1、专题报导专题报导国家自然科学基金资助项目!编号： #$%#&摘要( 利用 )*+,+ 软件对混凝土搅拌车的搅拌叶片结构进行动力学建模和有限元分析， 以满足材料强度、 刚度使用要求。 在有限元分析基础上， 通过模态分析验证有限元分析结果， 为今后混凝土搅拌车搅拌叶片的结构改进提供必要的理论和技术依据。关键词： 有限元分析搅拌叶片模态分析!#$#中图分类号： -.%/文献标识码： )文章编号： %# 0 1&2!/#3% 0 #% 0 #4!#$%&$( 5678 789 :6; 789 ;?:A6B A;9C = 789 A6D6E FC:;9G = 789 7HIBJ A6D9H 6G 9G7
2、:FC6G89; :; 789 =6679 9C9KA97 :C?G6G L9H=HA9; G :G 7 A997 789 H9MI6H9A97 =H G7H9E78 :; H6E6;67? 78IG LHN6;6E 789 9B9GG:H? 789H976KB:C :; 79B86B:C F:G6G =H 789 G7HIB7IH:C 6ALHN9A97 = A6D6E FC:;9G = 789 7HIBJ A6D9HO)*+ ,-%.#(/010$* 23*4*1$ !1&3+#0#506017 83&.*#5-.&3 !1&3+#0#!9:;:混凝土搅拌车搅拌叶片的有限元分析!于世旭!仪
3、垂杰!郭健翔!邢普!# $ %!# $ %机械制造?期%混凝土搅拌车目前还存在着搅拌叶片使用寿命短、搅拌振动噪声大、 搅拌效果和出料速度不理想、 出料残余率高等问题和隐患。 传统搅拌叶片结构计算一般采用经验公式， 使用较多的假设和简化， 造成计算模型与实际结构形状相差很大， 无法得到精确计算结果P%Q。有限元法是一种有效的数值方法， 它把连续弹性体分割为相连的单元组合件， 以节点位移为基本未知量， 通过位移函数的选取和关于节点位移线性代数方程组的求解， 将无限自由度问题转化为有限自由度问题P/ 0 4 Q。 因此在产品设计初期， 分析人员就能参与产品开发， 对所设计产品强度、 刚度及动态特性等
4、进行评价， 为产品的设计开发提供依据， 在保证设计要求的同时缩短开发进程。 搅拌叶片是混凝土搅拌车的核心部件， 它直接影响搅拌罐的寿命、 出料残余率、 搅拌效果、出料速度等P 1 Q。 在搅拌罐的装料、 运料和卸料4个过程运动中， 新拌混凝土运动会造成搅拌叶片的磨损破坏，致使搅拌系统的效率下降， 产生振动和噪声， 缩短搅拌系统的使用寿命。 通过对搅拌叶片的有限元分析， 找出叶片受力大的区域和叶片的固有频率， 从而使叶片具有足够的强度和刚度， 避免共振现象的产生， 提高叶片的使用寿命。%搅拌叶片有限元模型的建立!%模型导入将在 RS 系统中建立的搅拌叶片三维参数化模型以 TSU+ 数据格式导入
5、)*+,+ 系统，通过对其进行几何与拓扑修补， 形成实体模型P Q。 在导入模型和进行几何与拓扑修复过程中， 会造成模型几何信息的丢失， 这样在 )*+,+ 系统进行网格划分形成的有限元模型不会完整。 通过将丢失的几何信息在 RS系统原模型中进行网格划分， 将节点和单元的文本文件转化成 )*+,+ 接受的格式， 导入 )*+,+ 系统已建件可靠性， 具有很强的实用价值。 解决了当前 VU+ 中柔性和敏捷性问题， 适合当前国内离散制造业车间的需要。参 考 文 献%W8I X -C9 5 Y， 56C89CA Z， 97 :CO T79EH:76E V:I=:B7IH6E+=7:H9G =H T7
6、9CC6E97 C:6EKUD9BI76( ) WTTVU 9HGKL9B76N9PWQO HB99;6EG CIE :; C:? +=7:H9 =H )E6C9V:I=:B7IH6E， XG7 R+)， %&3O/YI8 +IEG6J :HJ W8IC_6 YI .?IF W8O WZX) 0X:G9; T79EH:76 aH:A9HJ =H b6G7H6FI79; +8L aCH W7HCPYQO W /#4 1： 1$ 0 1$1O4罗国富， 施法中O 基于 WZX) 的可重构制造执行系统实现PYQO 高技术通讯， /#1， %（2）( 1$ 0 #O&!编辑文圻作者单位： 郑州轻工业学
