混凝土泵车臂架振动特性流固耦合仿真研究.pdf

第2 8 卷第1 1 期计算机仿真2 0 1 1 年1 1 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 1 ) 1 i 一0 3 8 3 0 4 混凝土泵车臂架振动特性流固耦合仿真研究 陈 栋1 ，王刚1 ，谢秀芬2 ，谭健2 ( 1 中南大学机电r 程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 三一重T 股份有限公司，湖南长沙4 1 0 1 0 0 ) 摘要：研究泵车泵送系统控制问题由于臂架系统参数设计不合理，混凝士泵车作业过程中的臂架系统振动。采用有限元法 建立某型号泵车臂架系统的流同耦合模型对臂架系统的振动特性进行仿真分析，并计算共振状态下象车臂架所受动应力 的分布情况。对泵车整车进行振动测试验证模型的有效性。根据流同耦合的泵车臂架系统有限元仿真模型，选择准确的参 数，反映在载荷作用下的振动特性和臂架所受动应力的分布情况。仿真结果为泵车臂架系统的动力学研究提供r 一种较精 确的力学模型，为臂架减振系统的设计提供了有效的参数依据。 关键词：混凝土泵车；臂架系统；振动；流固耦合；有限元 中图分类号：T U 6 4 6文献标识码：A F l u i d S t r u c t u r eI n t e r a c t i o nD y n a m i cS i m u l a t i o no fC o n c r e t e ， 一 P u m pT r u c kB o o mS y s t e mV i b r a t i o nA n a l y s i s C H E ND o n 9 1 ，W A N GG a n 9 1 ，X I EX i u f e n 2 ，T A NJ i a n 2 ( 1 C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h aH u n a n4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 S A N YH e a v yI n d u s t r yC o L t d ，C h a n g s h aH u n a n4 1 0 1 0 0 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：T h ef l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm o d e lo fp u m pt r u c kb o o ms y s t e mw a sc r e a t e du s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o dt os i m u l a t et h ec o n c r e t ep u m pt r u c kb o o mv i b r a t i o nb e h a v i o r sd u r i n go p e r a t i o na n dt oc a l c u l a t e t h ed y n a m i c s t r e s sd i s t r i b u t i o no fp u m pt r u c kb o o m so nr e s o n a n c es t a t e V i b r a t i o nt e s t sw e r em a d eo nc o n c r e t ep u m pt r u c kp r o d u c t t ov e r i f yt h ef l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm o d e la n dt h ev a l i d i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t s T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dv i b r a t i o nt e s tr e s u l t si n d i c a t e ：t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb o o ms y s t e mb a s e do nf l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nt h e o r ys i r e - u l a t e st h ea c t u a lp e r f o r m a n c e so fv i b r a t i o na c c u r a t e l yu n d e rl o a d so nh o r i z o n t a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n da l s oc a l c u l a t e s t h ed y n