水泥装车机机架有限元静力学分析

邓援超，赵黎明，王雪梅，周谟林

水泥装车机机架有限元静力学分析

邓援超1，赵黎明1，王雪梅2，周谟林1

（1湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉430068；2湖北省质量技术监督局行政许可技术评审中心，湖北武汉430068）

为了保证装车机在不同工况下的工作性能，针对水泥装车机在工作过程中的几种典型工况，对装车机机架进行基于有限元的静力学分析，以了解机架在不同工况下变形和应力分布情况，为装车机机架的设计与改进提供理论依据。

水泥装车；有限元；机架；静力学分析

水泥装车机以悬置式的方式工作，工况复杂多变，因而对其中关键零部件工作性能要求较高［1－2］。主机机架作为整个装车机的重要承载结构，其工作时承受着各种类型的复杂载荷，对整个装车机性能的优劣有着非常重要的影响。

1 水泥装车机主机方案

根据水泥装车机各部分功能的不同，可以把装车机划分为四大部分：水泥输送装置、Y轴Z轴运动装置、水泥分配平台和码垛装置。其总体机构示意图如图1所示，本文所研究的对象就是水泥分配平台机架［3］。

图1 装车机总体结构示意图

2 有限元模型的建立

本课题中水泥装车机机架［4］主要由Q235槽钢采用焊接的方式加工而成。Q235材料属性如表1所示。

表1 Q235材料属性

机架总长3300mm，总宽2800mm，机架总质量约为500kg。建立正确合理的装车机机架模型是进行有限元分析与设计的关键。一个好的有限元模型可以真实地反映出原设计的数学模型，使得后期的分析设计结果更加准确，结果更加逼近真实性。考虑到装车机机架上面的安装孔位比较多，结构比较复杂，在建立装车机机架的有限元模型时做了一定的简化，其简化遵循以下几个主要原则。

1）对于装车机机架中较小的圆角、倒角等进行了简化，这些小的细节不会对机架的整体受力产生太大的影响。保留对结构影响较大的加工孔位，对于结构突变较大的地方必须保留原有的细节，以得到较为准确的仿真结果。

2）将机架上装饰性的设计和连接部件忽略掉，这样可以提高建模效率，又可以使得整个模型简洁美观。

2.1 网格划分

划分网格时，要选择合适的单元形状和大小［5］。常见的单元类型有四面体单元、六面体单元等。单元体的大小根据实际情况而定，单元越小，划分得越细，计算精度就越高，但是所需计算时间也越长，所以在划分网格的时候，在保证计算结果准确性的前提下，单元格选择大一点。在必要的应力集中部位，可以采用较小几何尺寸单元，使单元划分得密一些，当单元大小不一样时，要逐渐过渡。在该机架中采用的是四面体网格。四面体网格的优点是可以施加于任何几何体并且可快速、自动生成，在关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格以利于进行边界识别，边界层有助于法向网格的细化。本文中得到的机架网格划分结果如图2所示。

图2 网格划分图

2.2 载荷施加和边界条件

装车机机架悬置式安装，受到的载荷主要有码垛装置的压力、水泥包释放闸门装置的压力、皮带机的重力作用，还有机架自身的重力作用。在不同工况条件下，机架所受载荷的位置不同。

3 机架的有限元结果分析

3.1 普通工况下结果分析

对上述机架的有限元模型进行求解后，得到了水泥装车机机架的应力（Stress）云图（图3）和变形（Deformation）云图（图4）。

图3 普通工况下机架应力云图

由图3可以看出，机架较大的应力区域主要集中在机架的中间横梁上面和几个机架与升降装置的连接区域，最大值约为176.5MPa。该区域是载荷集中区域，容易出现应力集中，从而导致机架的破坏。在机架的其他承受载荷区域，大部分区域应力值处于20～100MPa。由水泥装车机机架材料的力学性能可知，机架的屈服极限为235MPa，机架的最大应力值小于材料的屈服极限。

图4 普通工况下机架总变形云图

由图4机架总变形云图可以看出，机架的最大变形量大约为2.5mm，其中最大变形发生在机架两个侧边梁和其中一根横梁上面，最大变形量2.5mm。分析结果表明，机架中间连接横梁和侧面横梁局部存在刚度不足问题。通过观察还可以发现，机架侧边横梁前段的变形量较中间部分要小，而实际情况机架前段所受到的载荷要大于中间部分。之所以出现这种情况，是因为在初始设计过程中，对机架前段的承受较大载荷部分采用了双槽钢叠加的设计，使得结构得到了加强。总的来说，机架的最大变形量处于一个相对较小的数值上，说明机架在普通工况下具有较优的抗变形能力。但由于装车机实际工作中工况复杂，为了保证机架具备良好的工作性能，机架的局部刚度还有待进一步提高。

3.2 极限工况一结果分析

装车机整体采用双通道双码垛装置同时码垛的方式进行码包，所以在水泥装车机的工作过程中，存在一种极限工况，就是2个码垛装置同时偏置一侧，而2个分配水泥包的装置同时偏置到另一侧，这样便形成了一种极限工况。在该极限工况下，机架所受的载荷与普通工况下有所不同，对机架的强度提出更高的要求，所以对该种极限工况下的机架进行了基于有限元的仿真分析，得到的结果如图5和图6所示。

