混凝土攪拌運輸車前后支架有限元分析及輕量化

王振 朱偉麗

摘要：介紹了混凝土攪拌運輸車前后支架的重要作用，通過對前后支架五種工況下的有限元分析校核該結構的剛強度是否滿足要求。根據分析的結果，對前后支架進行輕量化優(yōu)化設計，再次通過有限元分析進行校核，驗證了該設計更加合理，且自重降低，滿足市場需求。

關鍵詞：混凝土攪拌運輸車;前后支架;有限元分析;輕量化;安全系數(shù)

中圖分類號：TH136 收稿日期：2022—04—02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.010

1前言

攪拌車輕量化經過多年的發(fā)展，已經形成了多種成熟的優(yōu)化模式，如優(yōu)化車身結構、使用輕量化材料，以及通過先進的制造工藝到材料回收再利用等技術手段，其中使用輕量化材料和運用先進制造工藝的輕量化效果最為顯著，實現(xiàn)了車輛的節(jié)能減排，降低了用戶的用車成本。

攪拌車前后支架的強度和剛度對攪拌車有重大影響，強度低容易斷裂，剛度低容易扭曲變形。通過NX三維設計軟件自頂向下及等高設計思路，并通過有限元運動仿真及受力分析，在滿足車架強度和剛度的前提下盡量使前后支架輕量化，提高燃油經濟性，降低運輸成本。

2前后支架結構

混凝土攪拌運輸車的結構布置如下：攪拌罐體前端安裝有減速機，減速機固定在前支架上;攪拌罐上的滾道落在拖輪上方，拖輪固定在后支架上;前后支架分布在攪拌車車架前后兩端，對攪拌罐體和裝載的混凝土起到支撐作用。由于在滿載運輸混凝土的過程中，前后支架受到交變載荷的反復作用，所以很容易發(fā)生疲勞破壞和斷裂。

攪拌車的前支架主要由側板、前板、加強板、后板、頂板組成，后支架主要由側板、前板、筋板、頂板、后板、加強件組成。前后支架與車架的連接有焊接式和裝配式兩種，本文中有限元分析的是前后支架焊接式結構。

前后支架作為重要的支撐部件，需保證它們的強度和剛度，所以前后支架的材質和結構起到關鍵作用。攪拌車經過多年的發(fā)展，前后支架的結構已經比較成熟，所以新材料的應用越來越受到關注。

3各工況下前后支架有限元分析

攪拌罐內的葉片會造成混凝土在攪拌罐旋轉過程中質心的位置偏心，因此前后支架的左右支撐點作用反力不一致。前后支架支撐點分為前支架左支撐點、前支架右支撐點、后支架左支撐點、后支架右支撐點，因各個支撐點在XYZ三軸方向均承受力的作用，所以各支反力大小均考慮了1.2倍動載系數(shù)。

前后支架材質為Q355B，材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度463 MPa，抗拉強度556 MPa，延伸率27.6%，強度安全系數(shù)為1.3，前后支架有限元分析采用殼單元進行網格劃分，網格尺寸平均10 mm。前后支架模型如圖1所示。

靜力有限元分析工況包括滿載勻速上坡、滿載勻速下坡、滿載彎曲、滿載制動以及滿載轉彎五種工況。分析這五種工況下前后支架結構的強度和剛度，并進行前后支架輕量化優(yōu)化的有限元分析選出最不利的工況。以下是具體有限元分析的結果。

3.1滿載勻速上坡工況下的有限元分析

滿載勻速上坡工況下前后支架應力和變形云圖如圖2所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為269.3 MPa，位于前支架左邊側板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為0.5mm，位于前支架左邊側板與頂板交接處;后支架最大等效應力為119.7MPa，位于后支架左筋板中間開口圓角處，最大變形量為1.2mm，位于后支架左側板上沿處。

3.2滿載勻速下坡工況下的有限元分析

滿載勻速下坡工況下前后支架應力和變形云圖如圖3所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為284.4 MPa，位于前支架左邊側板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為1mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為121.9 MPa，位于后支架左筋板中間開口圓角處，最大變形量為1.2mm，位于后支架左側板上沿處。

3.3滿載彎曲工況下的有限元分析

滿載彎曲工況（平路運輸）下前后支架應力和變形云圖如圖4所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為158MPa，位于前支架左邊側板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為0.4mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為126.2 MPa，位于后支架左筋板中間開口圓角處，最大變形量為1.3mm，位于后支架左側板上沿處。

a.前支架應力云圖

b.前臺位移云圖

c.后支架應力云圖

d.后臺位移云圖

3.4滿載制動工況下的有限元分析

滿載制動工況下前后支架應力和變形云圖如圖5所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為292.4MPa，位于前支架左邊側板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為1mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為172.1 MPa，位于后支架頂板與側板交接處，最大變形量為0.4mm，位于后支架前板開口處。

3.5滿載轉彎工況下的有限元分析

滿載轉彎工況下前后支架應力和變形云圖如圖6所示，最大等效應力和變形量見表1。前支架最大等效應力為289.7 MPa，位于前支架左邊側板底部與車架橫梁交接處，最大變形量為0.8 mm，位于前支架前板與頂板交接處;后支架最大等效應力為225.2 MPa，位于后支架前板下端開口處，最大變形量為3.2mm，位于左側板上沿處。

根據表1中數(shù)據可以看出，前后支架在五種工況下，安全系數(shù)均大于1.3，特別是后支架的安全系數(shù)更高，所以目前的結構形式滿足使用要求，可以進一步進行輕量化優(yōu)化設計。

4前后支架輕量化優(yōu)化

攪拌車前后支架輕量化的最終目的是讓前后結構的安全性和重量處于一個平衡狀態(tài)，即結構安全的前提下保證前后支架重量最小。因此對前后支架材料進行升級，即材料更換為610L。610L材料彈性模量為221 GPa，泊松比0.29，屈服強度590 MPa，抗拉強度664 MPa，延伸率24.1%。對以上五種工況（尤其是滿載轉彎工況）的前后支架進行輕量化優(yōu)化仿真分析，前后支架零件編號如圖7所示，具體優(yōu)化結果見表2。

對輕量化優(yōu)化后的前后支架進行上述五種工況有限元分析，優(yōu)化后滿載勻速上坡應力云圖如圖8所示，優(yōu)化后滿載勻速下坡工況應力云圖如圖9所示，優(yōu)化后滿載轉彎工況應力云圖如圖10所示。優(yōu)化后各工況的變形云圖不再顯示，因為位置一樣，只是變形量不同，各工況部件最大等效應力及變形量見表3。

對表1和表3進行分析，前后支架優(yōu)化后各工況的應力安全系數(shù)都大于1.3，優(yōu)化后前支架安全系數(shù)與原結構基本一致;后支架強度安全系數(shù)稍有降低，但還是超過要求的設定值，所以輕量化優(yōu)化方案滿足要求。

5 結語

通過對攪拌車前后支架做強度、剛度的有限元分析以及輕量化優(yōu)化后的有限元分析，得出結果為：攪拌車前后支架原結構強度滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側向轉彎五種工況要求，特別是后支架安全系數(shù)更高，所以可以進行下一步的輕量化設計。輕量化設計方案為材料更換為610L，攪拌車前后支架原質量為323.51 kg，輕量化后質量為243.1kg，減重80.41kg，減重24.8%，經濟效益較高。輕量化后進行有限元分析，攪拌車前后支架輕量化后強度安全系數(shù)均大于要求值，變形量稍有增大，但同樣滿足爬坡、下坡、向前加速、緊急制動、側向轉彎五種狀況要求。

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