泵车臂架轻量化仿真分析设计方法的探讨

摘要：本文聚焦泵车臂架，旨在探讨仿真技术在泵车臂架系统轻量化设计中的应用。通过对泵车臂架的静力学与动力学分析，获取其在不同工况下的受力特性，进而基于优化算法进行轻量化设计并达成减重并保障性能目标。结果表明，该方法能有效降低臂架系统质量，同时确保其结构性能满足工程要求，为泵车臂架轻量化设计提供一定的参考。

关键词：仿真分析；泵车；臂架系统；轻量化

引言

随着建筑工程规模的不断扩大，混凝土泵车作为高效的混凝土输送设备得到广泛应用。泵车臂架系统作为其关键布料部件，不仅要承受巨大的混凝土重量与泵送压力，工作时承受复杂多变载荷，影响安全性与作业范围等。为满足结构强度、翻力矩等，保证安全性，将导致臂架质量过大，整车重量超出法律法规要求。因此，开展泵车臂架系统的轻量化设计具有重要的现实意义。仿真技术的发展为泵车臂架系统的优化设计提供有力手段，能够在设计阶段对臂架的性能进行准确预测与评估，从而实现轻量化目标。

1.泵车臂架系统静力学分析

1.1建立有限元模型

采用专业有限元分析软件，根据泵车臂架实际几何结构建模。建模期间应对臂架非关键特性进行适量简化，如去除倒角、小孔等，以提升模型计算效率。同时，对有限元网络合理规划，特别是受力复杂区应采用细网格，在应力变化平缓区域用相对粗的网格。根据臂架所选钢材确定参数，定义臂架材料属性，包括弹性模量、泊松比、密度等[1]。

1.2边界条件与荷载施加

根据泵车施工典型工况，确定分析边界条件。臂架根部与转台连接处为固定约束，限制其自由度。荷载方面应考虑臂架自重（含结构件、液压件等）、混凝土自重、风载等。其中混凝土自重施加在臂架合适位置，泵送压力根据实际泵送工况换算后施加在管道内壁。

1.3静力学计算结果分析

模拟臂架各种工况，施加载荷与约束，对静力学有限元模型求解得出不同姿态下臂架的应力、应变分布云图。结果表明，臂架最大应力主要集中于臂架头尾部、油缸基座、连杆连接区域等局部区域承受较大荷载，特别是注意不同工况下受拉、受压区域以及其交变情况。变形主要表现为臂架弯曲变形，在臂架末端出现最大变形量。这些计算结果为后续轻量化设计的核心依据，需重点关注与优化的结构部位：如对低应力区（远离载荷作用、应力远低于许用值部位），如臂架中部部分面板，适当减薄厚度或调整截面尺寸，削减冗余材料；合理优化加强筋布局，依应力流向重分布增强结构承载。

2.泵车臂架系统动力学分析

2.1建立动力学模型

在静力学模型基础上，综合考虑臂架系统的综合受力情况，建立动力学模型。借助多体动力学理论，将臂架系统离散为多个刚体，通过关节连接模拟实际运动关系。对各个刚体质量、转动惯量等参数进行定义，同时确定关节连接方式、约束类型、摩擦系数等。

2.2动态荷载施加与工况模拟

结合泵车臂架在实际中的运动状况，包括伸展、收缩、回转等动作，并施加动态荷载。例如，在臂架伸展期间，需考虑其加速运动产生的惯性力；在回转过程中，需考虑离心力等影响。通过设置不同工况与运动参数组合，模拟臂架系统在各类工况下的动态受力特性。

2.3动力学计算结果分析

动力学计算结果可反映臂架系统在动态工况下的应力、应变随时间变化规律。相比静力学结果，动力学分析能呈现臂架在运动情况下的动态响应特性，如振动、冲击等对结构强度、疲劳寿命的影响。发现臂架在快速启动、制动、变幅过程中应力与变形产生的较大波动，这些部位也是轻量化设计中需重点考虑的区域。

