混凝土搅拌站主梁的有限元设计及分析.pdf

混凝土搅拌站主梁的有限元设计及分析 吴伟光 ， 马履 中 ( 江苏大学机械工程学院) 摘要： 利用 A N S Y S软件对混凝土搅拌站主梁建立参数化模型， 分析搅拌站主梁 各结构件在实际载荷作用下的内力和强度， 对大梁斜撑位置进行优化设计， 同时分析称 重层和搅拌层的振动模态和固有频率，其结果和分析方法对混凝土搅拌站的设计和分 析具有借鉴意义。 关键词 ： 搅拌楼 ； 有限元； 强度 ； 模态 混凝土搅拌站是混凝 土搅拌设 备 中的核心设 备 ，其作业性能直接关系到混凝土的质量和效率 。 虽然 目前我 国混凝 土搅拌设备的产品质量 已有 了 很大提高，但在结构设计上还是以经验设计为主 ， 材料用度较大， 偏 于保守。在市场竞争 日益激烈的 今天，同样的搅拌设备如果能尽量降低制造成本， 那么产品在市场竞争中则更具竞争力。在原材料成 本中 ， 配套件 的选用差别并不大 ， 关键 在于钢材 的 用量上 ，如在一套 3 m 搅拌站装配 4只 2 5 0 t 粉仓 的钢材用量大约在 1 3 0 t 左右 ，若能够节省 1 0 的 钢材 ， 增加的利润是很可观的。因此 ， 通过设计手段 合理地减少钢材用量是非常必要 的。 由于混凝土搅拌站的结构及受力 的复杂性 ， 通 过一般的力学方法进行设计计算较为困难 。本文采 用 A N S Y S有 限元分析软件对混凝土搅拌站主梁进 行结构设计和优 化 ，并对 主梁 的动力特性进行 分 析 ， 对提高当前混凝土搅拌设备设计计算水平有重 要意 义 力相对集 中的地方 。图 1 为搅拌楼的结构 图， 其上 下分别为称重层和搅拌层 。以 2 m 水泥混凝土搅拌 站为例 ， 其搅拌层载荷及 自重共 1 4 t ， 称重层载荷及 自重共 7 2 t ， 分别通过两根 H型钢作用在两层框架 的大梁上。以下就搅拌楼的实际受载情况及结构形 式建立有限元模型。 l 搅拌楼正面整体结构的应力计算及设计 根据搅拌楼的 1 实际 寸及其结构的对称性 ， 首 图 搅拌楼的结构 图 在水泥混凝土搅拌站中， 搅拌楼的重量约占整 先在 A N S Y S 软件中建立正面的有限元模型，考虑 机重量( 粉仓除外 ) 的 4 5 左 右 ， 也是承载最大 ， 受 主要为大梁的弯曲 ， 决定采用 B E A M 4梁单元建模 。 作者简介 ： 吴伟光( 1 9 6 9 一) ， 男， 安徽黟县人， 讲师， 博士， 研究方向： 机械运动学和动力学 ， 智能机械和机器人， 多维振动控制等。 一 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 在搅拌楼主梁结构 中， 称重层大梁采用 H2 5 0型钢 ， 搅拌层为 H3 0 0型钢 ， 上下立柱分别采用 2 0 0 x 1 2的 槽钢和 q ) 3 2 5 x 9的钢管 ，上下斜撑分别为 q b l 4 0 x 8 和 2 0 0 0 x 9的钢管。采用梁单元建模 时定义不 同 的实常数 ， 并建立整个搅拌楼正面的有 限元参数化 模型。施加载荷时 ， 根据实际的负荷换算作用到节 点处的载荷。 运用 A N S Y S软件进行计算分析 ，图 2所示为 搅拌楼主梁结构的弯矩分布， 图 3 所示为搅拌楼主 梁结构的最大弯曲应力分布。 tO 2 一 l ，92l i34 39 89s 8 4，6 s O9， tt87 e968 图2 搅拌楼主梁的弯矩分布图 图 3 搅拌楼主梁的弯曲应力分布图 从图2和图 3的整体内力和应力分布可以看 出， 结构的最大弯矩和应力分布在上两支腿及两大 梁处。但从分析的结果来看， 各结构件所受的最大 弯曲应力均远小于材料 的许用应力 ， 即在一定 的强 度裕度的前提下， 可以适当减小各结构件尺寸。 根据 图 2所示的有限元内力分析结果 ， 以及各 结构件的最大弯矩和保证材料一定的强度裕度的 要求 ，可以对各结构件的截面尺寸进行最优设计 ， 从而设计出较合理的截面尺寸( 具体计算结果略) 。 