一种基于Workbench的砼搅拌车罐体有限元分析方法

作者；张毅

  罐体作为混凝土搅拌车的主要承载部件，主要由简体、连接法兰、滚道及搅拌叶片等组成，其强度和刚度直接影响整车的使用寿命和安全性。因此本文对罐体在满载、制动、卸料三种工况进行静力分析，得到相应的应力一应变分析结果，为罐体进一步的优化设计提供理论依据。

1  罐体模型的建立

本文以某公司B18N型混凝土搅拌车为分析对象，其有效装载量为18m3，罐体倾角为10.2。，混凝土的密度为2 350 kg/m3。根据罐体的相关参数和对数螺旋线的参数方程，通过UG/Open GRIP进行编程，由UG二次开发参数化设计的用户界面得到罐体（包括叶片）罐体总装模型，如图1所示。

将由UG建好的几何模型以IGES格式导人到ANSYS Workbench中。在尽量如实反映罐体结构的主要力学性能的前提下，尽可能简化该几何模型，故对该罐体作以下处理：①对于简体、叶片、封头、筋板、盖板、堵板等壳单元用面体表示，用DesignModerler中的Mid-Surface功能抽取中面；②用DesignModerler中的Face Delete对一些几何体细节如倒角、小孔等对分析结果没有太大的影响，但会增加单元和节点数量的结构进行删除。简化后的模型如图2所示。

  模型中有3D实体(Solid)和面体(Surface Body)。3D实体需要用实体类单元划分网格，实体单元有3个位移自由度；而面体需要用壳单元来划分网格，壳单元包括共6个自由度：3个位移自由度和3个转动自由度。由于实体单元和壳单元本身自由度的不同，直接连接时会使转动自由度不连续，从而造成计算结果存在较大误差。

针对不同单元类型自由度的不连续问题．ANSYSWorkbench解决办法有使用约束方程和MPC法两种，本文使用的是MPC法。因为MPC法不需逐一建立约束方程，且不需在面体部分与3D实体部分连接处有公共节点，所以MPC法具有过程简单和使用方便的优点。Workbench中设置的接触结果如图3所示。

所选择的单元类型和网格划分的质量好坏直接影响有限元分析结果的精确性。在建立罐体的有限元模型时，简体、叶片、封头、筋板、盖板、堵板选择壳单元，滚道与法兰选择实体单元。采用自动划分法，四边形网格，单元边长为30．O mm。该模型共有节点100 027个，单元87 441个。罐体有限元模型如图4所示。

2计算参数及边界条件的确定

该型号混凝土搅拌车罐体组成部分的参数性能如表1所示。

2.1施加约束

  罐体的前锥端部是通过法兰和减速器固定连接在一起，罐体的后锥则通过滚道和安装于汽车底盘上的支架的托轮相连接，在模型中将滚道与托轮接触部位建立Imprint Faces，作为施加约束的部位。

2.2施加载荷

  罐体所承受载荷较为复杂，除承受罐体和混凝土自身的重力之外，在工况不同的情况下还承受着其他相关作用力（如制动时所受的惯性力和旋转时所受的转矩）。为了提高计算精度，本文在罐体的内表面上施加静水压力(Hydrostatic Pressure)，用以表示罐体所受混凝土的作用力，如图5所示；罐体自身重量以重力加速度的形式自动施加在罐体上。

3不同工况下罐体的有限元分析

  搅拌车空载静止时，罐体只受到自身重力作用，其刚度和强度是足够的，现在就满载、制动、卸料三种工况对罐体进行静力分析。

3.1  满载工况

满载静止状态下罐体受到自身重力和混凝土载荷的作用。罐体的自重以重力加速度的形式施加在罐体上，混凝土对罐体的作用力以静水压力( HydrostaticPressure)的形式施加在罐体的内表面上。经分析得到罐体满载工况下的变形和等效应力云图，如图6、图7所示。

3.2  制动工况

搅拌车在制动工况下，除了承受搅拌筒和混凝土自重外，还承受着由罐体和混凝土的质量所引起的制动惯性力。根据《GB7258 - 97机动车运行安全技术条件》中对各类车辆在一定初速度条件下，紧急制动时的FMDD(充分发出的减速度)所作出的详细规定，搅拌车在50 km／h初速度的情况下，其FMDD应不小于5 m/s2，将恶劣工况考虑在内，本次计算所采用的制动减速度为6m/s2。经分析得到制动工况下罐体的变形和等效应力云图，如图8、图9所示。

3.3卸料工况

停车卸料时，罐体的驱动负载主要是转矩。载荷处理方式为：无惯性力作用，罐体反转出料时在法兰上施加一个转矩，其值大小为75 000 N-m，其他载荷同满载工况。经分析可得卸料工况下罐体的变形和等效应力云图，如图10、图11所示。

4计算结果分析

以上3种工况下罐体的最大变形和最大应力结果如表2所示。

  由表2可知：制动工况最大应力为165. 11  MPa，发生在封板部位，其他两种工况下的最大应力远小于此值。因此只需校核制动工况下的最大应力值。罐体材质为16Mn，为塑性材料，其失效形式为塑性变形。16Mn的屈服应力瓯=345  MPa，搅拌车行驶在道路上，其运行速度相对平稳，故取安全系数n=1.5，由此可得许用应力[(一暑一~4345一230 MPa。显然165. 11  MPa<230 MPa，在材料的许用应力范围内，说明强度足够。罐体最大变形均小于允许变形量(6 mm)，符合正常预期。

5结束语

本文采用UG参数化设计方法建立罐体几何模型，并以IGES格式导入到ANSYS Workbench中进行有限元分析，通过对罐体在满载、制动、卸料3种工况的静力学分析可以得到罐体最大变形和受力部位，并校核其强度。结果表明，当前设计的罐体强度、刚度足够，为其结构改进和优化提供了理论依据。

6摘要：通过UG参数化建模建立混凝土搅拌车罐体的几何模型，然后将模型导入到有限元分析软件ANSYSWorkbench中，简化后的模型壳单元与实体单元并存，接触设置采用MPC法，对其在不同工况下进行有限元分析，得到相应的应力一应变分析结果。通过对罐体强度和刚度的分析，为罐体进一步的设计优化提供理论依据。