基于有限元分析的混凝土泵车臂架优化设计

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FEA-based optimal design for cantilever craneof concrete pump vehiclesW： Jia-xian -，WANG An.1in(1.School of Mechanical Engineering，Toni University，Shanghai 201804，China；2.Pump Conveying Research Institute of SANY Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China)Abstract：Based on the cantilever crane design for a specific concrete pump vehicle，the statistical andfrequency analyses are first conducted using finite element analysis(FEA).Then，the cantilever cranemodel iS optimally improved for secondary simulation analysis.Finally。it iS found that the analysis resultsfrom improved design are much better than those from initial design.Therefore，it is proven that the FEAmethod signifies the optimal product design improvement and design cycle reduction。

Key words：concrete pump vehicle；cantilever crane；finite element analysis；statics混凝土泵车是输送混凝土的专用机械，泵车臂架系统是支撑混凝土输送管路，实现灵活布料的重要结构件.泵车在施工作业时，臂架伸展成各种不同姿态，形态结构上属于串联机器人系统，在力学上又属于典型的悬臂梁结构，其受力情况复杂[1]，另外，由于臂架伸展后往往长达几十米(常见的尺寸规格为 3760 m)，因此，进行臂架设计时，除了需要考虑单根臂架的力学特征外，还需要考虑整个臂架系统的质量、刚度、强度、疲劳、频率等多种物理特征[2].而且，由于臂架伸展的超长结构具有柔性体的结构特点，因此还需要进行刚体 -柔性体混合分析L3]以及实物仿真r4].总之，臂架系统是混凝土泵车最关键的结构件之-，它除了决定泵送距离外，其设计参数还对泵车的稳定性[5]、振动特性等作者简介：万佳先(1972-)，男，工程师.E.mail：wjxxhl###163.com具有重要的影响嘲.本文利用有限元方法 对某型号混凝土泵车的臂架 I进行了优化设计，为后续整个臂架系统的优化设计奠定了基础，同时也为整车减重 、减少能源消耗提供了技术手段。

1 静力学分析及结构优化混凝土泵车臂架是由多种不同厚度的板材实施拼焊而成的典型箱梁式结构.臂架 I-端连接在转台上，另外-端与臂架II连接，承载着后续臂架、连杆、驱动油缸、管路等部件，是臂架系统中承力最大的结构件.为了实现优化设计，本文在设计了臂架 I的三维模型的基础上，进行了有限元静力学及频率分析，模型材料参数如表 1所示。

中 国 工 程 机 械 学 报 第 11卷高应力区发生在基本臂下翼板滑块处、伸缩臂上翼板滑块处、伸缩臂下末端与基本臂的接触截面突变处、基本臂截面突变处以下的上下翼板至变幅油缸铰点之间的区域.相对应力较小的区域为：伸缩臂的上下翼板及左右腹板.对其进行直接人工优化：对于结构强度不足处进行结构加强；对于结构强度较高的区域考虑适当减小其厚度[53。

4.2 曲臂优化前后的有限元分析通过对最危险的工况 1进行有限元分析，施加载荷取 自运动学分析中的结果.通过有限元进行计算，得到在工况 1下的位移最大变形量位于吊臂头部，为0.280 m，在允许范围 0.306 in内.应力计算结果与优化前对比如表 2所示，最大应力发生在基本臂油缸铰耳的4个侧板与基本臂下翼板连接处，其值为455 MPa，小于许用屈服强度533 MPa，达到优化目的。

表 2 吊臂优化对比表TI .2 ntrasttableoftheliftarnloptimiztion工况 最大应力/MPa 最大位移/m 最大应变 吊臂质量/kg5 结论本文分析设计了45 t集装箱曲臂正面吊，对曲臂正面吊进行了运动学分析和有限元分析，同时对(上接第 124页)其结构进行了人工优化分析.优化后，最大应力减少了28.2%，最大位移增加了 6.87%，最大应变减少了25.7%，整个吊臂质量减少了 12.3%.且优化后最大应力与最大位移均在许用应力与许用位移范围之内。