噴漿車轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)全工況有限元分析

張淑君 孫武和 張衛(wèi)國

本文首先應(yīng)用ANSYS軟件的APDL語言，對變幅臂的轉(zhuǎn)角及伸縮臂的伸縮長度等參數(shù)進(jìn)行編程，整理得到臂架結(jié)構(gòu)的全工況類型，基于此對上車結(jié)構(gòu)進(jìn)行全工況模擬分析，獲得轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力分布規(guī)律及轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度最大值及最危險工況。以此保證結(jié)構(gòu)可靠性，并為系列轉(zhuǎn)臺產(chǎn)品的優(yōu)化和改形設(shè)計(jì)提供理論支持，在提升設(shè)計(jì)效率的基礎(chǔ)上，為下一步結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

噴漿車;轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu);全工況;強(qiáng)度分析

0前言

噴漿車作為一種用于混凝土濕噴工藝施工的主要設(shè)備，其通過泵送系統(tǒng)將成品混凝土輸送到噴射系統(tǒng)端部，并利用高壓風(fēng)將含有速凝劑的混凝土噴射到施工面上，以完成混凝土噴漿支護(hù)施工。目前，噴漿車主要用于鐵路、隧道，水利、水電的隧洞和涵洞、礦山巷道、地鐵等工程領(lǐng)域。噴漿車主要由臂架、轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)底座、前后支腿、副車架、底盤、泵送系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和速凝劑系統(tǒng)等組成。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)上部與臂架連接，下部通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)底座連接，起著連接上下車的作用。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算方法，多是計(jì)算一個工況或者幾個典型工況，而且是不加臂架的計(jì)算分析，因此其計(jì)算精度難保證。由于臂架對轉(zhuǎn)臺的載荷很難準(zhǔn)確提取，且僅僅是算了幾種工況，因此不能夠完整地體現(xiàn)臂架在全工作范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的受力作用。本文應(yīng)用ANSYS軟件的APDL語言以及批處理命令，對臂架進(jìn)行全工況編程，并對轉(zhuǎn)臺和臂架組裝一起進(jìn)行計(jì)算，自動提取全工況計(jì)算結(jié)果，通過對各部件結(jié)果的整理，得到轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度最大值及最危險工況，充分了解和掌握結(jié)構(gòu)的受力情況，保證結(jié)構(gòu)可靠性。

1有限元模型

本文以我公司生產(chǎn)的某型號混凝土噴漿車為研究對象進(jìn)行分析計(jì)算。在Pro/E中將轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)及其后相連接臂架組裝成幾何模型（圖1），再對三維模型進(jìn)行幾何處理，單元選取：板件采用SHELL181殼單元，連接銷軸采用BEAM188梁單元，油缸類采用LINK180桿單元，在銷軸連接及臂架伸縮接觸處設(shè)置摩擦接觸約束，建立上車結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2所示。

2計(jì)算工況

計(jì)算工況指的就是臂架的工作姿態(tài)，每一種工作姿態(tài)就是一個工況，理論上臂架有無數(shù)種工作姿態(tài)，臂架工作姿態(tài)如圖3-4所示。

3.2載荷

本文是對整個上裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行全工況計(jì)算，結(jié)構(gòu)所受載荷組合，如下（圖6）：

載荷組合=1.2*結(jié)構(gòu)重量+1.3*混凝土重量+1.1*噴射反力+回轉(zhuǎn)慣性力

1.2：結(jié)構(gòu)動載系數(shù);

1.3：混凝土動載系數(shù);

噴射反力：其方向始終在豎直面內(nèi)垂直于臂架長度。

3.3材料及性能（表2）

4計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過結(jié)構(gòu)全工況自動計(jì)算，得出包括各部件最大位移、最大應(yīng)力、油缸力、各板件應(yīng)力、對接焊縫應(yīng)力等結(jié)果。對各列計(jì)算結(jié)果進(jìn)行排序，得到各列數(shù)據(jù)的最大值，其中，轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在第163個工況，最大應(yīng)力工況及數(shù)值，如圖7所示。

第163工況為大臂變幅70度，基本臂相對于大臂向下變幅60度，一伸臂和二伸臂全部伸出，擺臂處于中間位置。

4.1計(jì)算結(jié)果列表

全工況計(jì)算由于數(shù)據(jù)較多，僅列出所關(guān)注參數(shù)，如表3所示。

4.2計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在側(cè)面的圍板邊緣處，主要是結(jié)構(gòu)整體受力變形導(dǎo)致，位移量為0.32mm，剛度滿足設(shè)計(jì)要求;轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為355MPa，出現(xiàn)在尖點(diǎn)處，為應(yīng)力集中，去除該尖點(diǎn)應(yīng)力集中后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸套焊縫處，應(yīng)力值234MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服極限，強(qiáng)度滿足要求，而且結(jié)構(gòu)仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

5結(jié)論

首先，對上裝各部件進(jìn)行細(xì)化建模、組裝，確定175個計(jì)算工況，通過APDL語言程序施加約束載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)全工況自動計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行排序，得到轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力工況，并充分掌握轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的分布情況;轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的最大位移值0.32mm，轉(zhuǎn)臺剛度大;轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值355MPa，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)后下端尖點(diǎn)處，屬于應(yīng)力集中，去除該處應(yīng)力集中后，最大應(yīng)力為234MPa，該應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服極限，因此強(qiáng)度也滿足要求;通過全工況計(jì)算可知，該轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力較小，說明該結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)保守，結(jié)構(gòu)還有一定優(yōu)化空間，下一步，將對該轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提升材料利用率以及結(jié)構(gòu)輕量化目的。

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ZHANG Shujun，SUN Wuhe，ZHANG Weiguo

This article first uses the APDL language of ANSYS software to program the parameters such as the angle of the luffing arm and the telescopic length of the telescopic arm， and sort out the full working condition type of the boom structure. Analyze and obtain the displacement and stress distribution rules of the turntable structure and the stiffness， maximum strength and the most dangerous working conditions of the turntable structure. In order to ensure the structural reliability， and provide theoretical support for the optimization and modification design of the series of turntable products， on the basis of improving the design efficiency， it lays the foundation for the next step of lightweight design.

shotcrete truck; turntable structure; full working condition; strength analysis