一 4 2 2 斜撑结构的优化设计 在分析 中注意到上下斜撑对结构强度的影响 ， 为此在 A N S Y S中特别建立 了 1 个没有斜撑的有 限 元模型。结果发现 ， 在两端有斜撑的情况下 ， 梁的最 大弯曲应力大为减小。同时， 在参数化有限元模型 中， 斜撑位置的改变对搅拌楼主梁弯曲应力的影响 较大。因此 ， 下面分别 以斜撑的布置距离为设计变 量 ， 对其进行优化设计。 2 1 称重层大梁斜撑位置的优化 设称重层 斜撑在水平和垂直方 向的布置距离 分别为 OA g 和 ， 以 麟和 为设计变量， 其变化范 围分别为 0 8 1 4 8 r n和 1 2 m，同时以称重层 大梁 的最大弯曲应力最小为优化的 目标函数 ， 在 A N S Y S 中进行优化迭代 。图 4所示为斜撑位置的优化过 程 ， 图 5所示为称重层大梁的最大弯曲优化迭代结 果。 从迭代过程来看， n = 5之后 的结果相差不大， n = 8 时 的优化结果 为 a x = 1 4 4 9 4 m， a y = 1 8 8 9 6 m， o r n m = 2 3 4 2 MP a 。结果表明 ， 优化后称重层大梁的最大弯 曲应力显著减小。 图 4 称重层斜撑位置的优化过程 图 5 称重层大梁弯曲应 力的优化过程 l l l l 1 善 矗 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 、 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 搅拌层大梁斜撑位置的优化 在 A N S Y S中 ，同样设搅拌层斜撑在水平 和垂 直方 向的布置距离分别为 似 和 a y ， 并 以 似 和 为 设计变量 ，其 变化 范围分别 为 0 8 2 m和 2 5 3 8 m，并以搅拌层大梁的最大弯曲应力最小为优化 的 目标函数 ， 在 A N S Y S中进行优化设计 。图 6所示为 斜撑位置的优化过程， 图7为搅拌层大梁的最大弯 曲优化迭代结果 ， n = 8的优化结果为 a x = 1 9 9 6 6 m， a y = 2 5 0 4 1 m， 一= 4 4 3 4 MP a 。结果表明， 优化后搅 拌层大梁的最大弯曲应力也显著减小 。 善 图 6 搅拌层斜撑位置 的优化过程 3 搅拌楼主梁固有频率的计算 搅拌楼在工作过程中 ， 尤其在搅拌作业时会产 生较大 的振动和噪声 ，为 了避开搅拌楼 的搅拌频 ( a )一阶振 型 ( a ) 图 7搅拌层 大梁弯 曲应力的优化过程 率 ，利用 A N S Y S对搅拌楼的称重层和搅拌层大梁 结构进行动力分析 ， 分析称重层和搅拌层 的固有频 率和振型。虽然大梁的振动模态是空间的， 但考虑 到称重层和搅拌层是平 面的 ， 因此以垂直方向为模 态的主自由度， 并利用分块 l a n c z o s 方法求解称重层 和搅拌层 的前三阶振型和固有频率 ， 其固有频率结 果和各 阶振型分别如表 1 、 图 8和图 9 所示。 表 1 搅拌楼 主梁结构的 固有频率 H 结构名称 一阶频率 二阶频率 三阶频率 称重层 3 1 5 9 1 8 1 1 2 5 搅拌层 4 I 3 1 1 3 5 6 1 5 1 6 ( b )二阶振 型 图 8 称重层大梁的振 型 ( c )三 阶振型 - - - 43- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 显然称重层和搅拌层的一阶振型为轴向一阶 振动 ， 二阶振型为横 向二 阶振动 ， 三 阶为扭转振动 ， 但其固有频率均远离搅拌机的作业频率。 訇 4 结论 本文利用 A N S Y S软件 ，通过建立搅拌楼主梁 结构的参数化有限元模型 ， 对混凝土搅拌站主机进 行了有限元分析计算。