混凝土搅拌运输车前支撑的分析

董瑞红

（包头职业技术学院，包头 014030）

0 引言

混凝土搅拌运输车具有良好的时效性与灵活机动性等优点，使得其获得了巨大的市场需求。随着市场需求的提高，对混凝土搅拌运输车的结构进行调整，实现轻量化设计与节能减排，势在必行[1]。

前支撑结构是混凝土搅拌运输车的重要承载部件，其强度特性直接影响着整车的装载能力[2]。因此，有必要针对前支撑结构做进一步的研究。本文基于前支撑的静力学分析和模态分析，在较好地综合两种分析结果的基础上，对前支撑结构进行了拓扑优化和尺寸优化，是对该项研究的创新性探索。

1 静力学分析和模态分析

如图1所示为简化的前支撑模型，已简化掉了多种辅助结构及工艺结构，如前支撑下部后横梁处的连接结构、水箱支撑结构和多个工艺孔等。这些结构极大地增加了有限元模型建立及网格划分的难度，却对结构的载荷分布影响不大，也不容易产生较大的应力集中现象。又如，水箱支撑结构会给整体结构提供一较小载荷，可以在去掉该结构后，在相关位置施加等效的载荷。

就混凝土搅拌运输车整体而言，需要考虑的简化工况有：针对动力性能，平直路面的最高车速工况；针对制动性能，极限制动工况；针对操作稳定性，水平路面的转弯工况；针对平顺性，不平路面工况；针对上坡能力，上坡工况；针对底盘扭转承载能力，主车架扭转工况。以上各种工况中，对前支撑结构影响最显著的是，制动工况与不平路面工况，结合两者的综合工况作为本文研究的危险工况。

图1 简化的前支撑模型

制动工况主要体现在整车所受的纵向力，不平路面工况主要体现在整车所受的垂向力。在前支撑下部与副车架连接的梁结构处施加约束，在上部与减速器连接的2个结构处施加载荷。经计算，不平路面上制动的综合工况，前支撑的受力情况如表1所示。

表1 前支撑受力情况

前支撑结构的材料为Q345B，弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，屈服极限σs=345MPa。按相关设计规范，安全系数应达到1.2，即相应的许用应力[σ]为287.5MPa。经静力学分析，前支撑结构所受的最大等效应力为283MPa，小于许用应力，符合强度要求。最大应力位置为与副车架相连接的前支撑底部结构中的左侧横梁、后部纵梁的内侧圆角处（如图2所示）。底部梁结构的圆角，本身能在一定程度上削弱应力集中，却仍然成为了出现最大等效应力的位置。因此，底部的梁结构将是我们后续优化工作中的一个考虑环节。

图2 最大等效应力

图3 前支撑的振型

如图3所示是模态分析中的前2阶主振型。通过模态分析的结果可以看出，对前2阶模态响应最敏感的部位，都是前支撑结构中间部分的两外侧钢板。由于，前两阶振型所处频率是最低的，最接近外部载荷的激振频率，是响应最敏感的振型，是最容易发生危险的振型。因此，为使整体结构振动响应更为迟钝和均匀，两外侧钢板应作为优化的考虑环节。

在静力学分析中，底部圆角处有最大等效应力，但是对振动的响应不明显。在模态分析中，两外侧钢板对振动的响应敏感，但是在静力学分析中，所受等效应力较小。因此底部圆角与两外侧钢板，这两个待优化环节的相互影响较小，即耦合作用可以忽略。这对后续的优化十分有利。可也分别解决最大等效应力的减小问题和振动响应情况的调整问题，而不用考虑，在优化这一方的同时，会对另一方有不利影响。

在后续优化中，减小最大等效应力，可通过调整底部圆角的半径来实现，而且这对结构的振动响应情况影响较小。调整振动响应情况，可以通过调整两外侧钢板的造型来实现，还可以尽量减小其对应力分布的影响。

