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摘 要：根据混凝土泵车实际受力工况对支腿进行模型简化，利用Solidworks分析软件，建立有限元模型。从支腿受力及稳定性方面进行对比分析，从而定性地研究最优支腿内筋板的焊接方式，为支腿设计提供有益的参考。
关键词：混凝土泵车；Solidworks；支腿；有限元；筋板；研究
引言
随着国民经济的快速发展，国际市场的不断扩大，混凝土泵车行业迅速发展的同时，混凝土泵车市场的竞争日益剧烈，促使泵车制造商不断开发更高桥长比的泵车，在保证产品性能的同时，减重降成本成为泵车设计过程中的一项重要指标。工程机械均采用前后支腿支撑车体的工作模式，以增加车体工作的稳定性，避免因作业负荷过大而造成倾翻。支腿的受力及其自身的稳定性对泵车安全至关重要。如何在保证支腿性能指标的同时提高支腿的力学性能成为一项重要任务。
因泵车整车重量及成本要求，支腿箱体板厚受限，设计者通常采用在支腿内腔焊接筋板的方式来减小支腿的应力并增加支腿的稳定性，但筋板与支腿的焊接方式因设计者而异。本文借助有限元分析软件，以不同工况、不同边界条件的支腿为研究对象，进行对比分析，进而得出一种最优的支腿内腔筋板焊接方式。
1.支腿模型简化
目前泵车主要支腿型式为前X-后摆动型，支腿一端通过轴或滑道与固定转塔连接，另一端用油缸支撑于地面，直接承受整车的负载力矩和重量，如图一所示。支腿一般设计成箱形结构以提高其抗弯性能。故支腿可简化为受力情况如图二所示的矩形截面箱形悬臂梁[1]，并承受支腿自重G及地面的支腿支反力F[2]。便于后续计算方便，将支腿臂简化为等截面矩形梁 。
2.理论研究
支腿弯曲应为横力弯曲，一般情况下，最大正应力发生于弯矩最大的截面上，且离中性轴最远处[3].
支腿弯曲正应力：
因为支腿支反力远大于支腿自重，故支腿最大压应力出现在盖板上，最大拉应力出现在支腿底板上。支腿内腔筋板的增加使得Iz增大，使得支腿最大弯曲应力减小。筋板的焊接方式对支腿应力的影响却很难计算，下面主要利用Solidworks有限元软件，对支腿的筋板焊接方式进行研究。
3.建立有限元建模
3.1.建立有限元模型
3.2.赋予材料属性
材料：合金钢；
3.3.添加边界条件
全局接触类型为：无穿透。
施加约束：支腿固定，添加引力约束，并定义支腿所受支反力[4]。
支腿内腔无加强筋板的有限元计算模型如图三所示，支腿内侧增加筋板的有限元计算模型如图四所示，便于后续分析焊接筋板对支腿箱体的应力影响，利用筋板的投影对支腿底板、盖板和侧板进行曲线分割。
图四 支腿增加筋板后的模型
4. 计算工况
筋板与支腿箱体的焊接形式可以分为以下六种工况（筋板与支腿箱体接触区域不焊接时的间隙为1mm）：
工况1：支腿内侧无筋板（后续简称无筋板）；
工况2：筋板与支腿箱体圆周焊（后续简称圆周焊）；
工况3：筋板与支腿箱体三面焊，筋板底面与箱体接触区域不焊（底面不焊）；
工况4：筋板侧面与支腿箱体焊接，筋板顶面和顶面与箱体接触区域不焊（顶底面不焊）；
工况5：筋板与支腿箱体三面焊，筋板顶面与箱体接触区域不焊（顶面不焊）；
工况6：筋板顶面和底面与支腿箱体焊接，筋板侧面与箱体接触区域不焊（侧板不焊）；
下面将针对上述六种工况，分别对支腿应力σd’、σd、σc’、σc、σg’、σg进行研究。
其中：
σd’–内筋板与支腿底板接触区域的最大应力；
σd–支腿底板最大应力；
σc’–内筋板与支腿侧板接触区域的最大应力；
σc–支腿侧板最大应力；
σg’–内筋板与支腿盖板接触区域的最大应力；
σg–支腿盖板最大应力。
5. 有限元静态计算及结果分析
5.1.研究支腿支反力对各种工况的影响