以内力分析为依据， 对各结 构件重新进行截面尺寸 的合理设计 ， 优化斜撑结构 的布置 ， 进一步降低了主梁 的最大弯 曲应力 ； 对称 重层和搅拌层进行动力分析 ， 计算 出主梁 的固有频 率 ， 为混凝土搅拌作业的频率提供依据。以上结果 很好地满足 了混凝土搅拌站主机的设计要求 。 参考文献 1 l11 龚曙光，黄云清 有限元分析与 A N S Y S A P D L编程及 高级应用【 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 9 【 2 】2 任重 A N S Y S实用分析教程 【 M】 北京 ：北京大学出版 社 ， 2 0 0 3 3 】黄长征， 谭建平 2 H3 6 0 搅拌楼主要钢结构有限元力 学分析 J 1 工程机械， 2 5 ( 9 ) ： 4 3 _ 4 5 【 4 1黄伟， 潭建平， 黄长征 混凝土搅拌楼骨料储料仓的有 限元力学分析I J 1 工程建设与设计 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 3 2 5 【 5 J 徐继付 混凝土搅拌楼输送机结构稳定性分析【J j 山西 建筑 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 3 4 0 3 4 1 通信 地址 ： 江苏省镇江市江苏大学机械工程学院( 2 1 1 3 ) ( 收稿 日期： 2 0 1 0 0 2 1 1 ) 凿岩钻机大臂轴头装置有限元分析 施 皆佩 ， 陈炳发 ( 南京航空航天大学机电学院) 摘 要： 根据履带式凿岩钻车的大臂轴头装置实际结构特点， 利用 P 和 A N S Y S软件， 建 立了轴头装置的三维模型， 并进行了静力学有限元分析， 揭示大臂轴头装置在各极限和普通工况 下的最大变形值与最大应力值。计算结果分析表明， 该履带式凿岩钻车的大臂轴头装置满足各工 况下强度要求， 对轴头装置的优化改进有一定的参考价值。 关键词： 凿岩钻车： 轴头装置； 有限元分析 露天凿岩钻机是一种十分重要的施工设备。随 着石方开挖施工技术 的发展及小型露天矿山先进 生产工艺的 日趋成熟和推广应用 ， 用户对凿岩钻孔 机械的要求也在不断提高。 露天凿岩钻机主要 由动力装置 、液压凿岩机 、 大臂系统 、 推进梁 系统 、 行 走系统 、 空压机 、 除尘系 统 、 司机室以及控制系统等组成。其 中大臂轴头装 置对整机的布局和稳定性影响很大 ， 本文以某公司 生产的一种全液压顶锤式露天钻机的大臂轴 头装 置为研究对象 ， 分析轴头装置在凿岩钻机各极限和 普通工况下 的变形和应力的分布规律 ， 并对大臂轴 头装置进行静力学有限元分析。 1 大臂轴头装置的受力规律 1 1 大臂系统及轴头装置 露天凿岩钻机的大臂轴头装置连接大臂系统 和钻机车架 ， 在液压缸的作用下 ， 主要起提升和摆 动大臂系统 的作用。本露天凿岩钻机的大臂系统采 用折叠结构 ， 大臂系统和推进梁 系统相连 ， 并通过 推进梁俯仰液压缸相联系 。 推进梁系统依靠推进梁摆角液压缸、 俯仰液压 缸的作用可进行俯仰和水平摆角运动。大臂系统是 钻车的关键部件， 它支撑并移动推进梁使其上的凿 岩机 能有效地钻凿工作面上所有不同位置和角度 的炮孔ll I 。在大臂的下部装有大臂提升液压缸和进 给液压缸 ， 来保证大臂的举升和进给运动。 1 2 机构分析 履带式凿岩钻机的大臂 、 推进梁机构运动简图 如图 1 所示。由于推进梁系统的摆角动作对轴头装 置的应力影响远没有俯仰动作的影响大， 而在后面 作者简介： 施皆佩( 1 9 8 5 一) ， 男， 江苏启东人， 在读硕士， 研究方向： 机械设计及理论。 一 44 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m