混凝土泵车臂架轻量化设计研究

【摘要】随着我国经济建设步伐的加快，国内商品混凝土行业和建筑机械业务的快速发展，带动了混凝土输送机械的高速发展。在建筑施工中，混凝土泵车以突出的机动灵活，适宜各种浇注条件的优点，已经成为其不可缺少的施工设备。目前，混凝土泵车正朝着长臂架、大方量、高效、绿色和智能等方向发展。臂架系统作为混凝土泵车的布料装置，要求具有较高的强度、刚度以及良好的工作适应性和可靠性。对建筑施工而言，泵车臂架越长则意味着施工范围越广、效率越高，而臂架的长度、质量和弯矩、强度是相互制约的。臂架越长，需要满足的强度条件越高，设计师为了保证整机结构的强度常采用加大结构的方法，而道路的运输又对车辆的载荷和外型尺寸有严格的限制。因此，仅仅使用加大结构的设计方法已经难以满足臂架日益增长的需要。结构优化设计的理论和方法可以提供一种全新的理想的设计工具，能够在结构减重的同时保证结构的性能，从而在结构设计领域得到了广泛应用。本文通过有限元分析和优化设计方法，对某款泵车臂架进行了静动态分析，获取其力学性能参数，并对该臂架进行了轻量化设计的研究，主要内容包括：(1)臂架系统的静态分析。采用有限元技术，分析了某款泵车臂架结构在危险工况及典型工况下强度和刚度性能，得出了不同工况下臂架详细的应力分布和变形状况。从而找出臂架中强度和刚度余量较大的部位，为该臂架的轻量化优化提供依据。(2)基于柔性多体动力学仿真分析。传统的多刚体仿真技术可以遍历臂架可能的各种姿态，得到铰点力最大时的姿态和载荷，却无法得到臂架各区域应力危险工况。本文通过建立柔性多体动力学模型遍历臂架可能的各种姿态，基于各臂架上不同区域的应力变化来确定臂架的危险工况，为臂架优化提供可靠的边界条件和载荷。(3)臂架的轻量化设计。采用结构优化技术，基于壳单元定义设计空间的拓扑优化方法，探讨了现有的泵车臂架在保证结构动静态安全性的前提下最优的材料分布方案。然后以此为基础，利用尺寸优化重新优化了新结构的板厚尺寸，最后对新型优化后的臂架进行了静态校核与动态校核，确认了结构的可靠性。本文提出的优化设计方法可以在保证结构动静态安全性的前提下减轻泵车臂架结构质量210kg。该方案的部分研究成果在其他系列泵车上已得到了推广应用。对于公司提高泵车臂架的设计水平，优化臂架结构，降低设计与制造成本，增强产品的市场竞争力起到了积极作用。
【作者】朱俊辉；
【导师】姚国凤；付玲；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】混凝土泵车；轻量化设计；拓扑优化；尺寸优化；柔性多体动力学；有限元分析；

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