基于流固耦合理論的混凝土泵車動(dòng)力響應(yīng)與疲勞強(qiáng)度研究.pdf

1、混凝土泵車的臂架姿態(tài)復(fù)雜多變使泵車工況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化要求以及機(jī)動(dòng)靈活的使用要求使泵車結(jié)構(gòu)復(fù)雜。泵車泵送工作中，車體振動(dòng)導(dǎo)致臂架振動(dòng)較大，且臂架動(dòng)應(yīng)力分布隨臂架姿態(tài)的調(diào)節(jié)而變化?；谝陨显?，對(duì)混凝土泵車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，尤其是臂架部分的動(dòng)力學(xué)研究，有很好的應(yīng)用價(jià)值。 本文采用流固耦合理論和有限單元理論，對(duì)泵車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)--臂架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)和臂架母材焊接接頭疲勞試驗(yàn)，展開臂架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的研究。

2、 (1)針對(duì)混凝土泵車的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有輸液管流固耦合理論的研究成果，提出基礎(chǔ)有平動(dòng)位移的懸臂輸液管理論模型，并通過多體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和Hamilton變分原理，建立該模型的運(yùn)動(dòng)微分方程?？紤]泵車臂架系統(tǒng)的多節(jié)臂和變截面的特點(diǎn)，采用有限單元理論建立臂架系統(tǒng)的流固耦合運(yùn)動(dòng)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(diǎn)連線時(shí)為混凝土泵車的不利工況，并以此作為測(cè)試工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)全

3、車有限元靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析結(jié)果，選取其中應(yīng)力較大的部位和動(dòng)態(tài)薄弱部位作為測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)試應(yīng)力/應(yīng)變歷程。 通過前支腿支撐油缸活塞桿應(yīng)變歷程測(cè)試數(shù)據(jù)，分析計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)垂向振動(dòng)振幅響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)，作為臂架振動(dòng)仿真分析的外部激擾，為仿真分析提供計(jì)算邊界條件。 在：MTS(Mechanical Testing& Simulation)疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)泵車母材焊接接頭試樣進(jìn)行應(yīng)力比r=0.2的拉伸試驗(yàn)，獲得不同應(yīng)力水平時(shí)，

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(qiáng)度評(píng)估。 (3)選取混凝土流速U=2.265m/s和U=0m/s對(duì)比仿真分析，發(fā)現(xiàn)臂架振動(dòng)響應(yīng)均值相同，但穩(wěn)態(tài)時(shí)兩者振動(dòng)幅值比值A(chǔ)U=0/AU=2.265最大接近2，而改變Raylceigh阻尼系數(shù)則對(duì)臂架振動(dòng)響應(yīng)影響不大，說明混凝土的流動(dòng)增加臂架振動(dòng)阻尼效應(yīng)顯著。 結(jié)合Matlab仿真分析與Ansys臂架三維有

5、限元模型，對(duì)比測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果，兩者應(yīng)力歷程變化趨勢(shì)相似，用Goodman疲勞極限線圖評(píng)估，發(fā)現(xiàn)兩者應(yīng)力均值和應(yīng)力幅值較接近，驗(yàn)證了仿真模型的合理性。對(duì)比臂架動(dòng)荷系數(shù)法和流固耦合動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果，總體應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，但最大應(yīng)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(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)際情況更加接近，其仿真結(jié)果更能真實(shí)反映應(yīng)力發(fā)生位置和應(yīng)力值。 (4)建立含傾角參數(shù)α的臂架流固耦合動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算α=

6、0°、20°、52°和80°時(shí)，臂架結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著臂架姿態(tài)的調(diào)整，應(yīng)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(yīng)力點(diǎn)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(qiáng)度不足，大應(yīng)力發(fā)生位置較多位于箱梁內(nèi)部，無(wú)法檢測(cè)和維修，因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。 (5)對(duì)疲勞強(qiáng)度不足的結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)加強(qiáng)后結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，分析結(jié)果說