耐磨板自卸車車廂的輕量化仿真設(shè)計(jì)

涂艷豐 楊 兵 高永生 張 文

(1.寶鋼股份有限公司中央研究院汽車用鋼研究所，中國 上海201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〈寶鋼〉，中國 上海201900）

隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)及節(jié)能環(huán)保相關(guān)法律的深度落實(shí)[1]，市場對自卸車的未來的需求又一個統(tǒng)一的認(rèn)識: 輕量化是自卸車發(fā)展的方向；國家對超載的治理將實(shí)行常態(tài)化管理。同時，原油價(jià)格不斷攀升，加重了運(yùn)輸業(yè)的成本壓力。由此催化了市場對車輛輕量化。使用高等級材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要手段[2]。同時，高等級材料可以降低材料的投入量，降低材料生產(chǎn)過程的碳排放。本文通過有限元仿真，使用具有高強(qiáng)度、高耐磨性的耐磨板設(shè)計(jì)制作了一款自卸車車廂。 經(jīng)過實(shí)際使用，該車廂重量下降接近40%，使用壽命提高了5 倍以上。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 研究對象

圖1 典型自卸車車廂Fig.1 typical dumper car-body

表1 寶鋼耐磨鋼板力學(xué)性能（交貨狀態(tài)）Tab.1 The mechanical property of the baosteel wear-resistant steel (deliver condition)

車廂是自卸車的重要組成部分，目前國內(nèi)自卸車車廂當(dāng)前還采用低強(qiáng)度等級材料，例如Q345。 自卸車長度約5 米~6 米，寬度2 米~4米，單個車廂重量約10 噸左右。 采用傳統(tǒng)材料的車體，車身重，磨損快、質(zhì)量利用系數(shù)低，無法滿足日益嚴(yán)重的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及低排放的要求。 隨著高強(qiáng)耐磨鋼產(chǎn)品的出現(xiàn)，為自卸車車廂的減重帶來了機(jī)遇，但是國內(nèi)還沒有這類材料的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn),自卸車的輕量化與國外存在較大差距。

1.2 寶鋼耐磨鋼板介紹

近年來，瑞典﹑德國和日本等國家通過改進(jìn)成分設(shè)計(jì)﹑應(yīng)用DQ（直接淬火）技術(shù)，相繼開發(fā)了強(qiáng)韌性和焊接性優(yōu)良的HB400﹑HB500 甚至HB600 系列耐磨鋼產(chǎn)品。

目前寶鋼已具備生產(chǎn)布氏硬度為360HB、400HB、450HB 和500HB 等不同級別耐磨鋼板的能力。 寶鋼耐磨鋼厚板不僅硬度高，同時還具有優(yōu)良的拉伸性能、沖擊性能、耐磨性能和焊接性能，適用于各種磨損條件，產(chǎn)品質(zhì)量處于國內(nèi)領(lǐng)先地位[3]。寶鋼耐磨鋼板的力學(xué)性能如表1 所示。

圖2 各牌號鋼板相對使用壽命比較圖Fig.2 The relevent wear life of different steel

硬度是表征耐磨性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，硬度越高，耐磨性越好。 圖2所示的是不同牌號鋼材之間耐磨性能的相對使用壽命比較。 以Q345材料的耐磨性為基礎(chǔ),定為耐磨指數(shù)1。 從圖中可以看出，BW450 材料與Q345 材料相比，其硬度提高3 倍，在同等工況條件下平均使用壽命提高6-8 倍。

1.3 耐磨板車廂設(shè)計(jì)

1.3.1 耐磨板車廂車廂板厚度選擇

在承載能力不變，結(jié)構(gòu)形式不變時，通過高強(qiáng)度材料替換低強(qiáng)度材料，兩者的厚度可以可以按照下式進(jìn)行計(jì)算[2,4]。

式中：σ0——低強(qiáng)度材料屈服強(qiáng)度

t0——低強(qiáng)度材料的厚度

tx——高強(qiáng)度材料的厚度

表2 自卸車車廂板用材厚度表Table2 The thickness of the car-body parts

傳統(tǒng)自卸車車廂主要采用Q345 材料作為車廂板的主要材料。 表2 是傳統(tǒng)使用Q345 材料的車廂板厚度和通過公式1 計(jì)算出的BW450 材料的車廂板厚度并向上圓整。 表中的數(shù)據(jù)作為后續(xù)仿真模擬的初始輸入條件。

表3 網(wǎng)格單元質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Mesh quality criterion for the FEM model

1.3.2 車廂有限元模型處理

有限元分析，網(wǎng)格質(zhì)量是分析結(jié)果準(zhǔn)確的重要保證。但是，過高的單元質(zhì)量不但消耗過多的前處理時間， 同時造成過大的計(jì)算時間消耗。過低的質(zhì)量要求容易造成計(jì)算結(jié)果精度差、計(jì)算出錯，嚴(yán)重時導(dǎo)致模型無法計(jì)算。由于自卸車車廂整體尺寸大，通常長約5-8 米，為兼顧計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果精度，對于自卸車結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析，網(wǎng)格質(zhì)量一般按照表3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。 自卸車車廂模型極大，需要通過專門的前處理軟件進(jìn)行處理。 本文通過HYPERMESH 前處理軟件對車廂進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。 模擬采用三角形縮減積分單元和四邊形縮減積分單元的殼單元。