7、院机电工程学院邮政编码： 1#/收稿日期： /#3年3月 万方数据专题报导专题报导!#!$!#!$!#图叶片受力示意图#图#叶片受力图局部放大图#图$叶片受力图#图%叶片等效应力图#图&叶片六阶振型#图叶片位移图#图(螺旋叶片图)螺旋叶片映射网格的局部放大图!# $ %!# $ %机械制造!卷第#$期#立的有限元模型中， 形成搅拌叶片完整的有限元模型，如图(所示。*)+单元属性和网格划分搅拌叶片所用材料种类为(%,- 不锈钢， 密度为 &. /0 1 2， 弹性模量为)(. 345， 泊松比为.6 。 在 789:9 系统中采用三维四面体单元进行映射网格划分， 整个搅拌叶片被划分成(. ;.个
8、实体单元。 每个实体单元有$个节点， 每个节点有%个自由度， 能够模拟搅拌叶片的受力和变形情况)=。 搅拌叶片映射网格划分局部放大图如图)所示。*+载荷处理和边界条件确定根据搅拌筒结构特点及搅拌过程中拌和料可能出现的流动形态， 我们对搅拌机理有一个大致的认识。 搅拌筒匀速转动过程中， 由于搅拌叶片连续不断的推拨作用 （可看作是一种碰撞过程） ， 混凝土拌和料在沿 圆周方向上运动的同时， 沿轴向方向向筒底流动。 在这种复杂的循环流动过程中， 由于叶片插入拌和料时的剪切作用， 拌和料脱离叶片时的抛摔作用； 在底部上翻时的紊动和挤压作用， 流层间的剪切作用， 以及上层拌和料双向交叉流动的拌合作用，
9、使拌和料获得充分搅拌% =。 从以上基本认识出发， 对整个叶片推拨区的拌和料来说， 可从轴向和周向运动进行分析：轴向运动： 其动力为叶片的轴向推力， 动阻力有筒底的反推力、 筒壁和叶片的轴向摩擦力及以上流层的轴向剪切力。周向运动： 其动力为叶片的周向推力和筒壁及叶片的摩擦力， 两者等效为叶片的周向推力， 其动阻力有自重力形成的周向流动阻力和上流层的周向剪切力。由上分析可知叶片受力如图所示： 图中 !、!$!、 !、 !#!分别代表搅拌叶片所受的轴向推力、轴向流动阻力、 轴向剪切力和轴向反推力； !、 !$!、!、 !#!、 分别代表搅拌叶片所受的周向推力、 周向流动阻力、 周向剪切力和周向反推
10、力。根据图， 在叶片上加上随叶片半径变化的函数力*如图$所示+； 叶片中部的局部放大图如图#所示， 图中箭头代表矢量力。)有限元分析有限元的计算， 就是将形状复杂以及受力情况复杂的零件化分为有限数目的单元， 再分别计算这些单元的受力和变形情况， 然后将这些单元整合起来， 就形成了整个零件的受力变形图。图%显示的是叶片有限元分析的等效应力云图。 从节点结果看出， 节点(&应力为(%6 ) ,45， 远远低于材料的屈服应力%( ,45。 图为叶片的位移图， 从节点结 万方数据专题报导专题报导表!搅拌叶片前阶模态分析结果模态阶数!#$%&固有频率 ()!* !+$&#* !%&,$* #%-,$*
11、.#-%* !.-$%* #$+-!# $ %!# $ %机械制造!卷第#$期!#亚洲动力传动展、 亚洲物流展成功举办(果可以看出节点!+&的位移为+* ,+- /， 另外， 从整个结构应力云图来看， 应力分布是不均匀的， 且最大应力与最小应力相差几个数量级， 这将造成材料的浪费。 通过对搅拌叶片表面消除应力集中， 并进一步对搅拌叶片的厚度尺寸进行优化设计， 减少耗材。$优化设计和结果分析优化设计能保证产品具有优良性能并减轻结构耗材和降低产品造价。 通过对搅拌叶片厚度的动态优化设计， 使其最大应力小于材料的许用应力且使自身的固有频率错开新拌混凝土的激振频率， 避免共振产生。当 01232 系统
