混凝土搅拌运输车前后支架有限元分析及轻量化

王振 朱伟丽

摘要：介绍了混凝土搅拌运输车前后支架的重要作用，通过对前后支架五种工况下的有限元分析校核该结构的刚强度是否满足要求。根据分析的结果，对前后支架进行轻量化优化设计，再次通过有限元分析进行校核，验证了该设计更加合理，且自重降低，满足市场需求。

关键词：混凝土搅拌运输车;前后支架;有限元分析;轻量化;安全系数

中图分类号：TH136 收稿日期：2022—04—02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.010

1前言

搅拌车轻量化经过多年的发展，已经形成了多种成熟的优化模式，如优化车身结构、使用轻量化材料，以及通过先进的制造工艺到材料回收再利用等技术手段，其中使用轻量化材料和运用先进制造工艺的轻量化效果最为显著，实现了车辆的节能减排，降低了用户的用车成本。

搅拌车前后支架的强度和刚度对搅拌车有重大影响，强度低容易断裂，刚度低容易扭曲变形。通过NX三维设计软件自顶向下及等高设计思路，并通过有限元运动仿真及受力分析，在满足车架强度和刚度的前提下尽量使前后支架轻量化，提高燃油经济性，降低运输成本。

2前后支架结构

混凝土搅拌运输车的结构布置如下：搅拌罐体前端安装有减速机，减速机固定在前支架上;搅拌罐上的滚道落在拖轮上方，拖轮固定在后支架上;前后支架分布在搅拌车车架前后两端，对搅拌罐体和装载的混凝土起到支撑作用。由于在满载运输混凝土的过程中，前后支架受到交变载荷的反复作用，所以很容易发生疲劳破坏和断裂。

搅拌车的前支架主要由侧板、前板、加强板、后板、顶板组成，后支架主要由侧板、前板、筋板、顶板、后板、加强件组成。前后支架与车架的连接有焊接式和装配式两种，本文中有限元分析的是前后支架焊接式结构。

前后支架作为重要的支撑部件，需保证它们的强度和刚度，所以前后支架的材质和结构起到关键作用。搅拌车经过多年的发展，前后支架的结构已经比较成熟，所以新材料的应用越来越受到关注。

3各工况下前后支架有限元分析

搅拌罐内的叶片会造成混凝土在搅拌罐旋转过程中质心的位置偏心，因此前后支架的左右支撑点作用反力不一致。前后支架支撑点分为前支架左支撑点、前支架右支撑点、后支架左支撑点、后支架右支撑点，因各个支撑点在XYZ三轴方向均承受力的作用，所以各支反力大小均考虑了1.2倍动载系数。

前后支架材质为Q355B，材料弹性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服强度463 MPa，抗拉强度556 MPa，延伸率27.6%，强度安全系数为1.3，前后支架有限元分析采用壳单元进行网格划分，网格尺寸平均10 mm。前后支架模型如图1所示。

静力有限元分析工况包括满载匀速上坡、满载匀速下坡、满载弯曲、满载制动以及满载转弯五种工况。分析这五种工况下前后支架结构的强度和刚度，并进行前后支架轻量化优化的有限元分析选出最不利的工况。以下是具体有限元分析的结果。

3.1满载匀速上坡工况下的有限元分析

满载匀速上坡工况下前后支架应力和变形云图如图2所示，最大等效应力和变形量见表1。前支架最大等效应力为269.3 MPa，位于前支架左边侧板底部与车架横梁交接处，最大变形量为0.5mm，位于前支架左边侧板与顶板交接处;后支架最大等效应力为119.7MPa，位于后支架左筋板中间开口圆角处，最大变形量为1.2mm，位于后支架左侧板上沿处。