2 拓扑优化及参数化建模

根据强度分析的结果，初步提出了优化可以考虑的环节。在对结构造型进行调整之前，再利用拓扑优化，确定具体的调整方案。如图4所示是以减少50%质量为目标的拓扑优化分析结果。左图为原始结果，右图为可移除单元的分布情况。可以看出，两个外侧钢板，中间水平钢板，底部后横梁，都是可优化处理的结构。但是，其中的中间水平钢板应该保留。整体结构中，只有顶部与中部两组水平钢板。在考虑强度问题的同时，还要考虑保持结构的刚度水平，以及不恶化结构的振动响应情况。中间水平钢板对增强结构的刚度十分重要，不可去掉。若对其进行开孔等工艺，尽管既能保证刚度性能，又能减少质量。但是会增加工艺难度，增大成本。因此，综合考虑各方面因素，中间钢板保持不变。

图4 50%拓扑优化结果

考虑拓扑优化结果中的两外侧钢板，需要结合模态分析的结果，即两外侧钢板响应剧烈。同时，考虑到两外侧钢板有圆形开口，容易出现应力集中。因此确定，将两外侧钢板作为外形的调整对象。由模态分析看出，前2阶主振型属于侧向振动。从结构方面考虑，主要是去掉两个外侧钢板，新增两个肋板，可有效减小侧向振动的响应情况。其他相关结构如水箱支撑结构等，只需要做细小的调整。从加工方面考虑，肋板相对于两外侧钢板，减少了圆形开口这道工艺，其他方面加工难度基本相同。从结构复杂程度及加工难度上，外侧钢板调整为肋板，不仅可节省成本，同时还解决了两外侧钢板侧向振动响应过于敏感的问题。其对应力的分布影响，需要在后续优化工作中研究。

表2 参数设置

考虑拓扑优化结果中的底部后横梁结构，需要结合静力学分析的结果，即在前支撑的底部梁结构的圆角处，出现最大等效应力。由于前支撑与减速器、副车架的装配关系不宜轻易调节，因此前支撑的底部梁结构的外部的高、宽尺寸应该保持不变。针对以上情况，将前支撑的底部梁结构的圆角半径作为优化参数。

图5 参数化模型

综合前面的分析结果，最终确定参数化模型包含3个参数，即底部圆角半径R，两侧肋板所在平面与竖直面的角度A，两侧肋板侧边线与底边线的角度B，参数化模型的网格模型如图5所示，网格比较均匀，为后续优化提供了保证。各个参数如表2所示，其中参数的变化范围是根据经验设定。

3 尺寸优化

利用ANSYS软件的多目标驱动优化模块，对参数化模型进行优化。结构质量M的目标设置为寻找最小值。最大等效应力P的目标设置为小于许用应力[σ]。

优化求解得到的最优参数如表3所示，即底部圆角半径32mm，两肋板所在平面相对于竖直平面向后旋转2°，两肋板侧边线相对于底边线的角度68°。最大等效应力由283MPa减小到262MPa，减小了7.5%，安全系数增大到1.3。质量由187Kg减小到162.4kg，质量减少了13%。

表3 最优参数

4 结论

前支撑作为混凝土搅拌运输车的关键受载部件，其现有结构过于笨重。利用ANSYS软件的静力学分析模块、模态分析模块、拓扑优化模块和多目标驱动优化模块的联合仿真，以在不平路面上制动的综合工况作为分析基础，对混凝土搅拌运输车的前支撑的结构质量、最大等效应力以及振动响应情况进行优化。本次优化中，调整了振动响应最敏感部位的结构，减小响应程度；结构质量与最大等效应力同时降低，使前支撑性能全面提升。

[1]董中泽.混凝土搅拌车行业发展问题分析[J].科技致富导向,2010(07上),124-166.

[2]赵加清,刘倩,王增全.混凝土搅拌车前后支架拓扑及尺寸优化设计[J].机械设计与制造,2010(7):27-29.

[3]王海英.水泥混凝土输送泵车结构优化设计[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(1):88-91.

[4]夏宇辉.基于有限元法的搅拌车主副车架结构拓扑优化设计[D].武汉:武汉理工大学,2009:3-7.