边界条件相同，支腿支反力分别为：300kN、350kN、40kN，对上述六种工况进行静态有限元计算，支腿应力情况如图5、图6、图7所示。
从图5、图6、图7可得出如下结论：1）在工况6（筋板侧面不焊）的情况下，内筋板的增加未能减小支腿底板和盖板的最大应力，相反使其应力明显增大。2）排除工况6，筋板的焊接形式对侧板的应力影响较小，侧板应力变化范围小。
设计旨在降低支腿底板和盖板处的最大应力，故后续不再研究工况6（内筋板侧面与支腿不焊）的情况；筋板与支腿的焊接形式对侧板应力影响较小，故后续也不再研究筋板的焊接形式对侧板应力的影响。排除上面两种情况后将图5、图6、图7简化后得到图8、图9、图10。
从图8、图9、图10可得出结论：内筋板的增加使得支腿底板和盖板的最大应力减小的同时，使得内筋板与支腿接触区域的应力增大。在σd和σg数值基本相同的情况下，工况4中σd 和σg增加程度最小。
5.2.研究筋板位置对各种工况的影响
边界条件及施加载荷相同，改变筋板的位置（筋板离支腿尾部距离分别为110mm，160mm，210mm），对上述结论进行验证（见图11、图12、图13），得出相同的结论：工况4内筋板与支腿顶底面不焊时为最理想的支腿受力状态。
5.3.稳定性分析
对工况1和工况4进行屈曲分析，结果如表1所示：工况4在降低支腿应力的同时，起到了增加支腿稳定性的目的。
5.4.效果验证
工况4的筋板焊接方法从2008年试行至今，支腿使用情况良好，实际图片如图14所示。
6. 结论
综上所述：为满足泵车减重降成本的需求，在支腿板厚受限的情况下，需采用在支腿内腔增加筋板的方式进行加强时，可优先采用筋板侧面与支腿侧板焊接的方式，来达到减小支腿最大应力并增加支腿的稳定性的目的。
设计者需根据实际情况，考虑在筋板上增加焊缝避让倒角、减重孔等问题。
参考文献：
[1]刘耀乙.材料力学.北京理工大学出版社，2004：100-104.
[2]宁富立.基于ANSYS的混凝土泵车伸缩支腿的接触分析. 建筑机械，2010.12：113.
[3]刘鸿文.材料力学.高等教育出版社，2004：143.
[4]二代龙震工作室.SOLIDWORKS 2007高级设计.人民邮电出版社，2008：334-344.
关键词：混凝土泵车；Solidworks；支腿；有限元；筋板；研究
引言
随着国民经济的快速发展，国际市场的不断扩大，混凝土泵车行业迅速发展的同时，混凝土泵车市场的竞争日益剧烈，促使泵车制造商不断开发更高桥长比的泵车，在保证产品性能的同时，减重降成本成为泵车设计过程中的一项重要指标。工程机械均采用前后支腿支撑车体的工作模式，以增加车体工作的稳定性，避免因作业负荷过大而造成倾翻。支腿的受力及其自身的稳定性对泵车安全至关重要。如何在保证支腿性能指标的同时提高支腿的力学性能成为一项重要任务。
因泵车整车重量及成本要求，支腿箱体板厚受限，设计者通常采用在支腿内腔焊接筋板的方式来减小支腿的应力并增加支腿的稳定性，但筋板与支腿的焊接方式因设计者而异。本文借助有限元分析软件，以不同工况、不同边界条件的支腿为研究对象，进行对比分析，进而得出一种最优的支腿内腔筋板焊接方式。
1.支腿模型简化
目前泵车主要支腿型式为前X-后摆动型，支腿一端通过轴或滑道与固定转塔连接，另一端用油缸支撑于地面，直接承受整车的负载力矩和重量，如图一所示。支腿一般设计成箱形结构以提高其抗弯性能。故支腿可简化为受力情况如图二所示的矩形截面箱形悬臂梁[1]，并承受支腿自重G及地面的支腿支反力F[2]。便于后续计算方便，将支腿臂简化为等截面矩形梁 。
2.理论研究
支腿弯曲应为横力弯曲，一般情况下，最大正应力发生于弯矩最大的截面上，且离中性轴最远处[3].
