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时间:2018-11-01
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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宄对象,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吋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T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;臂架系统;瞬态动力学;动载冲击
2、;混凝土排量混凝土泵车工作吋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),其振动明显人于穂定工作状态,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、支承汕缸和输料管组成,输料管通过托架与臂架连接。通过分析可知,臂架系统最危险的工况为臂架全部水平仲
3、展,也是承受弯矩最大的时候。本文所研宂的臂架长度尺寸fzJo如图1所示,其屮Li=9170mmL2=7960mm,L3=7960mm,L4=7850mm,L5=7920mm。建立臂架系统主耍构件的有限元模型,采用空间板壳单元模拟转台和臂架,对于输料管、托架、支承汕缸以及连杆采用空间梁单元模拟,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0标申•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2所示。-5-2系什夺3元嗖圣(1)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
4、1.25。静强度分析吋,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:式中,p—等效密度;—输送管密度,取/9,7.85X103岵/m3;,—混凝土密度,取4X103kg/m3;%.—革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,应力较大部位山现在臂架1和臂架2,臂架1应力最大点位于油缸支座处,为452MPa,如阁3;臂架2应力最大点也位
5、于油缸支座处,为434MPa,如图4。冬J拜架丨应力云茱*4锊架2应力云苓二、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,也不管研宂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K的多白由度质量一一弹簧体系的运动方程式:MH“〃}+:+[K]{“}={F(z)}⑵式中,[M],[C]分别为各单元的质量、刚度和阻尼矩阵;{u''},{ir},{u}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)是以位移函数列矢量为未知量的耦合微分方程组,既是时间
6、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f有关的变量%(0(乂称为广义坐标)和仅与坐标(*、>,、z)有关的矢量似},.的乘积之和,即{w}=7:+92(/)!^?2+L+grt(/){^}tt=Ob{^?2/UCqi(/)%</)</)JT=:*]{(/(,)}⑶式中,[0]相当于无阻尼振型矩阵,忪(,)}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::cm(t、、+:o]{(/,)}=、分⑴'⑷将式(4)两边乘以并考虑振型和阻尼存在正交性,即j=(>r{^7EK]{^=()f{^EC
7、l{^=()M=Krt=Mr,w2jw/Tc]⑷/=Ci式中,[从」、kJ、[c„]分别为广义质量、广义刚度和广义阻尼,仍为自振频率。同时考虑它们的广义矩阵(均为对角阵)[
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