混凝土泵车后支腿结构优化研究

（三一汽车制造有限公司，湖南 长沙 410100）

混凝土泵车后支腿结构优化研究

邱翠容，魏忠灵，胡雄伟，魏立峰

（三一汽车制造有限公司，湖南 长沙 410100）

对后支腿Solidworks有限元建模及加载方法进行研究；以某泵车后支腿作为实例，进行了混凝土泵车后支腿结构的静态及屈曲分析，找出后支腿应力分布规律、重点关注部位及减重部位；并针对不同工况进行对比分析，得出支腿结构优化的方法及减重降成本的措施，为后支腿结构设计提供参考。

混凝土泵车；后支腿；结构；研究

混凝土泵车是将泵送系统、支撑系统和臂架系统集成在改制的载重汽车底盘上，集行驶、泵送、布料功能于一体的高效混凝土输送设备。混凝土泵车(见图1)通过分动箱将底盘发动机的动力传输给泵送系统，将料斗内的混凝土加压，然后利用泵车上臂架和输送管，将混凝土泵送到指定位置。支撑系统一般由固定转塔、转台、回转机构和支腿四部分组成。支腿是泵车支撑系统中起支撑作用的部件，支腿设计的优劣直接影响泵车的可靠与安全,对工程机械产品的设计具有重要作用。

图1 混凝土泵车示意图

泵车支腿一般分为前支腿和后支腿，目前泵车的主流产品为X型前支腿和摆动型后支腿。前支腿多为等截面梁，而后支腿因与固定转塔的接口形式、离地高度及与平台距离的限制，多为变截面梁。变截面梁的应力、位移和稳定性计算较复杂，并且无法直观的看到支腿上各节点的应力变化，使得后期结构优化难度加大。在结构设计初期，一般先按照等截面梁初算支腿臂的截面和板厚，后续再利用有限元分析软件进行结构优化。

SolidWorks采用非全约束的特征建模技术, 其设计过程全相关,可以在设计的任何阶段对设计进行修改,同时自动实现与之相关的更新。利用Solidworks截面执行设计分析、仿真和优化，就目前主流生产泵车后支腿结构进行研究，找出了影响后支腿结构应力分布的规律，同时对某生产车型后支腿结构进行改进优化，满足企业生产需要。由于混凝土泵车工作时工况繁多，只取后支腿工作最恶劣工况，即臂架全部水平展开状态，并且臂架位于该支腿上方的情况。

1 支腿截面尺寸设计计算

泵车支腿为箱型梁结构，为计算确定截面尺寸及板厚等设计数值，首先规定盖板及底板所能承受的正应力值δg和δd，然后将所需的截面尺寸各个数值与之发生关系，联立出等式方程。

首先，最大正应力与最大弯矩和箱体抗弯截面系数关系如下：

式中， Mmax——为最大弯矩，可根据支腿所受最大支反力算出，为已知数值。

W——箱体的抗弯截面系数，它与截面的几何形状有关，单位是m3。

I——截面的惯性矩，量纲为m4。

e——截面型心到相应边的距离。

根据泵车支腿截面形状，计算出I和e的值，并使之与所需要计算的截面各尺寸发生关系。

1.1 截面型心位置坐标计算

根据分块积分原理，组合图形的静矩等于其各部分图形的静矩之和。截面有一垂直对称轴，其形心必然在这一对称轴上，因而只需确定形心在对称轴上的位置。组合图形形心坐标的计算公式为：

式中，Ai和yi，Zi分别表示任一组成成分的面积及其型心的坐标。n表示图形由n个部分组成。

绘制支腿截面形状，并设各未知尺寸如图2，箱体盖板与底板宽度为w，盖板厚度为δ1，底板厚度为δ2，高度h，厚度b。

设ABCD的面积为A1，abcd的面积为A2。以底边DC作为参考坐标轴y。

图2 箱体截面

由公式（3），整个截面的形心C的坐标为：

1.2 由平行移轴公式, 计算截面对形心轴惯性距

矩形ABCD对yCfalse的惯性矩：

1.3 最大正应力计算

将（2），（8）代入（11）可得截面上边的抗弯截面模数：

其中，Fmax、l为已知数据，将得到支腿截面各尺寸间的关系不等式，未知数包括底板宽度w、盖板厚度δ1、底板厚度δ1、高度h、侧板厚度b共5个。确定盖板、底板、侧板要用钢板的厚度，通过联立方程，即可计算出箱体宽度w与高度h的值。

