自卸車貨箱的結構強度分析及輕量化設計

摘.要：為降低自卸車質量及油耗，提高自卸車運輸效率，本文以某自卸車貨箱為研究對象，利用HyperMesh對現狀態自卸車貨箱進行了兩個典型工況的結構強度分析;在此基礎上本文將貨箱材料替換為高強度鋼，以貨箱各零部件厚度作為設計變量，以材料許用應力為約束條件，貨箱質量最小為設計目標，在OptiStruct中進行尺寸優化分析并確定輕量化設計方案;最后再次利用HyperMesh對輕量化方案進行結構強度分析。結果顯示優化后貨箱結構強度得到一定提升，輕量化設計貨箱質量降低了20.7%，成本降低387元，輕量化效果顯著。

關鍵詞：自卸車貨箱;結構強度;輕量化;尺寸優化

中圖分類號：U463.84

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0042-05

Structural strength analysis and lightweight design of dumper box

LI Shi-jin

（ FAW hongta yunnan automobile manufacturing Co.， LTD.， Qu jing 655000 China ）

Abstract： In order to reduce the quality， fuel consumption and improve the transportation?efficiency of dump truck， the HyperMesh has been used to analyze the structure?strength of the container of a dump truck under two typical working conditions. On?this basis， the container material was replaced with high-strength steel， and the thickness of?each component of the container was taken as the design variable， the allowable stress of the material?was taken as the constraint condition， and the minimum weight of the container was?taken as the design objective. Finally， HyperMesh was used to analyze the structural strength?of the lightweight scheme， and the results showed that the structural strength of the optimized container?was improved to some extent. After light weight design， the quality of the container?has been reduced by 20.7%， and the cost has been reduced by￥387，?light weight effect is significant.

Key Words： dumper box ; structural strength; lightweight; size optimization

李石金

畢業于西南林業大學，本科學歷就職于一汽紅塔云南汽車制造有限公司產品研發部任CAE工程師曾獲設計類計算機軟件著作權一項。

前言

隨著科學技術的快速發展，人們的環保意識逐漸增強，“節能減排”的問題越來越受到人們的重視。有關試驗資料表明，車輛減輕自身質量10%，可降低油耗6%～8%"。對載貨汽車來說，減輕自身質量還提高了有效載重質量，即增加質量利用系數，從而提高運輸效率，降低運輸成本，這相對來說也是降低燃油費用。因此，在保證汽車的整體強度和使用可靠性的前提下，汽車輕量化是達到節能減排的重要途徑之一。貨箱作為自卸車上體積最大的部件，它的輕量化可為整車輕量化做出突出貢獻。

本文以某自卸車貨箱為研究對象，利用HyperMesh首先對現狀態貨箱進行結構強度分析，再在此基礎上進行優化分析并對分析結果進行圓整確定貨箱優化方案，通過利用HyperMesh對優化后貨箱進行結構強度分析驗證，結果顯示輕量化方案貨箱不僅結構強度得到一定提升，而且輕量化效果顯著。

2現狀態貨箱強度/剛度分析

2.1分析模型

某自卸車樣車貨箱UG三維結構模型如圖1所示，主要由前圍、側圍、后圍、地板等組成，其結構尺寸長x寬x高為4350mmx2200mmx1200mm，貨箱材料均為Q235，屈服強度為235MPa，彈性模量E=2.1x10'Mpa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8g/cm'，貨箱質量為1077kg，承載25000kg。

考慮貨箱結構及載荷的對稱性，為提高解算效率，故通過截取貨箱的一半進行分析B。利用UG軟件將貨箱模型截取一半并導人有限元前處理軟件Hypermesh中抽取中面，然后進行幾何清理，去除不重要的圓角、倒角，并建立如圖2所示的有限元模型。其中貨箱主體采用殼單元進行離散，單元形態以Quad4單元為主，少量Tria3單元，單元尺寸大小設為10mm;;焊縫采用SEAM單元模擬，螺栓采用RB2進行剛性連接，最終整個貨箱模型被離散為653428個單元，其中三角形單元2569個，約占單元總數的0.4%。

2.2邊界條件

根據自卸車用途，主要對貨箱兩個典型工況進行分析，即運輸過程滿載工況、舉升時的卸載工況，其約束及加載方式如下：

（1）約束：滿載工況約束貨箱與車架連接處.X、Y、Z方向移動自由度，卸載工況約束除貨箱與車架連接處Y方向扭轉之外的其余5個自由度及貨箱與舉升油缸連接處的六個安裝孔Z方向位移。

（2）加載：將貨物對貨箱的作用力簡化為貨箱內表面的線性壓強，其中貨物對地板作用力簡化為靜水壓力，貨物對前圍、側圍、后圍的壓力依據朗肯土壓力理論計算，計算模型如下：

①貨物對地板壓力：P1=ρgh，式中ρ為貨物密度，取1.826x10't/mm'，g為重力加速度，取9.8m/s'，h為貨箱側板頂部到底板內表面的距離為1200mm。

②貨物對前圍、側圍、后圍的壓力：P2=P0x.tan2（45-號），式中p0=ρgh1，h1為貨箱側板頂部到側板上某點距離，φ為貨物的安息角，取40。

按照以上模型建立以Z方向為變量的壓強函數，施加在貨箱內表面。

2.3分析結果

2.3.1滿載工況

1）位移分布云圖

在滿載工況下貨箱各個部分的位移云圖如圖3所示，其中前圍的最大位移為2.6mm，集中在前圍板中部;側圍的最大位移為7.3mm，位于側圍中部;后圍的最大位移為17.8mm，集中在后圍中部;地板的最大位移為4.7mm，集中在地板中部。

2）應力分布云圖

滿載工況下貨箱各部分的Mises應力云圖如圖4所示，前圍的最大應力為：

156.3MPa，主要集中在貨箱與地板連接處;側圍的最大應力為337.3MPa，主要分布在兩側以及側圍與地板連接處;后圍的最大應力為485.9MPa，主要集.中在后圍與側圍連接部分;地板的最大應力為308MPa，主要集中在地板中部橫梁與縱梁連接部位。

2.3.2卸載工況

1）位移分布云圖.

