混凝土搅拌运输车副车架三角板优化设计
目 录
1 绪论 1
1.1 研究的目的和意义 1
1.2 研究现状 1
1.3 主要研究内容 3
2 混凝土搅拌运输车副车架几何模型的建立 3
2.1 Pro/E软件介绍 3
2.2 混凝土搅拌运输车副车架简介 4
2.3 副车架几何模型的建立 5
3 基于Hypermesh副车架的有限元模型的建立 6
3.1 Hypermesh软件介绍 6
3.2 几何清理 7
3.3 中性面的抽取 8
3.4 副车架模型网格划分 8
2.1 混合动力汽车的基本原理与特点 .4
2.2 混合动力汽车动力总成结构分类 5
4 副车架的有限元分析 9
4.1 静态工况有限元分析9
4.2 扭转工况有限元分析 10
4.3 结果分析11
5 副车架三角板的优化12
5.1 三角板的优化方案12
5.2 优化后副车架的有限元分析 13
5.3 结果分析 15
结论 16
致谢 17
参考文献18
1 绪论
1．1 研究的目的和意义
进入21世纪，随着经济建设步伐的加快，越来越多的大型建设工程项目相继动工， 故而混凝土搅拌运输车进入了高速发展的时期, 已经成为了当今建设工程市场上的“宠儿”。混凝土搅拌运输车作业时，首先由混凝土集中搅拌站将混凝土装运至于施工现场，然后将混凝土卸入事先准备好的料斗中，最后再利用起重机或混凝土泵将其输 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
送到需要浇筑的部位。在混凝土运输过程中，为了避免混凝土在途中发生离析或初凝的现象，搅拌运输车在此过程中将对混凝土进行不停的搅拌，进而改善了混凝土拌合物的和易性和均匀性，从而保证了混凝土的浇筑质量。同时也有利于现场的文明施工和环境保护。不管是对于城市建设，还是狭窄的现场施工场地都十分有利[1]。
副车架、搅拌筒、电气系统、液压系统、操纵系统、进出料装置、供水系统及护栏等是混凝土搅拌运输车上车部分的主要组成部分，其中，混凝土搅拌运输车最为关键的部件是副车架。对于搅拌运输车副车架，前台支撑架、主梁、后台支撑架是其构成部分，搅拌罐体通过副车架与搅拌车底盘相连接，副车架通过依靠连接板和U型螺栓固定在主车架上，因此搅拌罐体装载的物料和罐体自身重量产生的弯曲、扭转、拉伸的应力均作用在了副车架上，所受应力的状态较复杂 [2]。加之在行驶过程中，因为路面的颠簸和加速、减速，造成了冲击载荷故而产生的冲击、振动也均作用于副车架上，当副车架因为承受的复合应力而发生了疲劳并达到了一定的次数时，副车架往往容易产生塑性变形，直至副车架断裂，这些是搅拌车常见的失效形式。同时，由于副车架的变形导致搅拌车的专用装置在后桥中心线以后的位置发生下沉，使得搅拌筒和副车架距离逐渐缩小以致工作时相互干涉，最终搅拌车将无法正常使用[3]。可见，对副车架关键部位的结构优化设计，来有效的减少副车架因复合应力而发生疲劳变形是混凝土搅拌运输车设计时需重点考虑的问题。
1．2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
在混凝土搅拌运输车副车架优化设计这一领域，国外的研究起步与国内相比较早。目前国外应用较为广泛的是拓扑优化技术，经过计算机的数值模拟计算，拓扑优化技术能在众多的设计方案中确定出最为完善的或最适和的设计方案，采用这种设计
方法不仅能大大提高设计效率，更能改善设计的质量。因此在航空航天、机械、船舶以及微电子等领域都受到了大力的推广应用。
除此之外，美国汽车钢铁联盟将福特公司的一款十分成功的钢材料SUV车架委派给Altair公司，要求以不改变该车的材料以及不降低该车的刚度为基础，使得该车架实现轻量化。Altair公司将该车架先后分别经历整体拓扑优化、局部拓扑优化、和详细设计优化过程后，依靠该技术最终将新车架在原车架的基础上实现重量减轻了23%，同时其的弯曲刚度以及扭转刚度均有了大幅度的改善与提高。在优化设计过程中，因为充分考虑到了汽车制造加工方面的要求，Altair公司还将新式车架所用的成本进行了减少，使得该汽车的制造成本远远低于了铝合金材料的高额花费。与此同时，世界各大汽车巨头都纷纷将眼光投向拓扑优化技术，将其应用到汽车产品设计中，使得汽车产品的性能不断地得到了提高和改善。福特、奥迪、宝马、沃尔沃、丰田和尼桑等公司都将拓扑优化技术应用到他们的产品中。奥迪A8车型也将拓扑优化技术运用在车声、发动机等地方。
1.2.2 国内研究现状
近年来，我国不少学者在搅拌运输车副车架上采用了有限元理论和优质设计方法进行深入的研究，并取得了不错的成果。