图5 极限工况一下机架应力云图

由图5可见，机架整体情况应力值在一个较小的范围内（20～160MPa），但局部应力最大值达到209 MPa。该值较普通工况下的应力值相比有所增大，说明该工况对机架局部应力集中部位需要要求更高。所以针对该区域，需要做结构优化处理。

图6 极限工况一下机架总变形云图

由图6可见，机架的总变形最大值为2.53mm，最大变形发生的位置为机架左侧横梁的端部和右侧横梁的尾部的。其余位置的变形量在小于2mm的范围内。该分析结果与第一代水泥装车机在实际调试过程中机架变形的实际情况相吻合，机架变形的最大位置之所以在这两个位置，就是由于在该工况下载荷偏置所导致的。

3.3 极限工况二结果分析

水泥装车机的工作过程中，还存在着另一种极限工况，就是两个码垛装置和两个分配皮带机同时偏置到一侧，导致机架所受载荷位置再次发生变化。对该种极限工况下的机架进行仿真分析，得到的结果如图7和图8所示。

图7 极限工况二下机架应力变化云图

由图7可见，机架的最大应力值为130MPa，最大应力位置在中间连接横梁处，机架的应力是三种工况下最小的，满足使用要求。

图8 极限工况二下机架总变形云图

由图8可见，机架的总变形最大值为2.17mm，最大变形发生的位置为载荷偏置侧横梁。其余位置的变形量较小，由载荷偏置侧向另一侧逐渐递减。出现该种结果也是由于载荷偏置所导致的。

4 结构优化

综合在普通工况和极限工况下的静力学分析结果可得，装车机机架在普通工况下基本满足使用要求，局部存在刚度不足的问题；在极限工况下，存在应力集中较大的区域与刚度不足的问题，因此不能完全满足装车机的使用要求，需要进行一定的优化与改进。

1）机架中间的变形量较大的横梁可以采用变截面梁，在变形区域较大的区域增加梁的截面面积。

2）通过不同工况下的分析结果可以看出，在机架中存在一部分应力和变形都非常小的区域，对于这些应力较小变形不大的区域，可以减少壁厚或者减少多余的加强结构，进行轻量化设计。

3）对机架的可以进行拓扑优化，以保证强度不变的情况下减小整个机架的重量，并可以降低最大应力值，改善应力的分布状态。

综合以上对主机机架的改进措施，得到主机机架优化的总成方案如图9所示。

图9 机架优化结构

进行结构优化后的机架总质量约为300kg，优化之前的机架总质量约为400kg，质量约减少25%。

5 优化结构的验证

为了保证优化后结构的实用性，需进一步对优化后的主机机架结构进行验证分析。结合之前对原有机架在三种典型工况下的分析结果，选取极限工况一进行验证分析，优化后的机架结构在极限工况一下的静力学分析结果如图10和图11所示。

图10 优化后结构应力云图

图11 优化后结构变形云图

从优化后的验证分析结果可以看出，优化结构在极限工况一下最大应力为52MPa，最大变形量为1.6 mm，可以满足装车机的工作要求。但进行轻量化设计后的机架总质量减少了约25%。说明改进后的机架改进方案合理，满足实际设计要求。

6 结论

在不同工况条件下对水泥装车机主机机架进行了静力学分析，得出了其存在局部刚度不足问题的结论，针对该问题进行了优化设计，并对优化结构在极限工况下做了验证分析。从优化设计的结果可以看出，主机机架质量减少了约25%。从验证分析结果可以看出，优化后的机架变形和应力都有所改善，其大小都处于合理范围内，满足主机机架的工作要求。该优化方案可行，结构改进合理。

［1］ 魏兵，熊禾根.机械原理［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007.

［2］ 陈锡栋，杨婕，赵晓栋，等.有限元法的发展现状及应用［J］.机械设计与制造工程，2010，39（11）：6－8.

［3］ 陈伟.电动汽车车架结构有限元分析与优化［D］.重庆：重庆交通大学，2012.

［4］ 白修山.半挂车车架结构有限元分析［D］.合肥：合肥工业大学，2005.

［5］ 许冠能.基于有限元的某微型车车架强度分析［J］.大众科技，2013（5）：111－113.

The Statics Analysis of the Frame of Cement Loading Machine Based on ANSYS

DENG Yuanchao1，ZHAO Liming1，WANG Xuemei2，ZHOU Molin1
（1 School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Hubei Provincial Bureau of Quality and Technical Supervision Administrative Licensing Technology Review Center.Wuhan 430068，China）

In order to ensure the performance of loading machine under different working conditions，aiming at several typical working conditions of cement loading machine in the work process，this paper analyzes the statics finite element based on loading machine.It will help understand the frame under different conditions of deformation and stress distribution conditions，and provide a theoretical basis for the design and improvement of loading machine frame.

cement loading；finite element；frame；static analysis

TH243

A

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0012－03

2017－05－24

邓援超（1963－），男，湖北孝感人，湖北工业大学教授，研究方向为机械设计及理论

赵黎明（1990－），男，湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械工程