混凝土搅拌车搅拌筒设计

混凝土搅拌车搅拌筒设计内容摘要：

比实际的值大些，从计算结果看，完全满足搅拌筒的填充率要求。 搅拌筒筒体的有限元分析 17 混凝土搅拌运输车的筒体是一个金属板筒体的焊接构件，为了满足机械强度的要求，也需要进行强度校核。 本文采用壳体理论进行筒体的强度校核，首先筒体在工作时，受有自身的重量、混凝土重量和回转驱动而引起的扭矩作用，其次由于混凝土在筒体内的流态呈不规则变动，又因混凝土性质而不同，这种外载荷也是变化的。 另外，筒体在汽车行使过程中 还会增加不规则的动载作用，因而筒体无论从结构上还是受力状态上都是比较复杂的。 为了便于工程计算，也要进行一些简化，这样就可以用比较少的工作量，计算得出可供参考的结果。 本文在利用 ANSYS 对搅拌筒的受力进行分析时，对搅拌筒作了如下的假设 : (1)搅拌筒体是由前、后两个锥壳 (其中后锥上有一个环行滚道 )，一个柱壳、一个半球壳及球壳上的发兰组成的。 (2)假定只有封头法兰和半球壳受扭矩，绝大部分薄壳所有横截面上都没有扭矩，也就是绝大部分薄壳处于无扭矩状态。 (3)由于整个搅拌筒在工作 时除了旋转运动以外，还随着底盘运动，动载荷很复杂，所以可以用静载荷来代替动载荷，其结果再乘以一个系数作为最后结果，这样可以简化建模的复杂性。 (4)根据静载荷假设，边界条件为前端法兰固定，后端滚道由两个滚轮支撑。 (5)不考虑圆柱段表面开孔的影响。 (6)不考虑混凝土与筒壁之间的摩擦力和冲击力。 用 ANSYS 对搅拌筒筒体进行建模及分析 由于搅拌筒是一个绕轴旋转的实体，且形状和受力都是对称的，在 ANSYS中可通过设置参数来对对称实体模型进行局部分 析，这样可节省建模时间，简化分析难度，因此下面的分析就只对一半模型进行分析。 最后可利用对称性看到完整的分析图形。 (1)设置单元选项。 在 ANSYS 中，设计置单元类型。 执行 Utility Menu→Preprocessor→ Element Type→ Add/Edit/Delete 命令，弹出 [Element Type]对话框。 单击 Add 按钮，弹出如图 对话框。 选择“ Structural Shell”和“ 4node181”选项，单击 OK键。 18 图 单元设置对话框 (2)壳体厚度设置。 执行 Utility Menu→ Preprocessor→ Real Constants→Add/Edit/Delete 命令，弹出对话框，单击 Add，再单击 OK，弹出如图 对话框，输入厚度 6，单击 OK 完成单元设置。 图 壳体厚度设置 (3)设置材料属性。 执行 Utility Menu→ Preprocessor→ Material Props→Material Models 命令，弹出对话框如图 所示，单击 Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic 后，按顺序输入材料 16Mn“弹性模量 ”和“泊松比 ”，然后单击 OK 完成设置。 19 图 材料属性设置 (4)生成关键点。 选搅拌筒的前锥小端圆心为坐标原点， x 轴沿着拌筒的旋转中心线朝着后锥的方向为正，建立坐标系，将筒体在 x 轴上半边横截面上所有点的坐标求出，然后再 ANSYS 中绘制这些点。 执行 Main Menu→ Preprocessor→Modeling→ Create→ Key points→ Inactive CS 命令，弹出图 对话框。 逐个将点输入后，单击 OK按钮，生 成如图 所示的关键点。 图 创建关键点 20 图 生成关建点 （ 5） 生成旋转线段。 将这些点按筒体外形绘出要旋转的实体截面线段，执行Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Create→ Lines→ Lines Straight Line命令，然后单击 OK 按钮，依次选择要连接的线段，得到如图 所示的模 21 图 创建旋转线段 （ 6） 生成实体模型。 