混凝土密度 2.4×103 kg/ m3；搅 拌筒装料旋转速度为 8 r/ min，运输过程中搅拌筒的旋转 速度为 3 r/ min，搅拌车紧急制动的加速度为 6.95 m/ s2；运 输过程中混凝土重心偏离距离为 105 mm[2]。
搅拌筒后支架长期受到搅拌筒和混凝土交变载荷的
破坏，其结构的可靠性和耐久性直接影响到搅拌车整体 的性能。搅拌筒后支架的传统设计是经验设计或对标设 计，很难对结构的受力状态有直观认识，导致设计出的结 构不合理，强度和刚度分布严重不均。
本文采用有限元分析方法，综合分析搅拌筒后支架 在各种工况下的合位移云图和等效应力云图，对原结构 进行优化设计，然后再次在恶劣工况下对其进行有限元 分析，从而验证结构的合理性。
图 2 搅拌筒横向截面示意图
图 3 重心相对垂直面的变化规律
中 X 轴表示混凝土所处的工作状态，Y 轴表示混凝土重 心距离垂直面的距离[7]。
搅拌车空载时，混凝土重心不存在。搅拌车在装料的 过程中，搅拌筒以一定的角速度快速旋转，所以混凝土的 重心逐渐偏离垂直面同时向水平面靠近。在装料结束时 搅拌筒的旋转速度逐渐减少到运输所需的角速度，混凝 土重心逐渐靠近垂直面同时远离水平面。搅拌车运输混 凝土的过程中搅拌筒以一定的角速度旋转，混凝土重心 相对搅拌筒稳定在空间某一位置。在混凝土到达目的地 浇筑时，为了使混凝土成分均质，首先快速旋转，然后反 向旋转将混凝土卸掉。在卸料的过程中，混凝土重心首 先远离垂直面同时靠近水平面，然后混凝土重心快速靠 近垂直面同时远离水平面，直至卸料完毕其重心回到垂 直面。 1 .2 工况分析
搅拌车重心主要由底盘重心、上装重心以及混凝土 重心三部分组成，其中底盘重心和上装重心的位置在搅 拌车制造完成后基本保持不变。在装料、运输和卸料的过 程中可近似将混凝土看作流体[3- 4]，其重心的位置在搅拌 车空载、装料、运输以及卸料的过程中是变化的[5- 6]。 1.1.1 相对旋转中心线
混凝土重心相对搅拌筒旋转中心线的变化规律如图 1 所示，其中 X 轴表示混凝土所处的工作状态，Y 轴表示 混凝土重心相对搅拌筒旋转中心线的距离[7]。
搅拌筒后支架是上装的一部分，对其载荷分析要和 前支架一起分析。前支架和后支架受到的主要载荷有：混 凝土、搅拌筒、减速器、进料斗、出料斗、水箱及其支架等 的重量，如表 1 所示。通过力学分析将力按工况分解到前
图 1 重心相对旋转中心线的位置变化规律 搅拌车空载时，混凝土重心不存在。在装料过程中， 随着混凝土的增加其重心向搅拌筒旋转中心线逐渐靠 近，直到达到极值点。在运输和搅拌筒反向旋转的过程 中，混凝土的量和旋转速度基本不再发生变化，其重心位 置基本保持不变。在卸料的过程中，混凝土不断地减少直 到混凝土卸载完，其重心逐渐远离搅拌筒的旋转中心线。 1.1.2 相对垂直面 如图 2 所示，过搅拌筒旋转中心线的面为垂直面。混 凝土重心相对搅拌筒垂直面的变化规律如图 3 所示，其
搅拌车在作业过程中会经历混凝土量的增减和位置 的变化，在运输过程中会经历频繁的加速、减速、爬坡、下 坡、转弯、车轮悬空等工况，各种工况都会对搅拌车后支 架产生破坏作用，造成后支架失效。为了能够真实地反映 搅ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ车的不同工况，选取 8 种工况进行研究[13]。
满载匀速。满载搅拌车在平直的公路静止或匀速行 驶，同时搅拌筒以恒定的角速度旋转。