支腿弯曲正应力：
因为支腿支反力远大于支腿自重，故支腿最大压应力出现在盖板上，最大拉应力出现在支腿底板上。支腿内腔筋板的增加使得Iz增大，使得支腿最大弯曲应力减小。筋板的焊接方式对支腿应力的影响却很难计算，下面主要利用Solidworks有限元软件，对支腿的筋板焊接方式进行研究。
3.建立有限元建模
3.1.建立有限元模型
3.2.赋予材料属性
材料：合金钢；
3.3.添加边界条件
全局接触类型为：无穿透。
施加约束：支腿固定，添加引力约束，并定义支腿所受支反力[4]。
支腿内腔无加强筋板的有限元计算模型如图三所示，支腿内侧增加筋板的有限元计算模型如图四所示，便于后续分析焊接筋板对支腿箱体的应力影响，利用筋板的投影对支腿底板、盖板和侧板进行曲线分割。
图四 支腿增加筋板后的模型
4. 计算工况
筋板与支腿箱体的焊接形式可以分为以下六种工况（筋板与支腿箱体接触区域不焊接时的间隙为1mm）：
工况1：支腿内侧无筋板（后续简称无筋板）；
工况2：筋板与支腿箱体圆周焊（后续简称圆周焊）；
工况3：筋板与支腿箱体三面焊，筋板底面与箱体接触区域不焊（底面不焊）；
工况4：筋板侧面与支腿箱体焊接，筋板顶面和顶面与箱体接触区域不焊（顶底面不焊）；
工况5：筋板与支腿箱体三面焊，筋板顶面与箱体接触区域不焊（顶面不焊）；
工况6：筋板顶面和底面与支腿箱体焊接，筋板侧面与箱体接触区域不焊（侧板不焊）；
下面将针对上述六种工况，分别对支腿应力σd’、σd、σc’、σc、σg’、σg进行研究。
其中：
σd’–内筋板与支腿底板接触区域的最大应力；
σd–支腿底板最大应力；
σc’–内筋板与支腿侧板接触区域的最大应力；
σc–支腿侧板最大应力；
σg’–内筋板与支腿盖板接触区域的最大应力；
σg–支腿盖板最大应力。
5. 有限元静态计算及结果分析
5.1.研究支腿支反力对各种工况的影响
边界条件相同，支腿支反力分别为：300kN、350kN、40kN，对上述六种工况进行静态有限元计算，支腿应力情况如图5、图6、图7所示。
从图5、图6、图7可得出如下结论：1）在工况6（筋板侧面不焊）的情况下，内筋板的增加未能减小支腿底板和盖板的最大应力，相反使其应力明显增大。2）排除工况6，筋板的焊接形式对侧板的应力影响较小，侧板应力变化范围小。
设计旨在降低支腿底板和盖板处的最大应力，故后续不再研究工况6（内筋板侧面与支腿不焊）的情况；筋板与支腿的焊接形式对侧板应力影响较小，故后续也不再研究筋板的焊接形式对侧板应力的影响。排除上面两种情况后将图5、图6、图7简化后得到图8、图9、图10。
从图8、图9、图10可得出结论：内筋板的增加使得支腿底板和盖板的最大应力减小的同时，使得内筋板与支腿接触区域的应力增大。在σd和σg数值基本相同的情况下，工况4中σd 和σg增加程度最小。
5.2.研究筋板位置对各种工况的影响
边界条件及施加载荷相同，改变筋板的位置（筋板离支腿尾部距离分别为110mm，160mm，210mm），对上述结论进行验证（见图11、图12、图13），得出相同的结论：工况4内筋板与支腿顶底面不焊时为最理想的支腿受力状态。
5.3.稳定性分析
对工况1和工况4进行屈曲分析，结果如表1所示：工况4在降低支腿应力的同时，起到了增加支腿稳定性的目的。
5.4.效果验证
工况4的筋板焊接方法从2008年试行至今，支腿使用情况良好，实际图片如图14所示。
6. 结论
综上所述：为满足泵车减重降成本的需求，在支腿板厚受限的情况下，需采用在支腿内腔增加筋板的方式进行加强时，可优先采用筋板侧面与支腿侧板焊接的方式，来达到减小支腿最大应力并增加支腿的稳定性的目的。
设计者需根据实际情况，考虑在筋板上增加焊缝避让倒角、减重孔等问题。
参考文献：
[1]刘耀乙.材料力学.北京理工大学出版社，2004：100-104.
[2]宁富立.基于ANSYS的混凝土泵车伸缩支腿的接触分析. 建筑机械，2010.12：113.
[3]刘鸿文.材料力学.高等教育出版社，2004：143.
[4]二代龙震工作室.SOLIDWORKS 2007高级设计.人民邮电出版社，2008：334-344.