执行 Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→Extrude→ Lines→ About Axis 命令，然后选择要旋转的线段，之后选择旋转轴线，输入 180，单击 OK 按钮，得搅拌筒的半个实体模型图如图 所示。 22 图 搅拌筒半边实体模型 （ 7） 模型完善。 然后分别按前面的步骤，分别建立搅拌筒封头法兰盘、后锥的环形轨道、支撑托轮以及搅拌筒斜置时的混凝土水平线，如图 所示。 23 图 加混凝土水平线的实体模型 （ 1） 设置单元大小。 本文设计时，由于搅拌筒结构比较简单，而且按壳单元分析，故采用四边形单元格式，自由划分网格，由于某些地方的不规则，故会出现少量的三角形单元。 先执行 Main Menu→ Preprocessor→ Meshing→ Size→ Cntrls→ Manual Size→ Global→ Size 命令，弹出如图 对话框，然后输入单元大小为 ，单击 OK，完成单元大小的设置。 24 图 设置单元大小 （ 2） 自由划分网格。 执行 Main Menu→ Preprocessor→ Meshing→ Mesh→ Areas→ Free 命令，弹出对话框，然后单击 Pick All 按钮，完成自动划分网格的设置，如图 所示。 图 网格划分结果 在实际的应用中，搅拌筒是通过前锥段封头法兰盘和后锥段上的滚道与底盘上前端的法兰盘和后端与滚道相接触的两个托轮，三点固定的。 其中，底盘法兰是与减速器相连，为了防止产生不必要的应力，通常把减速器设计成可以在 X轴、 Z轴方向作轻微的转动 (一般范围为士 4o)，从而增加对力外的缓冲，也就是说，在法兰上只限制 X、 Y、 Z 方向的位移和 X 方向的转动。 (1)先在 ANSYS 中选择拌筒法兰上的所有节点，然后执行 Main Menu→Solution→ Define Load→ Apply→ Structural→ Displacement→ On Nodes 命令，弹出对话框如图 所示，进行边界设置，完成后单击 OK 按钮，边界添加完成，如图 所示。 25 图 法兰边界设置 图 法兰边界设置完成 (2)对于两个托轮则只是限制搅拌筒在 Y、 Z方向上的位移和转动，对 X 方向的位移和转动则没有限制。 在 ANSYS 中选择两个托轮上的所有节点执行 Main Menu→ Solution→ Define Loads→ Apply→ Structural→ Displacement→ On Nodes 命令，弹出如图 所示对话框，对边界 进行设置，完成后单击 OK按钮，边界添加完成，如图 所示。 26 图 托轮边界设置 图 托轮边界设置完成 (3)由于分析的是搅拌筒半边模型，故需要在搅拌筒的周边截面上加上一个对称约束，执行 Main Menu→ Solution→ Define Loads→ Apply→ Structural→ Displacement→ Symmetry → On Areas 命令，弹出对话框，依次选择截面后单击 OK，完成对称约束的添加，如图 所示 27 图 添加对称载荷 (1)载荷的计算 由于搅拌筒的受力很复杂，为了能够了解受力最大时刻的应力分布及变形情况，并且在分析结果的精度要求不高的情况下，可以把混凝土因重量而对搅拌筒产生的压力分为前锥、中间圆柱段、后锥三段来分别施加加载。 三段载荷的计算如下，已知 :后锥 1V 3 ， M1 =。 圆柱段2V ， M2 =。 前锥 3V ， M3 =。 搅拌筒的斜置角为13 186。 搅拌筒部分自身的重力也可利用 Pro/e ， 绘 制 实 体 测 出 ，后锥G。 圆柱G 387lN。 前锥G =。 g=。 由此可得出 :  13cos11 gMF =  eos13186。 =  13cos22 gMF =  cosl3186。 =  13cos33 gMF =  eosl3186。 = (2)搅拌筒斜置时，混凝土水平面将搅拌筒分成上、下两个部分，前、后锥直接选用表面力添加到内表面的下半部分 ，先选择后锥下表面上的所有节点，然 28 后执行 Main Menu→ Solution→ Define Loads → Apply→ Structural→ pressure→ On Nodes 命令，弹出对话框，单击 Pick All 按钮，弹出如图 所示对话框，然后输入 ，单击 OK 按钮，载荷加载完成，如图 所示。 