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作者；張毅

  罐體作為混凝土攪拌車的主要承載部件，主要由簡(jiǎn)體、連接法蘭、滾道及攪拌葉片等組成，其強(qiáng)度和剛度直接影響整車的使用壽命和安全性。因此本文對(duì)罐體在滿載、制動(dòng)、卸料三種工況進(jìn)行靜力分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變分析結(jié)果，為罐體進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1  罐體模型的建立

本文以某公司B18N型混凝土攪拌車為分析對(duì)象，其有效裝載量為18m3，罐體傾角為10.2。，混凝土的密度為2 350 kg/m3。根據(jù)罐體的相關(guān)參數(shù)和對(duì)數(shù)螺旋線的參數(shù)方程，通過UG/Open GRIP進(jìn)行編程，由UG二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)的用戶界面得到罐體（包括葉片）罐體總裝模型，如圖1所示。

將由UG建好的幾何模型以IGES格式導(dǎo)人到ANSYS Workbench中。在盡量如實(shí)反映罐體結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)性能的前提下，盡可能簡(jiǎn)化該幾何模型，故對(duì)該罐體作以下處理：①對(duì)于簡(jiǎn)體、葉片、封頭、筋板、蓋板、堵板等殼單元用面體表示，用DesignModerler中的Mid-Surface功能抽取中面；②用DesignModerler中的Face Delete對(duì)一些幾何體細(xì)節(jié)如倒角、小孔等對(duì)分析結(jié)果沒有太大的影響，但會(huì)增加單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪除。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

  模型中有3D實(shí)體(Solid)和面體(Surface Body)。3D實(shí)體需要用實(shí)體類單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，實(shí)體單元有3個(gè)位移自由度；而面體需要用殼單元來劃分網(wǎng)格，殼單元包括共6個(gè)自由度：3個(gè)位移自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由于實(shí)體單元和殼單元本身自由度的不同，直接連接時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不連續(xù)，從而造成計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。

針對(duì)不同單元類型自由度的不連續(xù)問題．ANSYSWorkbench解決辦法有使用約束方程和MPC法兩種，本文使用的是MPC法。因?yàn)镸PC法不需逐一建立約束方程，且不需在面體部分與3D實(shí)體部分連接處有公共節(jié)點(diǎn)，所以MPC法具有過程簡(jiǎn)單和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。Workbench中設(shè)置的接觸結(jié)果如圖3所示。

所選擇的單元類型和網(wǎng)格劃分的質(zhì)量好壞直接影響有限元分析結(jié)果的精確性。在建立罐體的有限元模型時(shí)，簡(jiǎn)體、葉片、封頭、筋板、蓋板、堵板選擇殼單元，滾道與法蘭選擇實(shí)體單元。采用自動(dòng)劃分法，四邊形網(wǎng)格，單元邊長(zhǎng)為30．O mm。該模型共有節(jié)點(diǎn)100 027個(gè)，單元87 441個(gè)。罐體有限元模型如圖4所示。

2計(jì)算參數(shù)及邊界條件的確定

該型號(hào)混凝土攪拌車罐體組成部分的參數(shù)性能如表1所示。

2.1施加約束

  罐體的前錐端部是通過法蘭和減速器固定連接在一起，罐體的后錐則通過滾道和安裝于汽車底盤上的支架的托輪相連接，在模型中將滾道與托輪接觸部位建立Imprint Faces，作為施加約束的部位。

2.2施加載荷

  罐體所承受載荷較為復(fù)雜，除承受罐體和混凝土自身的重力之外，在工況不同的情況下還承受著其他相關(guān)作用力（如制動(dòng)時(shí)所受的慣性力和旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的轉(zhuǎn)矩）。為了提高計(jì)算精度，本文在罐體的內(nèi)表面上施加靜水壓力(Hydrostatic Pressure)，用以表示罐體所受混凝土的作用力，如圖5所示；罐體自身重量以重力加速度的形式自動(dòng)施加在罐體上。

3不同工況下罐體的有限元分析

  攪拌車空載靜止時(shí)，罐體只受到自身重力作用，其剛度和強(qiáng)度是足夠的，現(xiàn)在就滿載、制動(dòng)、卸料三種工況對(duì)罐體進(jìn)行靜力分析。

3.1  滿載工況

滿載靜止?fàn)顟B(tài)下罐體受到自身重力和混凝土載荷的作用。罐體的自重以重力加速度的形式施加在罐體上，混凝土對(duì)罐體的作用力以靜水壓力( HydrostaticPressure)的形式施加在罐體的內(nèi)表面上。經(jīng)分析得到罐體滿載工況下的變形和等效應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示。

3.2  制動(dòng)工況

攪拌車在制動(dòng)工況下，除了承受攪拌筒和混凝土自重外，還承受著由罐體和混凝土的質(zhì)量所引起的制動(dòng)慣性力。根據(jù)《GB7258 - 97機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中對(duì)各類車輛在一定初速度條件下，緊急制動(dòng)時(shí)的FMDD(充分發(fā)出的減速度)所作出的詳細(xì)規(guī)定，攪拌車在50 km／h初速度的情況下，其FMDD應(yīng)不小于5 m/s2，將惡劣工況考慮在內(nèi)，本次計(jì)算所采用的制動(dòng)減速度為6m/s2。經(jīng)分析得到制動(dòng)工況下罐體的變形和等效應(yīng)力云圖，如圖8、圖9所示。

3.3卸料工況

停車卸料時(shí)，罐體的驅(qū)動(dòng)負(fù)載主要是轉(zhuǎn)矩。載荷處理方式為：無慣性力作用，罐體反轉(zhuǎn)出料時(shí)在法蘭上施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩，其值大小為75 000 N-m，其他載荷同滿載工況。經(jīng)分析可得卸料工況下罐體的變形和等效應(yīng)力云圖，如圖10、圖11所示。

4計(jì)算結(jié)果分析

以上3種工況下罐體的最大變形和最大應(yīng)力結(jié)果如表2所示。

  由表2可知：制動(dòng)工況最大應(yīng)力為165. 11  MPa，發(fā)生在封板部位，其他兩種工況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于此值。因此只需校核制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力值。罐體材質(zhì)為16Mn，為塑性材料，其失效形式為塑性變形。16Mn的屈服應(yīng)力甌=345  MPa，攪拌車行駛在道路上，其運(yùn)行速度相對(duì)平穩(wěn)，故取安全系數(shù)n=1.5，由此可得許用應(yīng)力[(一暑一~4345一230 MPa。顯然165. 11  MPa<230 MPa，在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，說明強(qiáng)度足夠。罐體最大變形均小于允許變形量(6 mm)，符合正常預(yù)期。

5結(jié)束語

本文采用UG參數(shù)化設(shè)計(jì)方法建立罐體幾何模型，并以IGES格式導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析，通過對(duì)罐體在滿載、制動(dòng)、卸料3種工況的靜力學(xué)分析可以得到罐體最大變形和受力部位，并校核其強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)前設(shè)計(jì)的罐體強(qiáng)度、剛度足夠，為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

6摘要：通過UG參數(shù)化建模建立混凝土攪拌車罐體的幾何模型，然后將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYSWorkbench中，簡(jiǎn)化后的模型殼單元與實(shí)體單元并存，接觸設(shè)置采用MPC法，對(duì)其在不同工況下進(jìn)行有限元分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變分析結(jié)果。通過對(duì)罐體強(qiáng)度和剛度的分析，為罐體進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。