武汉理工大学的夏宇辉对搅拌车主副车架的结构进行了优化设计，以有限元分析理论为基础，依靠有限元分析工具，将原搅拌车主副车架作为模型，对搅拌车在满载弯曲工况以及满载扭转工况分别进行有限元分析，在对其结构拓扑优化。然后将拓扑优化结果作为基础，提 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
出新结构的搅拌车车架，使其在工艺性和经济性方面都有了较大的提高。最后利用动静态特性分析，得出新结构的搅拌车在弯曲和扭转工况下的模态频率、振型及静态强度和刚度。设计后的搅拌车主副车架轻量化效果达到了4.2%，综合性能较好，且起到了一定的轻量化作用[5]。
内蒙古科技大学的关丽坤等通过ANSYS软件建立出某搅拌车车架的有限元模型，再利用静力分析和模态分析，得出车架的应力、应变分布情况和固有频率及振型特征。从而将车架的结构参数进行了修正，提出车架的优化设计方案。再通过静态分析可以发现优化后的车架在应力方面得到了明显的改善；通过模态分析也可发现优化后的车架的固有频率能够避开发动机常见的工作频率范围，不仅可以有效地避免发生共振，还大大改善了车架的受力环境[6]。
内蒙古科技大学的董志明则将现有混凝土搅拌运输车车架在实际工作中产生的问题作为出发点，提出对其副车架的结构进行优化设计，依靠理论分析，设计出了一种新结构的车架。再利用扭矩遥测系统和监测分析系统对新结构的搅拌车进行了监测，进而分析其在实际使用过程中的受力情况，这一过程充分为新结构车架的验证提供了正确性和可靠性[7]。
沈阳理工大学吕品以载货两吨的单排座轻卡车架为研究对象，运用二维拓扑优化设计、三维拓扑优化设计和结构尺寸优化设计相结合的方法，对车架进行了优化设计，新结构满足各种工况下的动静态特性要求，且轻量化效果达到16%[8]。
西安建筑科技大学李富强等将遗传算法优化程序与结构的有限元分析程序结合起来，在这俩个程序中进行数据传递，不仅节约了结构优化问题的求解时间也提高了计算结果的可靠性[9]。
3.1.3 Hypermesh的网格划分
Hypermesh为分析研究人员提供了一套非常完善而且易于使用的实用工具。研究人员可以利用这些工具或者Hypermesh网格自动划分模块来生成二维或三维有限元模型。
Hypermesh中具有几何面的自动网格划分模块，为分析研究人员提供了一套可靠的网格划分工具，并使技术人员能够对每个平面进行网格参数调整，还可以调节网格的单元密度、单元偏置梯度和网格划分的算法等。
1 绪论 1
1.1 研究的目的和意义 1
1.2 研究现状 1
1.3 主要研究内容 3
2 混凝土搅拌运输车副车架几何模型的建立 3
2.1 Pro/E软件介绍 3
2.2 混凝土搅拌运输车副车架简介 4
2.3 副车架几何模型的建立 5
3 基于Hypermesh副车架的有限元模型的建立 6
3.1 Hypermesh软件介绍 6
3.2 几何清理 7
3.3 中性面的抽取 8
3.4 副车架模型网格划分 8
2.1 混合动力汽车的基本原理与特点 .4
2.2 混合动力汽车动力总成结构分类 5
4 副车架的有限元分析 9
4.1 静态工况有限元分析9
4.2 扭转工况有限元分析 10
4.3 结果分析11
5 副车架三角板的优化12
5.1 三角板的优化方案12
5.2 优化后副车架的有限元分析 13
5.3 结果分析 15
结论 16
致谢 17
参考文献18
1 绪论
1．1 研究的目的和意义
进入21世纪，随着经济建设步伐的加快，越来越多的大型建设工程项目相继动工， 故而混凝土搅拌运输车进入了高速发展的时期, 已经成为了当今建设工程市场上的“宠儿”。混凝土搅拌运输车作业时，首先由混凝土集中搅拌站将混凝土装运至于施工现场，然后将混凝土卸入事先准备好的料斗中，最后再利用起重机或混凝土泵将其输 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
送到需要浇筑的部位。在混凝土运输过程中，为了避免混凝土在途中发生离析或初凝的现象，搅拌运输车在此过程中将对混凝土进行不停的搅拌，进而改善了混凝土拌合物的和易性和均匀性，从而保证了混凝土的浇筑质量。同时也有利于现场的文明施工和环境保护。不管是对于城市建设，还是狭窄的现场施工场地都十分有利[1]。
副车架、搅拌筒、电气系统、液压系统、操纵系统、进出料装置、供水系统及护栏等是混凝土搅拌运输车上车部分的主要组成部分，其中，混凝土搅拌运输车最为关键的部件是副车架。对于搅拌运输车副车架，前台支撑架、主梁、后台支撑架是其构成部分，搅拌罐体通过副车架与搅拌车底盘相连接，副车架通过依靠连接板和U型螺栓固定在主车架上，因此搅拌罐体装载的物料和罐体自身重量产生的弯曲、扭转、拉伸的应力均作用在了副车架上，所受应力的状态较复杂 [2]。加之在行驶过程中，因为路面的颠簸和加速、减速，造成了冲击载荷故而产生的冲击、振动也均作用于副车架上，当副车架因为承受的复合应力而发生了疲劳并达到了一定的次数时，副车架往往容易产生塑性变形，直至副车架断裂，这些是搅拌车常见的失效形式。同时，由于副车架的变形导致搅拌车的专用装置在后桥中心线以后的位置发生下沉，使得搅拌筒和副车架距离逐渐缩小以致工作时相互干涉，最终搅拌车将无法正常使用[3]。可见，对副车架关键部位的结构优化设计，来有效的减少副车架因复合应力而发生疲劳变形是混凝土搅拌运输车设计时需重点考虑的问题。