3.2满载匀速下坡工况下的有限元分析

满载匀速下坡工况下前后支架应力和变形云图如图3所示，最大等效应力和变形量见表1。前支架最大等效应力为284.4 MPa，位于前支架左邊侧板底部与车架横梁交接处，最大变形量为1mm，位于前支架前板与顶板交接处;后支架最大等效应力为121.9 MPa，位于后支架左筋板中间开口圆角处，最大变形量为1.2mm，位于后支架左侧板上沿处。

3.3满载弯曲工况下的有限元分析

满载弯曲工况（平路运输）下前后支架应力和变形云图如图4所示，最大等效应力和变形量见表1。前支架最大等效应力为158MPa，位于前支架左边侧板底部与车架横梁交接处，最大变形量为0.4mm，位于前支架前板与顶板交接处;后支架最大等效应力为126.2 MPa，位于后支架左筋板中间开口圆角处，最大变形量为1.3mm，位于后支架左侧板上沿处。

a.前支架应力云图

b.前台位移云图

c.后支架应力云图

d.后台位移云图

3.4满载制动工况下的有限元分析

满载制动工况下前后支架应力和变形云图如图5所示，最大等效应力和变形量见表1。前支架最大等效应力为292.4MPa，位于前支架左边侧板底部与车架横梁交接处，最大变形量为1mm，位于前支架前板与顶板交接处;后支架最大等效应力为172.1 MPa，位于后支架顶板与侧板交接处，最大变形量为0.4mm，位于后支架前板开口处。

3.5满载转弯工况下的有限元分析

满载转弯工况下前后支架应力和变形云图如图6所示，最大等效应力和变形量见表1。前支架最大等效应力为289.7 MPa，位于前支架左边侧板底部与车架横梁交接处，最大变形量为0.8 mm，位于前支架前板与顶板交接处;后支架最大等效应力为225.2 MPa，位于后支架前板下端开口处，最大变形量为3.2mm，位于左侧板上沿处。

根据表1中数据可以看出，前后支架在五种工况下，安全系数均大于1.3，特别是后支架的安全系数更高，所以目前的结构形式满足使用要求，可以进一步进行轻量化优化设计。

4前后支架轻量化优化

搅拌车前后支架轻量化的最终目的是让前后结构的安全性和重量处于一个平衡状态，即结构安全的前提下保证前后支架重量最小。因此对前后支架材料进行升级，即材料更换为610L。610L材料弹性模量为221 GPa，泊松比0.29，屈服强度590 MPa，抗拉强度664 MPa，延伸率24.1%。对以上五种工况（尤其是满载转弯工况）的前后支架进行轻量化优化仿真分析，前后支架零件编号如图7所示，具体优化结果见表2。

对轻量化优化后的前后支架进行上述五种工况有限元分析，优化后满载匀速上坡应力云图如图8所示，优化后满载匀速下坡工况应力云图如图9所示，优化后满载转弯工况应力云图如图10所示。优化后各工况的变形云图不再显示，因为位置一样，只是变形量不同，各工况部件最大等效应力及变形量见表3。

对表1和表3进行分析，前后支架优化后各工况的应力安全系数都大于1.3，优化后前支架安全系数与原结构基本一致;后支架强度安全系数稍有降低，但还是超过要求的设定值，所以轻量化优化方案满足要求。

5 结语

通过对搅拌车前后支架做强度、刚度的有限元分析以及轻量化优化后的有限元分析，得出结果为：搅拌车前后支架原结构强度满足爬坡、下坡、向前加速、紧急制动、侧向转弯五种工况要求，特别是后支架安全系数更高，所以可以进行下一步的轻量化设计。轻量化设计方案为材料更换为610L，搅拌车前后支架原质量为323.51 kg，轻量化后质量为243.1kg，减重80.41kg，减重24.8%，经济效益较高。轻量化后进行有限元分析，搅拌车前后支架轻量化后强度安全系数均大于要求值，变形量稍有增大，但同样满足爬坡、下坡、向前加速、紧急制动、侧向转弯五种状况要求。

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