某混凝土泵车臂架的结构强度分析与改进

连红卫

摘要：混凝土泵车是一种重要的建筑机械，其中臂架是其关键部件，对其结构进行分析具有重要的意义。本文以新型混凝土泵车臂架为研究对象，分析确定各种危险工况，利用ANSYS提供的APDL语言，对臂架进行参数化建模，研究研究结构的刚度和强度，并依据分析结果对二节臂和五节臂结构提出合理改进方案。对改进后的结构进行屈曲分析，用以校核臂架在工作载荷下是否会发生屈曲。

关键词：臂架；ANSYS；强度；刚度；模态分析；屈曲分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.008

1混凝土泵车简介与问题的提出

近年来，我国经济的快速增长，对基础设施的建设需求量增大，混凝土泵车具有作业区域广、浇筑位置准、浇筑效率快等特点，因此混凝土泵车成为基建工程中重要的水泥基础浇铸设备，其性能参数与可靠性对建设的效率有着重要作用。混凝土泵车由汽车底盘、支腿、泵送系统、回转装置、臂架、电气系统、液压系统等结构构成。如图1所示。如今臂架往越来越长的方向发展，受力形式越复杂，产生较大的位移，因而容易发生各种问题。例如，工作时由于臂架变形过大原因致使臂架失稳导致发生破坏现象，工作时由于局部位置应力过大导致臂体出现破坏的情况等，如图2所示。

本文以某新型设计型号混凝土泵车的臂架为研究对象，首先利用ANSYS软件建立了整车的有限元模型，然后根据受力情况施加正确的边界条件和载荷，进行整机的静强度分析，获得关键部件在危险工况下的等效应力与位移云图，并以此为依据进行结构优化与改进。并对改进后的结构进行模态分析和屈曲分析，校核修改后结构的安全性。

2整机有限元模型的建立

本文使用ANSYS内部的APDL语言建立混凝土泵车的参数化有限元模型，便于不同工况姿态的分析与后期的优化设计。

进行有限元分析过程中，在保证计算结果具有足够精确度的同时应尽量选用占用计算机资源较少的单元。为减少分析误差，提高分析效率，本文选择的单元类型见表1。

本文中选用的材料为WELDOX900E，其属性见表2。

根据材料力学的畸变能密度理论，该材料的许用应力计算公式为：

此处n为安全系数，取1.33。

本文采用自底向上的方法建立混凝土泵车的整机有限元模型，并利用APDL语言编写建模命令流程序。建模时，先设定整机的总体坐标系位置，然后根据零件的相对位置及装配关系定义局部坐标系位置，各部件的模型建立完成后，需要根据部件间的相对位置关系进行整机模型装配，一般先将零件装配成部件，然后将各部件装配在一起形成整机模型。整机与零部件有限元模型如图3所示。

至此整车的有限元模型已经建立完成，利用此模型可以进行臂架的静力学分析与优化设计。

3计算工况确定

泵车的施工过程中，其臂架存在多种作业姿态，臂架在施工中的主要受到的外载荷为结构本身的自重和输料管中混凝土料的重量，在每节臂均处于水平且全伸直的位置时，节臂的受力情况最为严重，并且前几节臂受到的倾翻距也最大，因此将此时的姿态定为最危险工况，其工况图如图4所示。

在此种姿态下，臂架收到臂架本身的自重及其产生的动载荷、输料管中混凝土的重量及其产生的动载荷和附加载荷，其中：

3.1臂架及混凝土的自重

臂架的自重主要为各节臂、连接各节臂的连杆、变幅油缸以及输料管等零部件的总重量G。混凝土的自重为输料管中混凝土的重量，计算时通过调节输料管的密度来模拟实际情况。

3.2动载荷

施工过程中振动会引起动载荷，由振动引起的动载系数K_d取1；输料管中流动的混凝土引起动载系数为K_h取1.3。计算时将重力加速度乘以动载系数。

3.3附加载荷

风载是由于风作用在机构上引起的载荷，风载的数值参照（2）式计算得：

式中q——风压（Pa）；取值情况根据内陆与沿海值由不同，本文按沿海地区较大值取250Pa

c——体形系数，臂架是矩形结构，c值取1.2～1.4之间，本文c取1.4。

回转惯性力是由于臂架绕某一轴线进行旋转所产生的惯性力，其计算式为：

式中m——总体质量（kg）；R——质心到回转中心的距离（m）；

n——转速（r/min）；t——加速度的时间（s）。

在该工况下，需要将臂架回转平台的底部全约束，对模型施加竖直向下的重力加速度及产生的动载荷、输料管中混凝土的重量及其产生的动载荷和附加载荷。

4臂架强度刚度结果分析与结构改进优化

4.1刚度计算结果分析

臂架在变幅平面（X-Y平面）内的等效位移云图如图5所示。臂架变幅平面内等效位移主要由节臂的自重和动载、混凝土的自重和动载以及端部牵引力引起，是主要位移方向。由分析结果可知，臂架整体最大位移为3536mm，小于设计最大位移4500mm，符合设计要求。