12、内部将搅拌叶片的壁厚优化到%* &,# $/ 时， 其强度和刚度能够满足材料的使用要求并避免出现共振现象。4!5强度和刚度分析搅拌叶片的应力、 应变除了节点!+$和!+&两处应力 （!+$节点应力值最大， 最大应力值为!+ 678， 也在材料许用应力$! 678 范围内） 较大， 其他部分应力值都不超过!, 678。4#5固有频率分析对搅拌叶片进行模态分析， 得到搅拌叶片的前阶频率如表!所示， 其中六阶振型 （$9!比例显示） 如图+所示。 本模型计算的搅拌叶片的自身固有频率均高于新拌混凝土的激振频率， 故不会出现共振现象。%结束语有限元法是计算机辅助设计的重要组成部分。 本文在混凝土搅拌车领
13、域引入 01232 软件对搅拌叶片进行有限元分析和模态研究， 取得了良好的优化效果。结果表明， 搅拌叶片的强度和刚度满足材料的使用要求， 没有出现共振现象。 这种方法克服了传统工程流体力学半经验公式所造成的模型误差和对大量试验测试的依赖程度， 对搅拌叶片的设计提供有益的参考。参 考 文 献!杨纪明* 混凝土搅拌输送车搅拌螺旋叶片的设计:;? ( (* 0 2ABC DE FG HF8I8JGIKLKJL DE 0ADM/DKNG (CBI8AOKJP8/QGIL 8 (K?F 2IDRK? SIGTAGJKGL:PKNGILKCDE 6KJFK?8X !.-*$王海霞， 汤文成， 钟秉林， 易
14、红* 客车车骨架有限元建模技术及结果分析:;B SOAKBK)8KDMHDKAA/ 8BKGKJWFGKICPGLJIKQKDL:6* 1GZ3DIR： 0J8BG/KJ7IGLLX !.%*&吕振华， 伍卓安， 李世民* 水轮机节气阀非线性有限元分析:;* 机械强度， #,$X #&45*江继辉* 混凝土搅拌输送车搅拌筒搅拌过程的运动分析:;*工程机械， !.!4#5*&4编辑林凡5第一、 二、 三作者单位： 青岛理工大学青岛市能源与环境装备工程技术研究中心邮政编码： 山东#,$第四作者单位： 中国农业大学工学院车辆系收稿日期： #,年&月汉诺威展览会 4 中国 5 有限公司主办的享誉业内的
15、#,亚洲国际动力传动与控制技术展览会4简称亚洲动力传动展5、 #,亚洲国际物流技术与运输系统展览会4简称亚洲物流展5于#,年!,月!,日 !$日在上海新国际博览中心隆重举行。由于参展客商的不断增加， 往年大工业联合展览会改变为分会展。 今年亚洲动力传动展吸引了超过! !,家中外参展商， 比去年递增+ ； 展出面积为&, , /#， 比去年增加- 。 亚洲物流展吸引了超过$,家中外参展商， 展出面积为#$ , /#， 前来参观的业内观众超过&, ,人次。 展会汇聚了业内具国际领衔地位的知名公司、 国内及中国台湾地区的知名公司， 中外参展商互动为观众展示了当今行业新技术和最新产品。 根据国家 “十
16、一五” 发展规划的精神， 自主创新产品及高性能节能与环保的科研成果成为本届展会的主流。 汉诺威展览会4中国5有限公司为海内外同行业企业搭建了一座展示行业最新产品和技术的平台， 为推动中外业内的技术交流和经贸合作作出了贡献。4本刊讯5 万方数据混凝土搅拌车搅拌叶片的有限元分析混凝土搅拌车搅拌叶片的有限元分析作者：于世旭， 仪垂杰， 郭健翔， 邢普作者单位：于世旭,仪垂杰,郭健翔(青岛理工大学青岛市能源与环境装备工程技术研究中心,山东,266033)， 邢普(中国农业大学工学院车辆系)刊名：机械制造英文刊名：MACHINERY年，卷(期)：2006，44(11)被引用次数：2次 参考文献(6条)参
17、考文献(6条)1.杨纪明 混凝土搅拌输送车搅拌螺旋叶片的设计期刊论文-建筑机械化 1984(03)2.Lang H H A Study of the Characteristics of Auto-motive Hydraulic Dampers at High Stroking Frequencies 19973.王海霞.汤文成.钟秉林.易红 客车车骨架有限元建模技术及结果分析期刊论文-机械强度 2002(03)4.Gidaspow D Multiphase Flow and Fluidization-Continuum and Kinetic Theiry Descriptions 199
