搅拌车上装总成关键结构优化设计及CAE分析

作     者：房华玉 

作者单位：安徽工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖平;赵夕长

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：叶片优化 离散元 联合仿真 车架优化 疲劳寿命分析 

摘      要：混凝土作为建筑行业重要材料,其使用质量对建筑物结构的安全性起重要影响,新拌混凝土离开搅拌站后应避免在运输过程中出现匀质性降低现象,以提高在施工现场的使用质量。混凝土在运输中的质量主要与混凝土搅拌车的螺旋叶片有关,传统对于叶片的研究主要是以结构场和流场为主,通过耦合方式对叶片的受力状态进行分析,无法准确描述混凝土颗粒在叶片作用下的运动状态;本文通过离散元法对运动过程进行数值模拟,分析在叶片作用下混凝土颗粒的运动特性并对其优化设计。同时,上装作为搅拌车的主要承载部件,对车辆结构安全影响较大;以往对于上装总成中副车架及相关部件多采用等效力施加方式,然后计算结构受力状态。为提高分析的准确性,本文采用离散元与有限元结合的方式对其展开研究,将离散元计算中混凝土对搅拌筒和副车架等部件的作用力输入有限元模型中进行分析。根据分析结果对上装部分副车架及相关部件进行结构优化,降低整体质量并提高使用安全性。本文主要完成的工作内容如下:(1)混凝土搅拌车的搅拌筒前锥段、圆柱段和后锥段对于螺旋叶片有不同的要求,在满足各部分不同使用要求的前提下对传统叶片螺旋线方程进行研究,优化设计出一种在搅拌筒不同部分螺旋角可变的搅拌叶片。(2)将混凝土颗粒分成粗骨料与砂浆,在离散元软件中同时使用HertzMindlin和JKR模型对混凝土塌落度试验进行数值模拟;利用软件的工程数据库结合塌落度物理试验对混凝土颗粒间的不同接触参数进行标定与优化;为进一步提高准确性,对颗粒进行等效密度设定以达到实际质量。同时以离散系数为评价指标对不同叶片搅拌过程混凝土颗粒的匀质性进行分析,对不同叶片在不同工况下的混凝土颗粒匀质性和出料效率进行研究。(3)通过离散元与有限元联合仿真,对不同工况下搅拌筒在混凝土作用下的受力情况进行分析;同时为降低搅拌筒的整体质量,以搅拌筒各部分的厚度为自变量进行优化,设计出满足不同工况使用需求各部分不同厚度的搅拌筒。(4)对搅拌车上装总成的副车架及相关部件按照联合仿真流程展开多工况分析,以应力最小和低阶频率最大为目标对其进行多工况拓扑优化设计。然后以计算出的初始结构为基础进行尺寸优化,主要对参数敏感性筛选后的结构尺寸进行正交试验设计和灰色关联度分析;通过鲸鱼优化算法以低阶动态频率为评价指标进一步优化结构尺寸。最后利用频域法对副车架及相关部件进行随机振动疲劳分析与结构优化设计。