图 后锥载荷输入 图 后锥载荷加载完成 同理，分别加载前锥和圆柱段的载荷如下图 和 所示。 29 图 圆柱段载荷加载 图 后锥段载 荷加载 (3)由于搅拌筒斜置，使得每段筒体在搅拌筒前锥端盖面和法兰面上，产生一个力重力的分力 F’，按上述同样的方法，将它加载端盖和法兰面上，如 30 和 所示。     NgMMMF in321  图 载荷输入 图 端盖法兰加载完成 (4)由于搅拌筒具有自重，在加上是斜置在底盘上，故自重会对前段和圆柱段下半部分产生较大的作用力，而后锥自重影响较小，可忽略。 分别选用前段和圆柱段的下半部分上所有的节点，将重力加载上，如图 所示。 31 图 自重加载完成 (l)执行 Utility Menu→ Select→ Everything 命令，使整体模型选中进行计算。 接着执行 Main Menu→ Solution→ Slove→ Current LS 命令，单击 OK，直到出现 Slove is done 后，再单击 close 按钮，计算完毕后保存结果。 (2)查看变形图。 执行 Main Menu→ General post Proe→ Plot Results→Deformed Shape 命令，弹出如图 所示对话框，在“ Def+undeformed”选项前加点，单击 OK 选项，得到变形图如图 所示。 32 图 设置变形图对话框 图 节点变形图 (3)查看应力和位移云图。 执行 Main Menu→ General postproe→ Plot Results→ Contour Plot→ Nodal Solu 命令，弹出如图 所示对话框，然后分别选“ Nodal Solution”和“ Stress”中选项，单击 OK，可得到节点位移图云图和应力云图，如图 和 所示。 在 ANSYS 分析过程中，设计者可根据设计 要求的不同，分别查看需要的变形或应力变化图。 33 图 设置位移和应力云图对话框 图 节点位移云图 34 图 节点的应力云图 通过变形图 可看出，搅拌筒在前锥和圆柱段的下半部分变形较为严重些，故这里的选材应适当加厚些；由图 可看出，搅拌筒圆柱段的底部和后锥段的上部变形位移比较大些；由图 看出，变形部分的应力和支撑点附近的应力比较大些。 用 ANSYS 对搅拌筒封头法兰进行分析 搅拌筒的封头法兰盘处强度分析的实体建模和搅拌筒的建模完全相同，所以不需要重新建模， 只要在 ANSYS 中利用对称设置生成一个完整的搅拌筒实体模型，然后新建一个封头法兰分析模型，即添加边界条件和载荷，其他建模的处理，如网格的划分，材料属性的设置等都与筒体的建模处理方法相同。 由上述的假设可知，在搅拌筒的前锥段、圆柱段和后锥段上均不受扭矩作用，底盘连接法兰所传递来的力矩全部由封头法兰的球壳部分来承受。 所以，搅拌筒的前锥、圆柱和后锥部分面上所有的节点均受到约束，故只在前锥上添加约束即可。 在 ANSYS 界面中选择前锥面上的所有节点，然后执行 Main Menu→ Solution→ Define Loads→ Apply→ Structural→ Displacement→ On Nodes 命令，弹出选 35 项框后单击 Pick All按钮弹出如图 ，对边界进行如图中的设置，完成后单击 OK 按钮，边界添加完成，如图 所示。 图 前锥边界设置 图 前锥边界添加完成 经查阅相关文献和对混凝土搅拌运输车工作周期的分析可知：搅拌运输车整个工作周期中在搅拌筒刚刚反转出料的瞬间扭矩最大，根据一般 8m3 搅拌运输车的瞬间扭矩情况，本文设置扭矩为 4500N。 如果法兰和封头在出料瞬间的情况下 36 满足强度要求，则在其他的工作情况下也不成问题，所以本文就反转出料的瞬间作强度分析，其载荷为在法兰圆盘外圆柱面上所有节点关于 X轴的一个力矩。 根据模型的具体情况，在搅拌筒封头法兰盘的外圆柱面上所有节点添加上关于 X 轴的力矩 4500N。 在 ANSYS 界面中，先选中封头法兰盘外圆柱面上的所有节点，然后执行 Main Menu→ Solution→ Define L。