4.2各节臂强度计算结果分析

计算结束后，进入ANSYS的通用后处理器中查看各节臂的米塞斯等效应力，各节臂的等效应力云图如图6所示。

综合研究分析结果，可知各节臂整体上未出现大片的高应力区，仅在部分钢板搭接区域出现了应力集中，其中一节臂的应力集中效应比较明显，去除该小块区域外，结构的最大等效应力为521Mpa，一节臂受到的综合载荷最大，其他各个节臂的综合载荷相对较小，等效应力分布状态也好于一节臂。

4.3臂体结构改进方案与改进结果分析

等效應力偏大的区域主要发生在节臂结构连接薄弱处或者加强筋连接处。以二节臂为例进行说明，二节臂的臂体为箱型梁，内部采用加强板的方式焊接，因此在焊接区域易出现应力集中现象，分析结果表明此处应力状态较差，有必要对加强板的结构尺寸进行改进，见图7所示。此外五节臂大部分区域的等效应力都普遍偏小，其最大值为218 MPa，远低于材料许用应力586 MPa，可以通过减小壁体厚度提高材料的利用率。本文将五节臂上下盖板的厚度由原来的8mm改为6mm，如图8所示。

由图9可知，采用图7的改进方式使得该区域的应力分布有明显改善，缓解了应力集中现象。最大等效应力降低至403MPa，减小了161MPa；采用图8的改进方式使得五节臂的最大等效应力值增加至为251MPa，较大应力区域得到扩大，提高了材料利用率，减轻结构重量，尤其是臂端部重量，对减小整机最大位移有积极意义。

5臂架屈曲稳定性分析

本文所研究的混凝土泵车臂架在实际工作中存在臂体伸出长度长，组合臂根部应力水平高的特点，因此在设计过程中需要特别关注臂体在指定工况下是否会出现屈曲现象。一般来说分析结构屈曲稳定性的方法有以下三种，分别为（1）静力平衡法，假想在横向干扰的作用下，受压件有微小的弯曲。通过联立弯曲静力平衡方程和弯曲理论挠曲线近似微分方程，根据边界条件求解微分平衡方程，解得临界载荷；（2）能量法，此种方法认为结构存储的势能数值上与弹性体变形产生的内势能和外力做功产生的外势能相等，从而可以推导出临界载荷的数值；（3）有限元法，利用有限元理论，通过计算机进行数值模拟计算临界载荷。

算屈曲极限载荷和屈曲后形状有两种方法：线性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非线性屈曲分析，但是这两种方法得到的临界载荷可能差距很大。特征值屈曲分析常用于比较理想的情况，所得结果一般比真实值要大许多，而非线性屈曲分析的结果往往与真实值比较接近。

为了验证结构改进后的安全性，本文对新臂架结构的水平全伸工况进行非线性屈曲分析。将转台下底面所有节点的自由度全约束模拟转台固定在汽车底盘上，在输料管末端施加垂直五节臂向下1N的集中载荷，同时设置整个臂架的自重以及混凝土料的自重，特征值屈曲分析完成后提取第一阶屈曲模态结果，如图11所示，将各节点位移的等比缩小数据作为臂架的初始几何缺陷，同时施加略大于一阶临界载荷的载荷，采用位移法进行弹塑性大变形分析，分析完成后在时间后处理器中绘制载荷位移曲线，如图12所示。可知，臂架在垂直位移为6652mm时发生失稳，此时臂架的屈曲极限载荷为750kN，发生屈曲时的位移远大于工作状态下实际位移3536mm。可见，当前结构的稳定性满足设计要求。

6结论

本文以某型号混凝土泵车为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS建立了其臂架的参数化有限元模型，并以此为基础分析了臂架在危险工况下的强度与刚度特性，得到原设计方案加强筋区域存在应力集中、其余大部分区域结構偏安全的结论。经过结构改进缓解了原设计方案的应力集中现象，并且减轻了五节臂的重量，提高了材料利用率。采用非线性分析研究了臂架的屈曲载荷与屈曲形状，验证了改进后结构的稳定性符合设计要求。