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基于流固耦合理论的混凝土泵车动力响应与疲劳强度研究

王斌华  
【摘要】: 混凝土泵车的臂架姿态复杂多变使泵车工况复杂,结构设计的轻量化要求以及机动灵活的使用要求使泵车结构复杂。泵车泵送工作中,车体振动导致臂架振动较大,且臂架动应力分布随臂架姿态的调节而变化。基于以上原因,对混凝土泵车的结构强度研究,尤其是臂架部分的动力学研究,有很好的应用价值。本文采用流固耦合理论和有限单元理论,对泵车关键结构——臂架进行动力学仿真分析,并结合现场动态测试试验和臂架母材焊接接头疲劳试验,展开臂架结构疲劳强度的研究。 (1)针对混凝土泵车的工作原理和结构特点,结合现有输液管流固耦合理论的研究成果,提出基础有平动位移的悬臂输液管理论模型,并通过多体运动学理论和Hamilton变分原理,建立该模型的运动微分方程。考虑泵车臂架系统的多节臂和变截面的特点,采用有限单元理论建立臂架系统的流固耦合运动微分方程。 (2)通过分析确定了臂架水平旋转至垂直于不同侧的前支腿和后支腿支撑点连线时为混凝土泵车的不利工况,并以此作为测试工况进行现场试验。根据全车有限元静强度分析和模态分析结果,选取其中应力较大的部位和动态薄弱部位作为测点位置,测试应力/应变历程。通过前支腿支撑油缸活塞杆应变历程测试数据,分析计算出转台垂向振动振幅响应、速度响应和加速度响应,作为臂架振动仿真分析的外部激扰,为仿真分析提供计算边界条件。在MTS(MechanicalTestingSimulation)疲劳试验机上对泵车母材焊接接头试样进行应力比r=0.2的拉伸试验,获得不同应力水平时,焊接接头的循环次数,从而得到焊接试样疲劳极限σ_(0.2)=205MPa,并绘制Goodman疲劳极限线图用于疲劳强度评估。 (3)选取混凝土流速U=2.265m/s和U=0m/s对比仿真分析,发现臂架振动响应均值相同,但稳态时两者振动幅值比值A_(U=0/A_(U=2.265)最大接近2,而改变Rayleigh阻尼系数则对臂架振动响应影响不大,说明混凝土的流动增加臂架振动阻尼效应显著。结合Matlab仿真分析与Ansys臂架三维有限元模型,对比测点应力测试结果与仿真计算结果,两者应力历程变化趋势相似,用Goodman疲劳极限线图评估,发现两者应力均值和应力幅值较接近,验证了仿真模型的合理性。对比臂架动荷系数法和流固耦合动态仿真计算结果,总体应力分布规律基本相同,但最大应力值有一定差异,且发生位置也不尽相同,说明考虑流固耦合的动力学仿真与实际情况更加接近,其仿真结果更能真实反映应力发生位置和应力值。 (4)建立含倾角参数α的臂架流固耦合动力学方程,计算α=0°、20°、52°和80°时,臂架结构动应力历程,分析发现在臂架连接端焊缝位置易出现大应力集中现象,且随着臂架姿态的调整,应力值和发生位置均有改变。将各姿态下各节臂架的大应力点绘制于Goodman疲劳极限线图内,发现该泵车臂架在局部加筋位置疲劳强度不足,大应力发生位置较多位于箱梁内部,无法检测和维修,因此在设计阶段应对大应力点进行结构改进。 (5)对疲劳强度不足的结构位置进行加强,并对加强后结构重新进行疲劳强度评估,分析结果说明加强方案可行,能满足疲劳强度要求。 以上研究注重解决工程问题,研究方法和结论基于试验进行,分析方法可用于同类型产品的设计研发和强度校核。


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