2 仿真模型建立及计算过程

利用有限元分析软件Solidworks对支腿进行应力分析、变形量、稳定性分析及优化。

2.1 模型的建立

根据整车跨距、固定转塔及接口形式、轮胎离地高度、离去角等确定后支腿的接口形式、截面高度、支腿长度等重要参数，利用PROE软件进行建模。

（1）模型转换。将支腿臂Pro/E部件模型转换为STEP格式文件。将STEP格式文件支腿臂模型导入Solidworks软件中。在Solidworks软件中将支腿臂部件转换为零件。

（2）Solidworks零件模型处理。去除支腿臂模型中非承力特征，预留焊接坡口，预留焊接间隙，对支腿臂Solidworks零件模型进行合并。

（3）创建支腿有限元分析辅助零件模型。创建后支腿固定转塔、支腿轴、下撑油缸、垫板、后支腿展开油缸简化模型等，应确保与之装配零件的接触面无间隙、无干涉，并按照原零部件的实际尺寸进行简化。

2.2 创建支腿有限元分析计算装配模型

以固定转塔简化零件模型为基准件（固定），根据支腿臂、油缸垫板、固定转塔、油缸、支腿轴的实际装配关系装配上述零件。

2.3 支腿静态计算

（1）支腿静态计算模型网格划分及边界条件施加。接触面组定义：零部件全局接触为无穿透。定义相触面组：对于间隙为零的两个零件的相触面组采用自动查找相触面组的方法进行设置；检查装配模型干涉情况，并进行处理。

定义材料属性：零件材料为合金钢，弹性模量2.1e+11；泊松比0.28；密度7700。

约束定义：后支腿分析简化固定转塔末端的两个面及展开油缸末端面设为固定约束；油缸垫板四周的四个面约束设为在平面上，并在水平两个方向上进行约束，与支撑油缸底面的磨擦系数设为0.3。

（2）外部载荷定义。

定义引力：引力方向为铅垂方向，应定义在基准面上。定义支腿支反力：受力面积为油缸垫板的分割面，方向垂直油缸垫板底面，油缸垫板可设为水平，也可设定一定的倾斜角度，视泵车使用情况而定。载荷大小设为泵车总重的0.7倍，载荷大小最后根据转塔有限元分析结果前、后支腿的最大支反力进行修正。

（3）支腿计算模型网格划分。支腿静态求解:网格划分好以后，对模型进行静态运算，查看支腿静态分析结果文件，包括应力、应变、变形量。

（4）支腿屈曲计算。设置全局接触为接合，删除在静态分析中设置的相触面组；删除在静态分析中设置的前支腿伸缩油缸模型及后支腿展开油缸模型。其余同上。

扭曲模式数设为10，支腿屈曲计算安全系数一般要求大于2，即载荷因子为最小正数时，载荷因子数值必须大于2。

3 后支腿实例分析

3.1 根据上述优化过程，取某一车型后支腿进行有限元分析

（1）加载后模型如图3所示。

图3 后支腿分析模型及加载情况

（2）有限元分析结果如图4所示：为了更好的查看支腿的有限元分析结构，将除支腿外的其它部件隐藏。

通过有限元分析结果，可以很直观的看出支腿应力变化及应力较大区域，为后期优化指明方向。

（3）后支腿应力变化规律分析。通过图8可以得出结论，有限元分析结果与理论计算吻合：支腿应力较大区域为离中性面较远处的盖板和底板，而位于中性面附近的侧板区域受力较小。需要重点关注及优化的区域即为红色应力较大的区域：底板、盖板、上轴套、下轴套、盖板加强板、底板加强板及焊缝收尾和截面突变的区域；重点减重区域为蓝色应力较好的区域：内外侧板，盖板尾部、底板尾部等区域。