a m i cs t r e s sd i s t r i b u t i o no fp u m pt r u c kb o o m sa c c u r a t e l y T h es i m u l a t i o n sp r o v i d e 锄a c c u r a t em e c h a n i c a lm o d e lf o rb o o mv i b r a t i o nd y n a m i cs t u d ya n dv a l i dd a t af o rd e s i g n i n gv i b r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e mo fp u m pt r u c kb o o ms y s t e r n K E Y W O R D S ：C o n c r e t ep u m pt r u c k ；B o o ms y s t e m ；V i b r a t i o n ；F l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ；F i n i t ee l e m e n t l 引言 混凝土泵车配备液压卷折式臂架，在作业过程中容易产 生较大的振动或摆动。根据相关研究成果o I - 3 ，泵车臂架系 统产生振动的主要原因有：由液压泵送系统控制参数不匹配 引起的液压冲击载荷，其频率达到泵车的固有频率引起共 振；臂架系统的结构设计参数不合理等。 以往的研究多采用等效载荷的方法。将仿真或试验得出 的液压系统冲击载荷换算为集中力载荷的形式加载到无流 体单元的臂架结构模犁以分析臂架的振动特性。本文考虑 输送管内的混凝土流体与输送管结构之间的流体一结构耦 合影响，直接将测试得到输送管内压力加载到臂架系统有限 基金项目：国家“8 6 3 ”高科技资助项目( 2 0 0 8 A A 0 4 2 8 0 2 ) 收稿日期：2 0 1 0 - 1 0 - 3 0 修同日期：2 0 1 0 1 2 1 5 元模型的流体单元，研究泵车臂架系统在流固耦合作用下的 振动特性，并对共振时的泵车臂架作动应力分析。 2 泵车臂架系统建模 2 1 流固耦合理论 流固耦合是指流体与固体二者之间的交互作用，其特征 为，5 。：耦合作用仅发生在两相交界面上，在流固耦合方程 中，耦合是由两相耦合面的平面及协调关系引入的；通过耦 合界面，固体结构在流体载荷的作用下产生变形或运动，而 变形或运动又影响到流体流场，从而改变流体载荷的分布和 大小。 混凝土在输送管内的流动具有不连续性，其压力和流速 都有一定的波动。在输送管内混凝土流体的速度波动、压力 载荷和粘性摩擦力三者共同作用下造成泵车臂架振动，而臂 3 8 3 万方数据 架振动叉影响到管内混凝土流体的动态行为。混凝土流体 和臂架系统结构之间构成一个封c j l 的动力学系统，主要包括 摩擦耦合、泊松耦台和结台部耦合 种。 在流周耦含问题中，需_ 耍考虑结构动力学方程、N a v i e r S t o k e s 流体动量方程以及流体连续性方程。基于以下四点假 设对后二者作简化：流体密度随着压力改变，即假设流体具 有n ，丘缩性；流体不具有粘性耗散作用E l 假设流体不具有 粘性；流速不均匀；流体平均密度和平均压力是一致的6 。 根据工程波动理论，弹性波动方程“如下： 去掣一v z P ：0 ( 1 ) c 2d 2 f 1 一 式中P 为流体压力；C 为声波在流体介质的声速；v 为拇 酱拉斯箅子，其向量形式为L 。将流体动量方程按假设条件 简化后得到耦合边界上的流体法向压力梯度和结构法向加 速度之间的关系”： n 7 ( L P ) = 一m “7 ( “) ( 2 ) 式中向母1 2 为耦台边界S 的单位法向量；u 为固体结构在 耦面l ：的位移；p 。为流体微元的密度。方程( 1 ) 以 G a l e r k i n 法离散化后带入方程( 2 ) 得： 1 1 w ) l 等d ( V O L 叱j m l ( 坩P ) d ( V O L ) 一协8 i p n r ( 鲁u ) d S ( 3 ) 按照有限单元法的般方法，对以J ：方程添加彤函数 并加上假设条件中忽略的粘性作用项得到流体单元的动力 学方程： 噬只+ C 只+ 解只+ p o R 。7 i ，= 0 ( 4 ) 式中： 川2 剖。N N 7 删o 。) ( 5 ) c ：譬fN N 7 d S ( 6 ) 蜒= fB B d ( V O L )( 7 ) p o R ，7 = m fN n 7 N 7 d S( 8 ) 此阳项分别为流体单元质量矩阵、流体单元阻尼矩 阵”、流体单元刚度矩阵和单元耦台质量矩阵。P ，和虬分 别为流体单元压力和耦台面结构单元位移的法向量；N 和 分别为压力形函数与位移形函数；B 为普拉斯算子乘以形函 数转置；口为边界吸收率。令P = R 。只，得到结构单元的动 力学方程如下： 肘一i l c + e i 一+ K c 一彤 f 9 ) = M 。i l 。+ C ，i ? + K ! u 。一R 。P 。= F ， 式中： R 。= J w 7 n d S( 1 0 ) 合并流体单元与结构单元的动力学方程得到流固耦合 的动力学方程： 3 8 4 瞄墨+ 瞄；+ 【：- 魁R 。