3.基于力学仿真的泵车臂架系统轻量化设计

3.1设计变量确定

结合静动力学分析结果，选择对臂架质量与性能影响较大的结构参数作为设计变量。根据已有数据库和臂架总体长度，合理设定臂架宽度、臂架高度、板厚、加强筋布局与尺寸方面等。例如，加强筋数量取值范围为2-8条，其高度取值范围为10-50mm，厚度取值范围为3-10mm等等。这些取值范围通过对原臂架结构参数分析与工程经验确定，除了要确保在该范围内实现轻量化，同时也要确保臂架结构性能不会因变量更改而超出允许范围[2]。

3.2优化目标与约束条件设定

以臂架系统质量最轻为优化目标，综合考虑刚度、强度、稳定性等约束条件。根据材料最大应力确定强度约束度，例如材料选用高强钢板、碳纤维材料等，其许用应力根据材料确定，设计中应确保在各个工况下臂架最大应力不超过该许用应力值；通过限制臂架最大变形量以及作业精度确定刚度约束度，设定臂架末端最大变形量；根据臂架受压状态稳定性条件确定稳定性约束度，通常采用欧拉公式等进行约束，设定合理的安全系数，并对向上、拱形、水平、向下等工况进行测试分析。

3.3优化算法选择与轻量化设计过程

对设计变量进行迭代优化，以质量最轻为目标函数，综合静动力学性能约束构建优化模型，经多代迭代寻优。优化期间，每次迭代可进行静动力学仿真计算，用于评估当前设计变量组合下臂架系统性能是否满足约束度条件。如果仿真结果满足约束度条件，则进行下一次迭代优化；如果仿真结果不满足约束度条件，则根据约束度违反情况调整设计变量。通过多次迭代，会逐步逼近最优解，最终得出满足轻量化要求且结构性能良好的泵车臂架系统设计方案。

4.轻量化设计结果验证

将轻量化设计的泵车臂架系统方案重新进行静动力学仿真分析，将优化前后模型仿真结果进行对比。同时，确保优化后方案在强度、刚度、稳定性等多个方面均可满足工程设计标准，应力与变形分布合理，未出现因轻量化设计导致的局部应力集中或结构失稳等情况。优化后臂架最大应力低于许用应力；臂架末端最大变形量未超过设定标准。此外，对优化后臂架系统进行模态分析，结果显示其固有频率避开了泵车工作过程中的激振频率，避免了共振现象的发生，进一步证明了轻量化设计方案的可行性与有效性[3]。

实例验证：某泵车臂架经优化，板厚依应力分布梯次调整，部分区域减薄 20%，加强筋数量精减、布局优化，质量降 15%且强度、刚度、模态性能达标，成功实现轻量化与性能平衡。

结束语

综上所述，本文提出基于静动力学仿真技术对泵车臂架系统轻量化设计方法。通过建立泵车臂架的静力学与动力学模型，分析其在不同工况下的受力特性；基于优化算法，以质量最轻为目标，在强度、刚度、稳定性等约束条件下对臂架系统进行轻量化设计；最后对轻量化设计结果进行验证。结果表明，该方法能够在保证泵车臂架系统结构性能的前提下，有效实现轻量化目标，提高泵车的整体性能，为泵车臂架系统的设计与改进提供一种科学、有效的方法，具有重要的工程应用价值。在未来的研究中，可进一步考虑材料性能的优化等因素，以进一步提升泵车臂架系统的轻量化水平与综合性能，助力泵车产业法规、高效发展。

参考文献

[1] 丁庆强，刘辉，韩涛，等.低成本碳纤维复合材料泵车节臂的制备研究[J].建筑机械， 2023（7）：112-114.

[2] 贾成林.混凝土泵车支腿结构轻量化设计分析[J].工程机械与维修， 2021（4）：2-3.

[3] 息树辛，王志强.混凝土泵车下车结构单边工况可靠性分析[J].建设机械技术与管理， 2022， 35（2）：50-54.