某混凝土泵車臂架的結構強度分析與改進

連紅衛

摘要：混凝土泵車是一種重要的建筑機械，其中臂架是其關鍵部件，對其結構進行分析具有重要的意義。本文以新型混凝土泵車臂架為研究對象，分析確定各種危險工況，利用ANSYS提供的APDL語言，對臂架進行參數化建模，研究研究結構的剛度和強度，并依據分析結果對二節臂和五節臂結構提出合理改進方案。對改進后的結構進行屈曲分析，用以校核臂架在工作載荷下是否會發生屈曲。

關鍵詞：臂架；ANSYS；強度；剛度；模態分析；屈曲分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.008

1混凝土泵車簡介與問題的提出

近年來，我國經濟的快速增長，對基礎設施的建設需求量增大，混凝土泵車具有作業區域廣、澆筑位置準、澆筑效率快等特點，因此混凝土泵車成為基建工程中重要的水泥基礎澆鑄設備，其性能參數與可靠性對建設的效率有著重要作用。混凝土泵車由汽車底盤、支腿、泵送系統、回轉裝置、臂架、電氣系統、液壓系統等結構構成。如圖1所示。如今臂架往越來越長的方向發展，受力形式越復雜，產生較大的位移，因而容易發生各種問題。例如，工作時由于臂架變形過大原因致使臂架失穩導致發生破壞現象，工作時由于局部位置應力過大導致臂體出現破壞的情況等，如圖2所示。

本文以某新型設計型號混凝土泵車的臂架為研究對象，首先利用ANSYS軟件建立了整車的有限元模型，然后根據受力情況施加正確的邊界條件和載荷，進行整機的靜強度分析，獲得關鍵部件在危險工況下的等效應力與位移云圖，并以此為依據進行結構優化與改進。并對改進后的結構進行模態分析和屈曲分析，校核修改后結構的安全性。

2整機有限元模型的建立

本文使用ANSYS內部的APDL語言建立混凝土泵車的參數化有限元模型，便于不同工況姿態的分析與后期的優化設計。

進行有限元分析過程中，在保證計算結果具有足夠精確度的同時應盡量選用占用計算機資源較少的單元。為減少分析誤差，提高分析效率，本文選擇的單元類型見表1。

本文中選用的材料為WELDOX900E，其屬性見表2。

根據材料力學的畸變能密度理論，該材料的許用應力計算公式為：

此處n為安全系數，取1.33。

本文采用自底向上的方法建立混凝土泵車的整機有限元模型，并利用APDL語言編寫建模命令流程序。建模時，先設定整機的總體坐標系位置，然后根據零件的相對位置及裝配關系定義局部坐標系位置，各部件的模型建立完成后，需要根據部件間的相對位置關系進行整機模型裝配，一般先將零件裝配成部件，然后將各部件裝配在一起形成整機模型。整機與零部件有限元模型如圖3所示。

至此整車的有限元模型已經建立完成，利用此模型可以進行臂架的靜力學分析與優化設計。

3計算工況確定

泵車的施工過程中，其臂架存在多種作業姿態，臂架在施工中的主要受到的外載荷為結構本身的自重和輸料管中混凝土料的重量，在每節臂均處于水平且全伸直的位置時，節臂的受力情況最為嚴重，并且前幾節臂受到的傾翻距也最大，因此將此時的姿態定為最危險工況，其工況圖如圖4所示。

在此種姿態下，臂架收到臂架本身的自重及其產生的動載荷、輸料管中混凝土的重量及其產生的動載荷和附加載荷，其中：

3.1臂架及混凝土的自重

臂架的自重主要為各節臂、連接各節臂的連桿、變幅油缸以及輸料管等零部件的總重量G。混凝土的自重為輸料管中混凝土的重量，計算時通過調節輸料管的密度來模擬實際情況。

3.2動載荷

施工過程中振動會引起動載荷，由振動引起的動載系數K_d取1；輸料管中流動的混凝土引起動載系數為K_h取1.3。計算時將重力加速度乘以動載系數。

3.3附加載荷

風載是由于風作用在機構上引起的載荷，風載的數值參照（2）式計算得：

式中q——風壓（Pa）；取值情況根據內陸與沿海值由不同，本文按沿海地區較大值取250Pa

c——體形系數，臂架是矩形結構，c值取1.2～1.4之間，本文c取1.4。

回轉慣性力是由于臂架繞某一軸線進行旋轉所產生的慣性力，其計算式為：

式中m——總體質量（kg）；R——質心到回轉中心的距離（m）；

n——轉速（r/min）；t——加速度的時間（s）。

在該工況下，需要將臂架回轉平臺的底部全約束，對模型施加豎直向下的重力加速度及產生的動載荷、輸料管中混凝土的重量及其產生的動載荷和附加載荷。

4臂架強度剛度結果分析與結構改進優化

4.1剛度計算結果分析

臂架在變幅平面（X-Y平面）內的等效位移云圖如圖5所示。臂架變幅平面內等效位移主要由節臂的自重和動載、混凝土的自重和動載以及端部牽引力引起，是主要位移方向。由分析結果可知，臂架整體最大位移為3536mm，小于設計最大位移4500mm，符合設計要求。

