基于Adams的混凝土泵車臂架有限元分析

李海波 楊剛 張進

1. 湖南響箭重工科技有限公司 湖南 常德 415106；

2. 臺州科技職業學院 浙江 臺州 318020

引言

隨著基建項目的大力開發，混凝土泵車的應用越來越廣泛[1-3]?；炷帘密囀且环N集成泵、支撐機構、布料桿于改裝卡車底盤上以實現混凝土高效泵送的特種工程機械[4]。混凝土泵車各部件間存在著耦合作用，泵車的負載、重量、尺寸、傾覆力均隨臂架的加長而增大[5]。隨著施工需求的持續升級，對臂架系統及節數的需求日益提升。因此，在確保臂架強度及剛度滿足安全的情形下，泵車的輕量化設計意義十分重大。本研究基于泵車幾何模型，建立每一節臂和連桿、轉臺單獨的有限元模型，結合Adams有限元分析軟件對不同工況下臂架一的應力及變形情況進行分析，在確保安全、可靠的前提下，進一步優化臂架設計。

1 模型的建立

1.1 臂架有限元模型

圖1 臂架有限元模型

根據幾何模型，建立每一節臂和連桿、轉臺單獨的有限元模型，其中，臂架有限元模型如圖1所示，采用片體單元進行有限元模擬，片體取臂架截面的內表面。臂架、連桿和轉臺有限元網格大小按照15-30mm進行劃分，單元類型為QUAD4及少量TRIA3板殼單元，臂架兩端網格細化。臂架分析中，輸料管、銷軸、三角連桿采用梁單元進行仿真模擬，油缸和直連桿采用桿單元進行仿真模擬。臂頭用桿單元模擬一個連桿（臂架一為油缸），臂尾用桿單元模擬油缸和直連桿，梁單元模擬三角連桿和下一節臂。

1.2 臂架工況與載荷

載荷主要包括以下幾個部分：

（1）自重載荷。根據有限元軟件自身功能，在前處理程序中輸入對應材料的密度及重力加速度，程序便根據輸入單元截面形狀，計算模型重量。

（2）工作載荷。工作載荷為所分析的臂架后面的質量部分所產生的彎矩和剪力。

（3）風載。壓強為250 Pa。單節臂產生的風載很小，可以忽略。所加的風載為所分析的臂架后面的部分由于風載產生的彎矩和剪力。

圖2 模型加載及約束圖

圖2為模型加載及約束圖，所加的彎矩和剪力數據由三維模型和EXCEL表算出，取動載系數為結構1.1、混凝土1.3，臂架分析中約束臂頭鉸孔中心和臂頭連桿或油缸桿單元的端點的移動自由度。

由Adams有限元分析軟件對臂架鉸點組進行分析，分別取臂尾鉸點組油缸最大力和三角連桿、直連桿最大力時臂架的姿態進行有限元分析。臂頭連桿（或油缸）始終保持其受力最大時的姿態，圖3為臂尾鉸點組Adams仿真模型及曲線。通過對比有限元結果和Adams結果中的連桿、油缸力來驗證有限元模型的加載是否準確。連桿的載荷和工況同樣來自Adams分析。

圖3 臂架鉸點組Adams仿真模型及曲線

1.3 分析結果評估

臂架材料許用應力如表1所示，要求各部件無應力集中，臂架單節臂變形比例需小于5%。

表1 材料許用應力表

2 結果與討論

2.1 工況分析

圖4所示為臂架一與轉臺鉸點Adams仿真姿態，臂架一從水平0°轉動到垂直90°，其他臂架保持水平，滿載工作工況。有限元分析得到一號油缸力結果如圖5所示，一號油缸在0°水平工況時受力最大。

圖4 臂架一與轉臺鉸點Adams仿真姿態

圖5 一號油缸力Adams有限元分析曲線

圖6所示為臂架一、二鉸點組臂架滿載工況Adams仿真姿態，考慮臂架一、二轉角θ從30°轉到180°，四、五、六臂保持水平。θ在0°到30°只需考慮臂架一水平，其他所有臂架收攏時的工況，此時油缸受拉。圖7所示為臂架一、二鉸點組有限元分析曲線，由圖分析可知，在水平工況時直連桿和三角連桿力達到最大，143°時油缸力達到最大。

圖6 臂架一、二鉸點組滿載工況

圖7 臂架一、二鉸點組有限元分析曲線

經分析，臂架一所需分析的工況應為水平工況、垂直工況和143°工況三種，所施加的載荷為：彎矩M=1354666169 N.mm，剪力F=87514 N，扭矩T=37800298 N.mm，風載扭矩TW=72717275 N.mm。

2.2 水平工況

圖8-10所示為臂架一水平工況下縱向變形圖、橫向變形圖及綜合變形圖，由圖可知，臂架一最大縱向變形為283mm，變形比例為2.4%；臂架一最大橫向變形為20mm，變形比例為0.17%；臂架一最大綜合變形為284mm，變形比例為2.4%。圖11所示為臂架一水平工況應力云圖，由圖可知，臂架一最大應力為591MPa，位于內部縱筋母材邊。

圖8 臂架一水平工況縱向變形圖

圖9 臂架一水平工況橫向變形圖

圖10 臂架一水平工況綜合變形圖

圖11 臂架一水平工況應力云圖

2.3 垂直工況

垂直工況臂架一為豎直狀態，其他為臂架水平的姿態。圖12所示為臂架一垂直工況綜合變形圖，由圖可知，最大變形為194 mm，變形比例為1.7%。圖13所示為臂架一垂直工況應力云圖，最大應力為540MPa，位于大頭底板油缸座缸口圓弧邊。

圖12 臂架一水平工況綜合變形圖

圖13 臂架一水平工況綜合變形圖

2.4 143°工況

圖14所示為臂架—143°工況綜合變形圖，由圖可知，最大變形為242mm，變形比例為2.1%。圖15所示為臂架—143°工況應力云圖，最大應力為572MPa，位于內部縱筋母材邊。

圖14 臂架一143°工況綜合變形圖

圖15 臂架一143°工況應力云圖

3 結束語

根據幾何模型，建立每一節臂和連桿、轉臺單獨的有限元模型?；贏dams有限元分析軟件對臂架一水平、垂直兩個極限工況以及143°工況的應力及變形情況進行了分析。水平工況的最大應力591MPa，位于內部縱筋母材邊。垂直工況的最大應力540MPa，位于大頭底板油缸座缸口圓弧邊。143°工況最大應力為572MPa，位于內部縱筋母材邊緣。最大應力均在600MPa以下，大片應力均在500MPa以下，變形比例小于5%。臂架一結構應力、和變形符合設計要求。