= 黜 2 2 臀架系统流固耦合有限元建模 在A N S Y S 软件中对泵车臂架系统有限元建模，按照臂 架和输送管的钢材料属性设置臂架系统有限尤模型的材料 常数。臂架系统的动作油缸和支承f f A l ：部分壁厚较大采用 S O L I D4 5 单元划分网格。S O L l l M 5 单元用于构造 维实体 结构。具有甥性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功 能。 图l泵车臂架系统有限元结构 臂架和输送管长度为3 4 5 米，壁厚与长度相比过薄 箱体处和管壁的厚度分别约为6 r a m 和1 1 i l l n l ，不适合用实体 单元划分。臂架振动属于小变形大位移问题，壳单元中 S H E I ，L 1 8 1 单元适用于分析从薄至中等厚度的壳结构，适合 于分析具有线性、大角度转动问题，故采用此单元划分臂架 和输送管。 流体部分参数d e n s 设置为2 4 0 0k g m ，参数$ 0 1 1 ，2 设为 1 4 6 0m - 一。划分单元网格采用F L U I D 3 0 单元默认 K E Y O P T ( 2 ) = 0 ，表示耦合界面处有结构。F L U I D 3 0 用于模 拟流体结构相互作用的界面典型的应用包括水下结构动力 学。 23 载荷及边界条件 臂架与底盘相连一端设置为固定约束，末端设置为自由 端。在输送管人口处流体单元节点设置泵送压力P ，其值由 测试数据确定；出口处流体单元节点设置大气压力P 。，其值 为01 0 1 3 M P a 。泵送压力p 近似于周期方波，认为是种脉 动载荷。 泵车臂架系统除受到重力、输送管内压力及大气压力的 作用外，还受到混凝土流体对输料管壁的摩擦力t 以及速度 脉动引起的对弯管处管壁的冲击力，但泵车在稳定工作状态 下此冲击力数值很小，故忽略不计“。 混凝土与管道内侧的粘性摩擦力F ，作用在输送管管壁 切向，可以用流体与输送管内表面之间的摩擦力实验关系式 ( 1 2 ) 表达”： f = 2 ，r r L ，( K + 丘y ) ( 1 2 ) 式中L ，为管长，? I t ；K 为粘着系数，凡；丘为速度系数，P a m 万方数据 s ；V 为混凝土流速，m s 。假设管道内壁足够光滑。则墨 和恐可以根据混凝土坍落度( 泵送混凝土流动性较好，保守 计算其坍落度取1 6 c m ) 按照实验式( 1 3 ) ( 1 4 ) 计算。1 0 1 ： K l = ( 3 1 0 I S ) 1 0 2 = 1 5 0 ( P a )( 1 3 ) 岛= ( 4 0 1 S ) 1 0 2 = 2 4 0 ( P a m s 。1 )( 1 4 ) 式中S 为混凝土坍落度，e m 。理论最大泵送排量为1 7 0 m 3 h 流体流速与泵送排量( 频率) 相对应，估箅混凝土在各排量 下在输送管内的平均流速： V = Q ( 3 6 0 0 7 r r 2 )( 1 5 ) 式中q 为泵送排量，m 3 h 。将得到的混凝土平均流速带入 式( 1 2 ) 计算粘性摩擦力P 。在输送管末端软管处，重力造 成混凝土加速下落，且对管道的摩擦力主要在纵向，对臂架 振动影响较大，是一种不可忽略的末端载荷。根据自由落体 运动计算软管出口处的混凝土流速： K = 、2 9 L ，+ ( 1 6 ) 按照软管出1 2 1 流速K 与入口流速y 的算数平均值计算 平均速度匕，带入摩擦力计算公式得到末端载荷。工程计算 认为将末端软管等效为普通管2 倍估算摩擦力f 较接近实 际情况1 。 t7 = 2 刀 r L ，( K 1 + 琏) 2 ( 1 7 ) 3 臂架系统振动仿真分析及测试验证 3 1 动力学仿真分析及测试验证 将测试确定的输送管内部压力脉动载荷P 与计算得到 的末端摩擦脉动载荷F ，以周期矩形波的形式作为激励加载 到有限元模型，在A N S Y S 软件中泵车水平工况各泵送频率 下做瞬态分析。经过实测已知泵车臂架水平工况下阶固 有约频率约为0 3 7 5 0 H z 。以泵送频率2 1 6 次r a i n 时的振 动仿真情况为例，观察臂架末端的仿真振动位移。 图2 臂架末端振动纵向位移曲线 臂架末端振动纵向位移的仿真结果与测试值变化趋势 大致相同。对其进行F F l r 变换得到臂架末端纵向位移的仿 真幅频曲线，其峰值主频约为0 3 5 6 6H z ，与臂架系统的一阶 固有频率相近。 水平工况下对泵车整车进行振动测试。在臂架末端安 装位移传感器测量臂架振动时的位移变化信号。在泵车输 料管入口处安装压力传感器。测试设备为德维创公司d e w - e t r o n 2 5 2 1 型数据采集器，传感器为单向应变片和应变花。针 对各作业频率下的泵车振动位移及动应变进行数据采集，将 图3 臂架末端振动纵向位移仿真值F 丌曲线 仿真结果与测试结果进行对比。 分别加载压力脉动载荷、末端摩擦脉动载荷以及叠加二 者，观察振动情况。对比结果反映了两种载荷各自对臂架系 统振动的贡献，以及两种载荷的联合作 f j 造成的臂架振动纵 向位移振幅。各频率下叠加两种载荷的臂架末端振动纵向 位移振幅仿真曲线与测试曲线相比误差依次为一5 2 5 、一 1 8 8 、7 O 、一3 2 、0 9 、1 5 4 、1 3 3 、1 2 。