4.2各節臂強度計算結果分析

計算結束后，進入ANSYS的通用后處理器中查看各節臂的米塞斯等效應力，各節臂的等效應力云圖如圖6所示。

綜合研究分析結果，可知各節臂整體上未出現大片的高應力區，僅在部分鋼板搭接區域出現了應力集中，其中一節臂的應力集中效應比較明顯，去除該小塊區域外，結構的最大等效應力為521Mpa，一節臂受到的綜合載荷最大，其他各個節臂的綜合載荷相對較小，等效應力分布狀態也好于一節臂。

4.3臂體結構改進方案與改進結果分析

等效應力偏大的區域主要發生在節臂結構連接薄弱處或者加強筋連接處。以二節臂為例進行說明，二節臂的臂體為箱型梁，內部采用加強板的方式焊接，因此在焊接區域易出現應力集中現象，分析結果表明此處應力狀態較差，有必要對加強板的結構尺寸進行改進，見圖7所示。此外五節臂大部分區域的等效應力都普遍偏小，其最大值為218 MPa，遠低于材料許用應力586 MPa，可以通過減小壁體厚度提高材料的利用率。本文將五節臂上下蓋板的厚度由原來的8mm改為6mm，如圖8所示。

由圖9可知，采用圖7的改進方式使得該區域的應力分布有明顯改善，緩解了應力集中現象。最大等效應力降低至403MPa，減小了161MPa；采用圖8的改進方式使得五節臂的最大等效應力值增加至為251MPa，較大應力區域得到擴大，提高了材料利用率，減輕結構重量，尤其是臂端部重量，對減小整機最大位移有積極意義。

5臂架屈曲穩定性分析

本文所研究的混凝土泵車臂架在實際工作中存在臂體伸出長度長，組合臂根部應力水平高的特點，因此在設計過程中需要特別關注臂體在指定工況下是否會出現屈曲現象。一般來說分析結構屈曲穩定性的方法有以下三種，分別為（1）靜力平衡法，假想在橫向干擾的作用下，受壓件有微小的彎曲。通過聯立彎曲靜力平衡方程和彎曲理論撓曲線近似微分方程，根據邊界條件求解微分平衡方程，解得臨界載荷；（2）能量法，此種方法認為結構存儲的勢能數值上與彈性體變形產生的內勢能和外力做功產生的外勢能相等，從而可以推導出臨界載荷的數值；（3）有限元法，利用有限元理論，通過計算機進行數值模擬計算臨界載荷。

算屈曲極限載荷和屈曲后形狀有兩種方法：線性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非線性屈曲分析，但是這兩種方法得到的臨界載荷可能差距很大。特征值屈曲分析常用于比較理想的情況，所得結果一般比真實值要大許多，而非線性屈曲分析的結果往往與真實值比較接近。

為了驗證結構改進后的安全性，本文對新臂架結構的水平全伸工況進行非線性屈曲分析。將轉臺下底面所有節點的自由度全約束模擬轉臺固定在汽車底盤上，在輸料管末端施加垂直五節臂向下1N的集中載荷，同時設置整個臂架的自重以及混凝土料的自重，特征值屈曲分析完成后提取第一階屈曲模態結果，如圖11所示，將各節點位移的等比縮小數據作為臂架的初始幾何缺陷，同時施加略大于一階臨界載荷的載荷，采用位移法進行彈塑性大變形分析，分析完成后在時間后處理器中繪制載荷位移曲線，如圖12所示。可知，臂架在垂直位移為6652mm時發生失穩，此時臂架的屈曲極限載荷為750kN，發生屈曲時的位移遠大于工作狀態下實際位移3536mm。可見，當前結構的穩定性滿足設計要求。

6結論

本文以某型號混凝土泵車為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS建立了其臂架的參數化有限元模型，并以此為基礎分析了臂架在危險工況下的強度與剛度特性，得到原設計方案加強筋區域存在應力集中、其余大部分區域結構偏安全的結論。經過結構改進緩解了原設計方案的應力集中現象，并且減輕了五節臂的重量，提高了材料利用率。采用非線性分析研究了臂架的屈曲載荷與屈曲形狀，驗證了改進后結構的穩定性符合設計要求。