混凝土搅拌站主梁的有限元设计及分析

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1、万方数据豢第41卷2阴。年8月；⋯■?。：：⋯”j。工程机械”、i_”■”?-Desertandc目峨』纽蝴。”。混凝土搅拌站主梁的有限元设计及分析吴伟光，马履中(江苏大学机械工程学院)摘要：利用ANSYS软件对混凝土搅拌站主梁建立参数化模型，分析搅拌站主梁各结构件在实际载荷作用下的内力和强度，对大梁斜撑位置进行优化设计，同时分析称重层和搅拌层的振动模态和固有频率，其结果和分析方法对混凝土搅拌站的设计和分析具有借鉴意义。关键词：搅拌楼；有限元；强度；模态混凝土搅拌站是混凝土搅拌设备中的核心设备，其

2、作业性能直接关系到混凝土的质量和效率。虽然目前我国混凝土搅拌设备的产品质量已有了很大提高，但在结构设计上还是以经验设计为主，材料用度较大，偏于保守。在市场竞争日益激烈的今天，同样的搅拌设备如果能尽量降低制造成本，那么产品在市场竞争中则更具竞争力。在原材料成本中，配套件的选用差别并不大，关键在于钢材的用量上，如在一套3m3搅拌站装配4只250t粉仓的钢材用量大约在130t左右，若能够节省10％的钢材，增加的利润是很可观的。因此，通过设计手段合理地减少钢材用量是非常必要的。由于混凝土搅拌站的结构及受力

3、的复杂性，通过一般的力学方法进行设计计算较为困难。本文采用ANSYS有限元分析软件对混凝土搅拌站主梁进行结构设计和优化，并对主梁的动力特性进行分析，对提高当前混凝土搅拌设备设计计算水平有重要意义。力相对集中的地方。图1为搅拌楼的结构图，其上下分别为称重层和搅拌层。以2m，水泥混凝土搅拌站为例，其搅拌层载荷及自重共14t，称重层载荷及自重共7．2t，分别通过两根H型钢作用在两层框架的大梁上。以下就搅拌楼的实际受载情况及结构形式建立有限元模型。图1搅拌楼的结构图1搅拌楼正面整体结构的应力计算及设计根据

4、搅拌楼的实际尺寸及其结构的对称性，首在水泥混凝土搅拌站中，搅拌楼的重量约占整先在ANSYS软件中建立正面的有限元模型，考虑机重量(粉仓除外)的45％左右，也是承载最大，受主要为大梁的弯曲，决定采用BEAM4梁单元建模。作者简介：吴伟光(1969一)，男，安徽黟县人，讲师，博士，研究方向：机械运动学和动力学，智能机械和机器人，多维振动控制等。一4l一万方数据_：oas／anarmCa／cutat／on三三工程机械：篆：：第41卷2010圳】一。。一二；一。～山工程机械。一“。⋯。。。⋯第卷年8月。缁

5、在搅拌楼主梁结构中，称重层大梁采用H250型钢，搅拌层为H300型钢，上下立柱分别采用200x12的槽钢和空325x9的钢管，上下斜撑分别为中140x8和西2000x9的钢管。采用梁单元建模时定义不同的实常数，并建立整个搅拌楼正面的有限元参数化模型。施加载荷时，根据实际的负荷换算作用到节点处的载荷。运用ANSYS软件进行计算分析，图2所示为搅拌楼主梁结构的弯矩分布，图3所示为搅拌楼主梁结构的最大弯曲应力分布。图2搅拌楼主梁的弯矩分布图图3搅拌楼主梁的弯曲应力分布图从图2和图3的整体内力和应力分布可

6、以看出，结构的最大弯矩和应力分布在上两支腿及两大梁处。但从分析的结果来看，各结构件所受的最大弯曲应力均远小于材料的许用应力，即在一定的强度裕度的前提下，可以适当减小各结构件尺寸。根据图2所示的有限元内力分析结果，以及各结构件的最大弯矩和保证材料一定的强度裕度的要求，可以对各结构件的截面尺寸进行最优设计，从而设计出较合理的截面尺寸(具体计算结果略)。一42—2斜撑结构的优化设计在分析中注意到上下斜撑对结构强度的影响，为此在ANSYS中特别建立了1个没有斜撑的有限元模型。结果发现，在两端有斜撑的情况下

7、，梁的最大弯曲应力大为减小。同时，在参数化有限元模型中，斜撑位置的改变对搅拌楼主梁弯曲应力的影响较大。因此，下面分别以斜撑的布置距离为设计变量，对其进行优化设计。2．1称重层大梁斜撑位置的优化设称重层斜撑在水平和垂直方向的布置距离分别为戤和叫，以删和叫为设计变量，其变化范围分别为0．8—1．48m和1～2ITI，同时以称重层大梁的最大弯曲应力最小为优化的目标函数，在ANSYS中进行优化迭代。图4所示为斜撑位置的优化过程，图5所示为称重层大梁的最大弯曲优化迭代结果。从迭代过程来看，n=5之后的结果相

8、差不大，n=8时的优化结果为ax=1．4494m，ay=1．8896m，‰=23．42MPa。结果表明，优化后称重层大梁的最大弯曲应力显著减小。图4称重层斜撑位置的优化过程图5称重层大梁弯曲应力的优化过程32击、；苦万方数据瑟41卷20lo年s?”■’■“?il__二程机械’+：i。■二!”。：脚andGa／cu／at／on■二。2．2搅拌层大梁斜撑位置的优化在ANSYS中，同样设搅拌层斜撑在水平和垂直方向的布置距离分别为僦和吖，并以似和ay为设计变量，其变化范围分别为0．8—2m