认为 仿真结果在泵送频率较大时接近测试数据，采用臂架系统流 固耦合有限元模型较符合实际，能够反映泵车臂架系统在载 荷作用下的振动情况。 圈4 臂架末端振动纵向位移幅频图 3 2 动应力仿真分析及测试验证 已知泵车臂架所受动应力最大的部位位于臂架1 和臂 架2 ，观察此最大动应力部位。仿真结果显示共振时臂架所 受动应力最大的部位分别位于臂架1 箱体中部变截面部位 以及臂架2 根部侧板部位，其最大V o nM i s s e s 应力分别接近 4 1 8 M P a 和3 7 2 M P a 。 根据动应力仿真结果，选取这螳部位作为观测比较点进 行测试。对测试部位布置应变片测得动应变一时间历程，根 据虎克定律将应变数据转换为动应力值，得到动应力一时间 历程。 以臂架2 为例观察其测试曲线，发现该型号泵车工作时 - - 3 8 5I 丑目善瞢邑著 万方数据 围s 臂絮I 有限元仿真应力云图 夕 图6 臂架2 有限元仿真应力云图 存在一定程度的液压冲击，使得动应力测试 1 线巾存住一衅 小尖峰。动应力稳态幅值约为3 3 0 M 1 ；瞬时最大动碰力能 达到3 5 8 M P a 。仿真结果略大于测试值，对动戊力删试数据 作频域分析，其主频约为03 4 6 3 1 h ，与动力学仿真结果致。 瓣删 时M s 圈7 臂桨2 最大动应力观测点时间历程测试曲线 4 结论 仿真及测试结果表明：水平工况下泵车臂架系统流固耦 合有限元模型与实际产品的共振频率与振幅皆相符合，能够 较好地描述臂架系统在载荷作用下的振动特性以及臂架所 受动应力的分布情况。 泵车臂架系统流固耦合有限元仿真研究为混凝土泵车 作业过程中臂架系统的动力学分析提供一种较精确的力学 3 8 6 芒 = i 图8 臂架2 最大动应力观测点幅频测试曲线 分析模型和计算方法，为臂架系统的减振方案设计提供了有 效的参数依据。 参考文献： 1 张大庆郝鹏，何清华，杨晓乾液压冲击对混凝土泵车结构振 动性能影响的试验研究 J 机床与液压2 0 0 4 ( 1 0 ) ：1 0 3 一 1 0 5 1 0 7 12 f j 彭K 汀缸兵，张大戊混凝土泵车冲击载荷对结构动态特 悱的影响lJ - I 旧公路学报，2 0 0 3 ，1 6 ( 4 ) ：I J 5 一1 1 7 3 】杨晓乾水泥混凝 泵乍掖压系统冲击与仿真研究 D 两篮 世大学2 1 M ) 3 4 邢景棠胤盛崔尔杰流固耦台力学概述 J 力学进展， 1 9 9 7 2 7 ( 】) ：1 9 - 3 8 5 N SN a m Ih c h i v a y aa n d WMT i e n N o nl i n e a rd y n a m i c so fs u p p o r - l “p i p ec o n v e y i n gp u l s a t i o nf l u a l 1 1C o m b i n a t i o n a n e e J I n tJ o u r n a lo fn o n l i n e a rm e c h a n i c s 1 9 8 9 2 4 ( 3 ) ：1 9 7 2 0 8 ：6J ELK i n s l e r ，Ha lF u n d a m e n l a l so fA c o u s t i c s M J o h nW i l e y a dS O s N e wY o r k 1 9 8 2 f7 1 盛美萍，王敏庆孙进才噪声与振动控制基础 M 北京：科 学m 版社2 0 0 7 f 8 1 1CZ i e n k i e w i c z REN P w t n C o u p l e dV i b r a t i o n so faS l m e t u m S u b m e r g e di naC o m p r e s s i b l eF l u i d J F i n i t eE l e m e n t h - n i q u e s 1 9 6 9 3 5 9 3 7 9 9 AC r a g g * AF i n i t eE l e m e n tM o d e lf o rA c o u s f i e a l l yL i n e dS m a l l R 舯吣 J J o u r n a lo fS o u n d 卸dV i b r a t i o n 1 9 8 6 1 0 8 ( 2 ) ：3 2 7 - 3 3 7 1 0 陈宜通，盛春芳陈洞余混凝土机械 MJ 北京：呻i 国建材 丁业出版社2 0 0 2 1 1 徐丽琼船舶输流管道系统的振动研究 D ，武汉：武汉理工 大学2 0 0 9 作者简介】 陈栋( 1 9 8 5 一) 男( 汉旅) 江西南昌人颈十研究 生主要从事r r = 程机械动力学仿真研究； 王刚( 1 9 7 6 一) 男( 汉族) ，湖南长沙人副教授 土赞从事工程机械控制系统i 殳计及动力学仿真研 究； 谢秀芽( 1 9 8 2 一) 女( 汉族) 湖南长沙人硕+ 研究生主要从事 程机械动J 学仿真研究； 谭健( 1 9 8 3 一) 男( 汉族) ，湖南长沙人，硕士研究生主要从事液 压系统学仿真研究 正_ o 号 万方数据