18、45.吕振华.伍卓安.李世民 水轮机节气阀非线性有限元分析 2003(06)6.江继辉 混凝土搅拌输送车搅拌筒搅拌过程的运动分析 1991(02) 相似文献(6条)相似文献(6条)1.期刊论文 翟雪琴.葛建兵.陈立峰.ZHAI Xue-qin.GE Jian-bing.CHEN Li-feng 混凝土搅拌车搅拌叶片优化设计 -机械工程与自动化2007,(5) 混凝土搅拌车叶片是实现搅拌筒功能的主体结构,具有搅拌和出料功能.在分析搅拌叶片总体结构的基础上,介绍了前锥、圆柱段、后锥各部螺旋叶片的设计特点及设计方法,提出了新的改进措施,并运用Pro/E软件建立螺旋叶片三维模型,进行有限元分析.改善了
19、叶片结构性能,提高了使用寿命和工作效率,为搅拌叶片的结构改进设计提供了参考依据.2.期刊论文 邢普.仪垂杰.郭健翔.于世旭.XING Pu.YI Chui-jie.GUO Jian-xiang.YU Shi-xu 混凝土搅拌车搅拌叶片新型母线及其应用研究 -建筑机械（上半月）2007,(2) 介绍非等角对数螺旋线搅拌叶片的设计方法,对这种搅拌叶片与传统等角对数螺旋线叶片进行了有限元受力及位移分析的对比,并进行了实际性能的实验对比.验证了新型搅拌叶片的优越性,为搅拌系统进一步的优化设计奠定了基础.3.期刊论文 邢普.孙红霞.郭健翔.仪垂杰.XING Pu.SUN Hong-xia.GUO Jia
20、n-xiang.YI Chui-jie 混凝土搅拌车搅拌叶片仿真设计及模态分析 -机械设计与制造2007,(8) 介绍了一种新型的非等角对数螺旋线搅拌叶片的设计方法,并对其在UG中进行了实体建模.利用UG和ANSYS接口,将其导入ANSYS中,然后对其进行了网格划分和模态分析,为进一步的有限元分析和优化设计奠定了基础.4.期刊论文 于世旭.仪垂杰.郭健翔.邢普.YU Shi-xu.YI Chui-jie.GUO Jian-xiang.XING Pu 基于ANSYS的搅拌叶片耦合场分析 -机械设计与制造2007,(11) 用大型通用有限元分析软件ANSYS对搅拌叶片进行了流固耦合分析,预测搅拌叶
21、片的性能,给定相应的边界条件,实现了三维建模,解决了流固耦合场耦合求解的问题,得到搅拌叶片的速度、压力分布图,为改进搅拌叶片的设计提供可靠依据.5.期刊论文 于世旭.仪垂杰.郭健翔.邢普.Yu Shi-xu.Yi Chui-jie.Guo Jian-xiang.Xing Pu 基于ANSYS软件建模及划分网格技术的应用 -机械研究与应用2006,19(6) 为提高有限元数值的计算精度和对复杂结构力学分析的准确性,建立正确、合理的有限元模型和划分好的网格很重要.首先,通过分析搅拌罐的设计参数,提出搅拌叶片的螺旋线方程,并根据该方程通过ANSYS软件绘制成曲线,生成螺旋叶片图形;然后,通过映射网格
22、划分,得到质量均匀、形状规则的网格,提高计算精度和速度,避免了将Proe/E或UG线框模型以IGES文件的形式导入ANSYS产生丢线等现象,为今后搅拌叶片的有限元分析奠定了基础.6.期刊论文 邢普.赵敬云.XING Pu.ZHAO Jing-yun 倒伞型曝气机有限元分析及优化设计 -计算机仿真2010,27(6) 研究污水处理设备强度优化问题,倒伞型曝气机是污水生物处理技术中的关键设备,具有充氧、搅拌和推流等作用.搅拌叶轮的设计和优化对其最主要的性能指标充氧动力效率至为关键.在研究曝气机充氧机理的基础上,对曝气机的叶片进行了实体建模、有限元分析和优化设计.首先利用Nastran平台对叶片工作过程进行了研究,通过实体建模、网格划分和有限元分析等过程,对曝气机搅拌叶片在工作状态的应力应变情况进行了有限元仿真分析.仿真结果明确了叶片的薄弱环节,并为进行优化和改良结构,为产品的生产设计提供了研究依据. 引证文献(2条)引证文献(2条)1.钟相强.杨艳红.王立涛 少齿差减速机内啮合齿轮的有限元分析期刊论文-安徽工程科技学院学报（自然科学版）2008(3)2.万富滨.袁力.胡知辉 基于CFD数值模拟的立式中心搅拌器有限元分析期刊论文-石油矿场机械 2008(8) 本文链接：http:/