3.2 对实例后支腿进行优化

对该支腿进行结构优化，优化后模型及应力图如图5所示。

（1）重点应力区域改进情况对比。对优化前后的支腿臂的重点部位进行应力对比，对比情况如表1所示。

图4 应力结果

图5 后支腿优化结果

对优化前后变形及稳定性情况进行对比，情况如表2所示。

（2）结构优化措施。盖板、底板优化措施：开孔位置移至加强板内，并利用塞焊方式，增加开孔部位强度；上贴板及下贴板结构改进措施：将加强板加长，增大离支腿轴距离，并将其更改为鱼尾型或椭圆收尾，减少横向焊缝； 上中板和下中板：截面过渡处增加过渡或收尾，减小应力集中；上、中、下轴套：更改为直径更大的加强圈，增加局部刚性。

（3）结构减重措施。通过有限元分析结果得出，结构优化后支腿应力得到改善，但是支腿重量相应增加。设计者需要在应力满足要求的同时，达到减重降成本的目的。从支腿应力分析图可以看出，支腿减重的重点区域应为：侧板、盖板和底板尾部应力约200MPa以内的区域，即应力分析图中蓝色及蓝绿色区域。将支腿优化后的模型进行减重处理：盖板尾部减薄、侧板尾部减薄、底板尾部减薄，并进行应力、变形、稳定性及减重质量分析，对比情况如表3，表4所示。

通过表3对比得出结论，不同减重措施对支腿重点区域应力影响：侧板减薄应力最好，底板减薄其次，盖板减薄对支腿应力影响最大；

表1 重点应力区域优化情况对比

表2 优化前后变形及稳定性情况对比

表3 减重措施应力对比

表4 减重对比

位移变化与应力变化规律近似：侧板减薄位移最小，底板减薄其次，盖板减薄位移最大；

稳定性影响：侧板减薄稳定性最好，盖板减薄之次，底板减薄稳定性最差。

综上，支腿侧板减重对支腿应力、变形量及稳定性影响最小，设计时优先考虑支腿侧板减重；也可根据实际减重及应力要求采取三种方式任意组合的形式进行减重。

泵车工作时，支腿底板受拉，如果底板改为厚薄对接焊缝受力，开裂隐患较大，可在对接焊缝内侧或外侧增贴加强板。

因支腿为箱型梁，为满足减重及应力要求，支腿截面一般设计为高度较高，但宽度较小的截面梁，以某车型后支腿为例，盖板重量191kg，底板重量195kg，内外侧板总重量783Kg，将材料板厚减小一个规格的情况下，底板或侧板减重空间小且对支腿应力影响大，如设计阶段减重工作任务比较艰巨，可虑将侧板整体减薄，减薄后应力及稳定性对比如表5和表6所示，可看出侧板整体减薄对底板及下轴套应力及支腿臂稳定性影响较大，可通过对底板进行局部加强的方法来提高应力，稳定性不足的情况可考虑在侧板内侧增加平行于底板垂直于侧板的横筋板。

表5 应力对比

表6 位移及稳定性对比

4 结语

利用有限元分析手段，对目前主流生产的后支腿进行应力、变形量及稳定性分析，不但可以节省理论计算、试验测试时间，同时为支腿设计提供依据和方法，通过研究可以得到如下结论：第一，支腿应力较大区域为：底板、盖板、上轴套、下轴套、盖板加强板、底板加强板及焊缝收尾和截面突变的区域；第二，重点减重区域为：内外侧板，盖板尾部、底板尾部区域；第三，支腿减重时，优先考虑支腿侧板减重； 也可采用侧板、盖板、底板减重组合的方式；第四，减小应力措施：尽量避免离支腿轴较近的区域开孔，如开孔需进行局部加强；加强板采用鱼尾型或椭圆收尾，减少横向焊缝；截面过渡处增加过渡或收尾； 增加局部刚性。

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TU646

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：1671-0711（2017）08（上）-0170-04