圖2 自卸車車廂有限元模型Fig.2 FEM model of the dumper car-body

自卸車車廂組成（前、后、底、邊等板，每塊板的組成），各部件之間及組成部件的零件主要采用焊接裝配。焊縫一般采用焊接單元進(jìn)行建模。但是，為了降低建模的復(fù)雜度且保證仿真的結(jié)果精度，本文采用共節(jié)點(diǎn)處理方法。

1.3.3 車廂約束加載

自卸車車廂結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，模擬采用1/2 模型進(jìn)行。 自卸車車廂在舉升瞬間，其受力條件最為惡劣。 因此，模擬采用該工況進(jìn)行。 舉升狀態(tài)下（車廂處于脫離車架支撐的瞬間），整個車廂只受到翻轉(zhuǎn)座與舉升油缸的約束。 翻轉(zhuǎn)座與舉升油缸只有一個方向的轉(zhuǎn)動，因此模擬需要約束翻轉(zhuǎn)座、油缸舉升處的平動自由度及除轉(zhuǎn)動軸方向外的其他兩個轉(zhuǎn)動自由度。

1.3.4 載荷的加載

圖3 車廂后板壓力分布圖Fig.3 Press distribution of the car-body rail blank

自卸車主要應(yīng)有于礦石、煤炭、沙土、沙石等的運(yùn)輸，其壓力值的大小與所載物的密度有關(guān)，而且與實(shí)際裝載狀態(tài)有關(guān)。 計(jì)算采用最危險(xiǎn)工況（即滿載狀態(tài)）進(jìn)行分析。載荷近似處理為靜水壓力分布規(guī)律作用于內(nèi)板上，按照以下公式計(jì)算：

車廂側(cè)板最頂端的壓力為0MPa，因此壓力分布公式可以表示為：

其中:K=Pmax/h

X——加載點(diǎn)離底板的垂直距離

h——車廂板最高點(diǎn)相對底板的垂直距離

1.4 有限元仿真結(jié)果及分析

圖4 整體應(yīng)力分布云圖Fig.4 Total car-body stress distribution

圖4 是分別采用兩種材質(zhì)的車廂應(yīng)力分布云圖。從a 圖是采用耐磨板BW450 設(shè)計(jì)的車廂，b 圖是采用Q345 材質(zhì)設(shè)計(jì)的車廂。 從圖中可以看出，BW450 車廂的最大應(yīng)力值為648MPa，采用Q345 車廂的最大應(yīng)力水平為440MPa。

圖5 整體應(yīng)變分布云圖Fig.5 total strain distribution

圖5 是分別采用兩種材質(zhì)的車廂位移分布云圖。 從圖中可以看出，采用BW450 材質(zhì)的車廂(a)，整體最大變形為4.68mm，大于采用Q345 材質(zhì)車廂(b)的3.37mm，變形量差距不大。表4 是根據(jù)仿真結(jié)果，考察各部分應(yīng)力集中點(diǎn)的材料安全情況。

表4 兩種材質(zhì)車廂各部位安全系數(shù)比較Tab.4 Safety factor of each part of car-bodys used tow different materials

從表4、 表5 中可以看出， 車廂板在采用更薄的BW450 材料以后，整體的安全系數(shù)由于材質(zhì)本身強(qiáng)度的上升而上升。 但是車廂的各部件剛度略低于Q345 材質(zhì)的車廂，但是其總體變形量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)控制變形量。

表5 兩種材質(zhì)車廂各部位變形量的比較Tab.5 Deformation of each part of car-bodys used tow different materials

2 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

本文對同期投入使用3 個月的耐磨板車廂與Q345 材質(zhì)車廂進(jìn)行了跟蹤。 采用BW450 鋼板厚度減薄量最大僅0.19mm，而同期投入使用的普通車型Q345B 鋼板的減薄量約為2mm，是耐磨鋼的十倍。但是車廂局部在使用過程中，由于礦石的沖擊，出現(xiàn)過多過深的凹坑。這些問題都需要在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)一步考慮。

3 結(jié)束語

3.1 輕量化是汽車工業(yè)的發(fā)展方向，耐磨鋼具有高強(qiáng)度、高耐磨性，是自卸車廂板材的理想選擇，是自卸車領(lǐng)域推進(jìn)節(jié)能減排的重要選擇。

3.2 本文基于針對傳統(tǒng)自卸車車廂結(jié)構(gòu)， 采用耐磨鋼進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)研究。 設(shè)計(jì)表明，使用耐磨板材料可以有效實(shí)現(xiàn)自卸車車廂的輕量化，車廂板的使用量可以下降40%以上，其強(qiáng)度安全系數(shù)至少可以提升10%，其剛度完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

3.3 工程實(shí)踐表明采用耐磨板及有限元仿真設(shè)計(jì)方法可以滿足自卸車車廂實(shí)際使用需求，研究結(jié)果可應(yīng)用于自卸車車廂的設(shè)計(jì)。

［1］施欲亮，朱平，林忠欽.利用拼焊板結(jié)構(gòu)改進(jìn)車門內(nèi)板的輕量化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(5)：178－181.

［2］范世斌,馬力,高金玲.專用車構(gòu)件高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)中的板厚計(jì)算[J].專用汽車,2009,1:54-57.

［3］寶山鋼鐵股份有限公司.熱軋耐磨板鋼產(chǎn)品手冊[M].產(chǎn)品手冊,2013:1-2.

［4］梁沖，黃忠賢，蘇雄波.高強(qiáng)度鋼板在自卸車輕量化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用研究[J]裝備制造技術(shù),2010,9:55-57

［5］王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperMesh&HyperView 應(yīng)用技巧與高級實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.