在卸載L況下，貨箱各部分位移分布如圖5所示，前圍的最大位移為25mm，位于前圍中部;側圍的最大位移為73mm，位于側圍中部;后圍的最大位移為17.8mm，位于后圍中部;地板的最大位移為5.3mm，位于地板中部。

2）應力分布云圖

卸載工況下，貨箱各部分的Mises應力云圖如圖6所示，前圍的最大應力為154.1MPa，集中分布在前圍中下部;側圍的最大應力為337MPa，主要分布在鉸鏈的連接部位;后圍的最大應力為485.9MPa，主要集中分布在側圍與后圍的連接處加強板;地板的最大應力為405.3MPa，集中分布在地板中部。

由上述分析結果可知，該貨箱在滿載及卸載兩個工況下，側圍、后圍和地板三部分的局部最大應力均大于Q235材料的屈服強度，不滿足強度要求，可靠性及耐久性差。為提高貨箱結構強度及實現貨箱輕量化，需對該貨箱進行輕量化設計。

3輕量化設計

汽車輕量化實施途徑主要從采用高強度輕量化材料，進行結構優化，運用輕量化制造工藝三方面來實現輕量化”。目前對于卡車主機廠最快捷的方式為采用高強度材料及結構優化，故本文對貨箱輕量化采取方式為材料替換及結構優化。

（1）材料替換

將貨箱材料全部替換為P700XT，材料屈服強度為700MPa，彈性模量E=2.12x105Mpa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.9g/cm3。

（2）結構優化

結構優化方法目前主要分為尺寸優化、形狀優化、拓撲優化三種。本文在不改變貨箱零部件形狀及結構的前提下利用OPTISTRUCT求解器以貨箱各部件厚度為設計變量，以各部件VonMises應力低于材料許用應力500MPa為約束條件，以質量最小為優化目標對貨箱進行尺寸優化。

優化分析完成后，貨箱各個部件的厚度均發生了變化，其分析結果如圖7所示。

針對優化分析結果，對各部件的厚度進行圓整后結果如表1所示，經過優化后貨箱質量由1077kg降至854kg，減少20.7%，成本降低387元。

4輕量化方案結構強度分析驗證

按照圓整后貨箱各部分零件厚度重新調整模型后，進行貨箱結構強度分析，驗證貨箱輕量化方案的可行性。

4.1滿載工況

1）滿載工況位移分布云圖

優化后貨箱在滿載工況下各部分的位移云圖如圖8所示，前圍的最大位移為1mm，側圍的最大位移為6.2mm，后圍的最大位移為11.7mm，地板的最大位移為2.9mm，均滿足剛度變形要求。

2）滿載工況應力分布云圖

優化后貨箱在滿載工況下各部分的Mises應力分布云圖如圖9所示，前圍的最大應力為68.7MPa，側圍的最大應力為257.3MPa，后圍的最大應力為：

473.1MPa，地板的最大應力為272.6MPa，均小于材料許用應力500MPa，滿足強度要求。

4.2卸載工況

1）卸載工況位移分布云圖

優化后貨箱在卸載工況下各部分的位移云圖如圖10所示，前圍的最大位移是0.9mm，側圍的最.大位移是6.2mm，后圍的最大位移是11.7mm，地板的最大位移是3.6mm，均滿足剛度變形要求。

2）卸載工況應力分布云圖

優化后貨箱在卸載工況下各部分的Mises應力分布如圖11所示，其中前圍的最大應力為67.6MPa，側圍的最大應力為329MPa，后圍的最大應力為473.2MPa，地板的最大應力為360.1MPa，也均小于材料許用應力500MPa，滿足強度要求。

將貨箱優化前后在滿載工況及卸載工況下的分析結果分別匯總如表2、表3所示，由結果可知優化后貨箱各面板位移均降低，最大應力下降，結構強度得到一定提升。

為進一步驗證貨箱輕量化方案可行性，按輕量化方案制作貨箱裝車后，加載25000kg進行10000km可靠性道路試驗及3000次舉升試驗，在試驗過程中未出現任何問題。截至目前，按該輕量化方案執行的自卸車累計銷售3000余臺，經過市場售后跟蹤，該輕量化貨箱結構安全可靠，未出現任何問題。

5結論

本文以某自卸車樣車貨箱為研究對象，利用HyperMesh對貨箱滿載及卸載兩個典型工況進行結構強度分析，并在此基礎上通過采用高強度鋼材料借助OptiStruct軟件對貨箱進行輕量化設計后，貨箱質量在原來基礎上降低20.7%，成本降低387元，結構強度得到一定提升，輕量化效果顯著。

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康明：

本文利用HyperMesh對現狀態自卸車貨箱進行了結構強度分析，并在此基礎上通過更換貨箱材料，以貨箱各部件厚度作為設計變量，以材料許用應力為約束條件，以貨箱質量最小為設計目標，利用OptiStruct和HyperMesh進行優化設計及結構強度分析。結果顯示優化后貨箱結構強度得到一定提升，實現貨箱輕量化和降成本雙重效果，具有很強的實用性和科學性。