基于流固耦合理論的混凝土泵車動力響應與疲勞強度研究.pdf

1、混凝土泵車的臂架姿態(tài)復雜多變使泵車工況復雜，結(jié)構(gòu)設計的輕量化要求以及機動靈活的使用要求使泵車結(jié)構(gòu)復雜。泵車泵送工作中，車體振動導致臂架振動較大，且臂架動應力分布隨臂架姿態(tài)的調(diào)節(jié)而變化?；谝陨显?，對混凝土泵車的結(jié)構(gòu)強度研究，尤其是臂架部分的動力學研究，有很好的應用價值。 本文采用流固耦合理論和有限單元理論，對泵車關鍵結(jié)構(gòu)--臂架進行動力學仿真分析，并結(jié)合現(xiàn)場動態(tài)測試試驗和臂架母材焊接接頭疲勞試驗，展開臂架結(jié)構(gòu)疲勞強度的研究。

2、 (1)針對混凝土泵車的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)有輸液管流固耦合理論的研究成果，提出基礎有平動位移的懸臂輸液管理論模型，并通過多體運動學理論和Hamilton變分原理，建立該模型的運動微分方程。考慮泵車臂架系統(tǒng)的多節(jié)臂和變截面的特點，采用有限單元理論建立臂架系統(tǒng)的流固耦合運動微分方程。 (2)通過分析確定了臂架水平旋轉(zhuǎn)至垂直于不同側(cè)的前支腿和后支腿支撐點連線時為混凝土泵車的不利工況，并以此作為測試工況進行現(xiàn)場試驗。根據(jù)全

3、車有限元靜強度分析和模態(tài)分析結(jié)果，選取其中應力較大的部位和動態(tài)薄弱部位作為測點位置，測試應力/應變歷程。 通過前支腿支撐油缸活塞桿應變歷程測試數(shù)據(jù)，分析計算出轉(zhuǎn)臺垂向振動振幅響應、速度響應和加速度響應，作為臂架振動仿真分析的外部激擾，為仿真分析提供計算邊界條件。 在：MTS(Mechanical Testing& Simulation)疲勞試驗機上對泵車母材焊接接頭試樣進行應力比r=0.2的拉伸試驗，獲得不同應力水平時，

4、焊接接頭的循環(huán)次數(shù)，從而得到焊接試樣疲勞極限σ0.2=205MPa，并繪制Goodman疲勞極限線圖用于疲勞強度評估。 (3)選取混凝土流速U=2.265m/s和U=0m/s對比仿真分析，發(fā)現(xiàn)臂架振動響應均值相同，但穩(wěn)態(tài)時兩者振動幅值比值AU=0/AU=2.265最大接近2，而改變Raylceigh阻尼系數(shù)則對臂架振動響應影響不大，說明混凝土的流動增加臂架振動阻尼效應顯著。 結(jié)合Matlab仿真分析與Ansys臂架三維有

5、限元模型，對比測點應力測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果，兩者應力歷程變化趨勢相似，用Goodman疲勞極限線圖評估，發(fā)現(xiàn)兩者應力均值和應力幅值較接近，驗證了仿真模型的合理性。對比臂架動荷系數(shù)法和流固耦合動態(tài)仿真計算結(jié)果，總體應力分布規(guī)律基本相同，但最大應力值有一定差異，且發(fā)生位置也不盡相同，說明考慮流固耦合的動力學仿真與實際情況更加接近，其仿真結(jié)果更能真實反映應力發(fā)生位置和應力值。 (4)建立含傾角參數(shù)α的臂架流固耦合動力學方程，計算α=

6、0°、20°、52°和80°時，臂架結(jié)構(gòu)動應力歷程，分析發(fā)現(xiàn)在臂架連接端焊縫位置易出現(xiàn)大應力集中現(xiàn)象，且隨著臂架姿態(tài)的調(diào)整，應力值和發(fā)生位置均有改變。將各姿態(tài)下各節(jié)臂架的大應力點繪制于Goodman疲勞極限線圖內(nèi)，發(fā)現(xiàn)該泵車臂架在局部加筋位置疲勞強度不足，大應力發(fā)生位置較多位于箱梁內(nèi)部，無法檢測和維修，因此在設計階段應對大應力點進行結(jié)構(gòu)改進。 (5)對疲勞強度不足的結(jié)構(gòu)位置進行加強，并對加強后結(jié)構(gòu)重新進行疲勞強度評估，分析結(jié)果說