1．2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
在混凝土搅拌运输车副车架优化设计这一领域，国外的研究起步与国内相比较早。目前国外应用较为广泛的是拓扑优化技术，经过计算机的数值模拟计算，拓扑优化技术能在众多的设计方案中确定出最为完善的或最适和的设计方案，采用这种设计
方法不仅能大大提高设计效率，更能改善设计的质量。因此在航空航天、机械、船舶以及微电子等领域都受到了大力的推广应用。
除此之外，美国汽车钢铁联盟将福特公司的一款十分成功的钢材料SUV车架委派给Altair公司，要求以不改变该车的材料以及不降低该车的刚度为基础，使得该车架实现轻量化。Altair公司将该车架先后分别经历整体拓扑优化、局部拓扑优化、和详细设计优化过程后，依靠该技术最终将新车架在原车架的基础上实现重量减轻了23%，同时其的弯曲刚度以及扭转刚度均有了大幅度的改善与提高。在优化设计过程中，因为充分考虑到了汽车制造加工方面的要求，Altair公司还将新式车架所用的成本进行了减少，使得该汽车的制造成本远远低于了铝合金材料的高额花费。与此同时，世界各大汽车巨头都纷纷将眼光投向拓扑优化技术，将其应用到汽车产品设计中，使得汽车产品的性能不断地得到了提高和改善。福特、奥迪、宝马、沃尔沃、丰田和尼桑等公司都将拓扑优化技术应用到他们的产品中。奥迪A8车型也将拓扑优化技术运用在车声、发动机等地方。
1.2.2 国内研究现状
近年来，我国不少学者在搅拌运输车副车架上采用了有限元理论和优质设计方法进行深入的研究，并取得了不错的成果。
武汉理工大学的夏宇辉对搅拌车主副车架的结构进行了优化设计，以有限元分析理论为基础，依靠有限元分析工具，将原搅拌车主副车架作为模型，对搅拌车在满载弯曲工况以及满载扭转工况分别进行有限元分析，在对其结构拓扑优化。然后将拓扑优化结果作为基础，提 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
出新结构的搅拌车车架，使其在工艺性和经济性方面都有了较大的提高。最后利用动静态特性分析，得出新结构的搅拌车在弯曲和扭转工况下的模态频率、振型及静态强度和刚度。设计后的搅拌车主副车架轻量化效果达到了4.2%，综合性能较好，且起到了一定的轻量化作用[5]。
内蒙古科技大学的关丽坤等通过ANSYS软件建立出某搅拌车车架的有限元模型，再利用静力分析和模态分析，得出车架的应力、应变分布情况和固有频率及振型特征。从而将车架的结构参数进行了修正，提出车架的优化设计方案。再通过静态分析可以发现优化后的车架在应力方面得到了明显的改善；通过模态分析也可发现优化后的车架的固有频率能够避开发动机常见的工作频率范围，不仅可以有效地避免发生共振，还大大改善了车架的受力环境[6]。
内蒙古科技大学的董志明则将现有混凝土搅拌运输车车架在实际工作中产生的问题作为出发点，提出对其副车架的结构进行优化设计，依靠理论分析，设计出了一种新结构的车架。再利用扭矩遥测系统和监测分析系统对新结构的搅拌车进行了监测，进而分析其在实际使用过程中的受力情况，这一过程充分为新结构车架的验证提供了正确性和可靠性[7]。
沈阳理工大学吕品以载货两吨的单排座轻卡车架为研究对象，运用二维拓扑优化设计、三维拓扑优化设计和结构尺寸优化设计相结合的方法，对车架进行了优化设计，新结构满足各种工况下的动静态特性要求，且轻量化效果达到16%[8]。
西安建筑科技大学李富强等将遗传算法优化程序与结构的有限元分析程序结合起来，在这俩个程序中进行数据传递，不仅节约了结构优化问题的求解时间也提高了计算结果的可靠性[9]。
3.1.3 Hypermesh的网格划分
Hypermesh为分析研究人员提供了一套非常完善而且易于使用的实用工具。研究人员可以利用这些工具或者Hypermesh网格自动划分模块来生成二维或三维有限元模型。
Hypermesh中具有几何面的自动网格划分模块，为分析研究人员提供了一套可靠的网格划分工具，并使技术人员能够对每个平面进行网格参数调整，还可以调节网格的单元密度、单元偏置梯度和网格划分的算法等。
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