靜動態工況下的自卸車車廂輕量化設計

王蘭花 狄超群 劉 琪

（1.濟南大學泉城學院，蓬萊市 265600；2.山東蓬翔汽車有限公司，蓬萊 265600；3.臨沂市科學技術合作與應用研究院，臨沂 276000）

隨著我國經濟不斷發展，促使貨物運輸量持續增長，在公路交通運輸車輛中，自卸車所占的比例越來越大。由于自卸車車廂自身重量較大，對自卸車燃油經濟性造成較大影響，因此在保證自卸車車廂強度與剛度不變的情況下，減少自卸車車廂重量，從而提升自卸車燃油經濟性成為了近些年自卸車研究的熱點問題。在具體研究設計過程中，不僅對自卸車車廂輕量化設計方案進行研究，也要對自卸車整體結構特點進行分析，從而結合車廂主板結構、整體布局等方面，不斷優化自卸車車廂結構。

1 自卸車車廂有限元建模

本文以某款自卸車車廂為例進行分析，該自卸車車廂主要由車廂后欄板總成、車廂前欄板總成、右側邊板總成、左側邊板總成與底板總成5個部件組成，原車身材料均為結構鋼Q235、Q345和B510L。同時該車廂屬于左右對稱的結構，為確保提升計算效率，僅選取自卸車車廂左側模型即可。將自卸車車廂左側劃分為網格形式，單元總數為626646個；在所有單元中，三角形單元數量需要為2184，使其能夠充分滿足有限元模型精度要求[1]。

2 自卸車的車廂輕量化設計

2.1 自卸車車廂靜態工作輕量化設計

該自卸車車廂在靜態工況下，優化設計問題數學描述如式（1）、式（2）所示。

式中，f（x1，x2，…，xn）為車廂的目標函數；x1，x2，…，xn為車廂的設計變量；g.j（x1，x2，…，xn）為m車廂的約束條件。本文對自卸車車廂進行的研究，主要選取車廂總成45個核心部件，不斷優化自卸車車廂的輕量化設計。同時所設計的車廂強度的安全系數不低于1.2；前后板總成的變形量不高于10mm；底板總成的變形量不高于15mm；側板總成與底板總成的變形量不得高于30mm；板材的厚度不低于0.7mm，不高于25mm。結合可以選擇的材料，該車廂改的主體結構材料選取QSTE700，其抗拉強度為970.8MPa，屈服強度為745MPa，延伸率為0.144。所以要想在保證不改變車廂零件結構的基礎上實現重量減輕設計，不僅要分析自卸車在運行過程中的工況，也要對自卸車剎車工況進行充分的考慮，確保自卸車安全[2]。

2.2 自卸車車廂動態情況下輕量化設計

雖然通過不斷優化車廂靜態工況尺寸，能夠得到相應的車廂板厚，但是無法滿足沖擊工況要求，因為不僅需要優化設計車廂靜態工況，也需要對動態沖擊工況結構進行優化設計。本文主要通過運用近似建模技術，對自卸車進行有限元建模，并利用NLPQL梯度優化算法對其進行計算，對車廂動態工況結構進行優化，同時利用Visual DOC計算軟件，對整個計算過程進行演算，在確保計算精度的前提下，建立相對復雜的仿真模型，并減少仿真模型分析次數，大幅度提高優化效率[3]。

選用Kriging近似模型建立模型時，必須選取設計空間中樣本點進行最優拉丁超立方試驗，車廂設計變量X1、X2、X3分別為沖擊工況中車廂的底板厚度、內縱梁厚度與內橫梁厚度，利用最優拉丁超立方法，選擇10個驗證樣本點與30個建模樣本點，建立Kriging近似模型。通海還需要建立以車廂內橫梁、內縱梁與底板厚度為變量，以沖擊最大變形沖擊、最大應力與模型質量為函數的Kriging近似模型，進行試驗，確保3種近似模型經過驗證之后，均方根誤差分別為：0.13639，0.04124，0.04412，得知模型設計能夠充分滿足精度要求[4]。

最后，利用NLPQL對具有約束非線性數學規劃問題進行解決，發揮NLPQL穩定、收斂與易于得到全局最優解等優點。NLPQL中序列二次規劃法（SQP）屬于極其核心的一種計算方法，通過使用SQP計算方式，能夠將目標函數以“二階泰勒級數”的方式展開，不僅能夠轉變車廂設計約束條件，使其變為更加簡單的線性化問題，也能夠將非線性問題轉變為二次規劃問題，確保求戒指最優化。

2.3 評估輕量化設計自卸車的車廂強度與剛度

對自卸車車廂靜態與動態工況進行充分評估，才能確保優化車廂輕量化設計方案的可行性，而且通過選擇車廂荷載條件較差的工況，可以驗證優化方案荷載極限。車廂靜態工況最大變形量邊板為26.78mm，最大應力為653.0MPa，底板為11.63mm，車廂的設計滿足性能要求。車廂動態工況最大的變形為5.1mm，最大的應力為744.64MPa，能夠確保車廂在沖擊工況中滿足性能要求。優化后的將車廂整體質量由2728kg減至2081kg，減重效果為23.72%。

3 結語

由于自卸車車廂自重過大，需要對之進行有效的優化設計，降低其重量，確從而提高其燃油經濟性。本文通過對某自卸車車廂進行研究與分析，在不改變自卸車車廂原結構的基礎上，將車廂部件的材料、板厚作為自卸車車廂優化設計的重要方向，從靜態與動態兩個方面，，進行輕量化的設計，最終實現了自卸車車廂減重的目標，在保證車廂強度與剛度的基礎上，自卸車車廂減重效果達到23.72%。