论文混凝土泵车臂架系统瞬态动力响应研究大学论文 .doc

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1、混凝土泵车臂架系统瞬态动力响应研究徐睿（鞍山海目星科技有限公司，辽宁鞍山114000）【摘要】以某5节臂46米混凝土泵车臂架为研究对象，以ANSYS软件为工具，建立了泵车臂架有限元计算模型。考虑输送混凝土时混凝土泵的周期冲击和混凝土对输料管的冲击（混凝土对输料管的摩擦力及本身质量的影响），分析了臂架系统在典型工况时启动过程的瞬态动力响应，包括动应力、动位移响应仿真云图和典型节点的动应力时间历程曲线。计算结果表明，启动过程的瞬态位移响应和动应力响应是影响泵车施工质量和结构疲劳寿命的关键。还分析了动载冲击和混凝土排量对结构瞬态响应的影响。【关键词】混凝土泵车；

2、臂架系统；瞬态动力学；动载冲击；混凝土排量混凝土泵车工作时混凝土泵交替循环动作，不断地将混凝土压送至浇注位置，这种交替动作使混凝土泵车承受周期性的激励力，从而引起臂架系统振动，这种振动不仅影响浇注作业，而且会引起臂架结构疲劳破坏。考虑到启动过程中混凝土泵的周期推动力和混凝土对输料管的冲击（混凝土对输料管的摩擦力和混凝土本身的质量的影响），其振动明显大于稳定工作状态，为保证泵车臂架系统的使用性能和疲劳寿命，有必要对其进行瞬态动力学分析。一、有限元模型建立及静力计算1.有限元模型建立混凝土泵车臂架系统是由转台、臂架、连杆、支承油缸和输料管组成，输料管通过托架与

3、臂架连接。通过分析可知，臂架系统最危险的工况为臂架全部水平伸展，也是承受弯矩最大的时候。本文所研究的臂架长度尺寸如图1所示，其中L1=9170mm，L2=7960mm，L3=7960mm，L4=7850mm，L5=7920mm。建立臂架系统主要构件的有限元模型，采用空间板壳单元模拟转台和臂架，对于输料管、托架、支承油缸以及连杆采用空间梁单元模拟，13对于销连接采用接触单元模拟，连接销采用实体单元模拟，共划分板壳单元18954个，梁单元567个，接触对的目标单元9208个，接触对的接触单元5235个，实体单元6740个，节点50301个，建立的有限元模型如图

4、2所示。选取臂架上的结构件自重载荷和工作载荷的动载荷系数为1.25。静强度分析时，施加的载荷有钢结构自重、混凝土重量和风载(250Pa)。用梁单元模拟混凝土充满料管时的混凝土和输料管，且该单元密度为两种材料的等效密度（体积等效成输料管的体积）。其计算方法如下：（1）式中，—等效密度；—输送管密度，取=7.85×；—混凝土密度，取=2.4×；—单位长度输料管内混凝土的体积；—单位长度输料管体积。2.静强度结果分析将5节臂由根部到最前端依次定义为臂架1、臂架2、臂架3、臂架4和臂架5。由有限元静强度分析可知，应力较大部位出现在臂架1和臂架2，臂架1应力最大点位

5、于油缸支座处，为452MPa，如图3；臂架2应力最大点也位于油缸支座处，为434MPa，如图4。13二、瞬态动力学分析瞬态动力学分析中，载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较明显。1.瞬态动力学分析理论用有限元模型来理想化实际连续体，不管结构的形式如何，也不管研究的是平面振动问题还是空间振动问题，其运动方程式最终都可理想化为如下的多自由度质量——弹簧体系的运动方程式：[M]{u"}+[C]{u´}+[K]{u}={F（t）}（2）式中，、、分别为各单元的质量、刚度和阻尼矩阵；、、分别表示单元节点的加速度、速度及位移列阵；为激励力列阵。式（2）是以位移函

6、数列矢量为未知量的耦合微分方程组，既是时间的函数又是空间坐标的函数。为了求解，可对矢量实行变量分离，将它分离为一系列仅与时间有关的变量(又称为广义坐标)和仅与坐标(、、)有关的矢量的乘积之和，即（3）式中，相当于无阻尼振型矩阵，为线性组合因子列阵，从而强迫位移矢量变成了各振型矢量与组合因子乘积的叠加。将式（3）代入式（2），可得（4）将式（4）两边乘以，并考虑振型和阻尼存在正交性，即式中，、、分别为广义质量、广义刚度和广义阻尼，为自振频率。同时考虑它们的广义矩阵（均为对角阵）13则式（4）可变为：（5）令/=2（ξ为阻尼比），定义广义载荷为=，则式（5）变

7、为：（6）为获得具有正交性的阻尼阵，可以采用Rayleigh阻尼=+（7）式中，、是2个比例系数，量纲分别为和。将式（7）分别左乘振型的转置和右乘振型得=+（8）其中、、分别是第阶振型的阻尼系数、振型质量和刚度,其表达式如式(4b)所示。将=，=/代入式（8）中，得（9）如果给定任意两个振型阻尼比（自振频率是已知的），分别代入式（9）假定和给定，得（10）当振型阻尼比==（工程中常采用的，一般取各振型阻尼比均相同）13时，式（10）简化为（11）对该混凝土泵车臂架系统进行模态分析，其结果如表1所示。由表1可知，二阶、四阶振型都为在XY平面内振动，固有频率分

8、别为=0.52177Hz和=1.6226Hz，在确定Rayleig