重型自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)分析與輕量化

張凱，陳韜，伍麗娜

（1.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056；2.漢陽(yáng)專用汽車(chē)研究所，湖北 武漢 430056）

前言

近些年城市建設(shè)飛速發(fā)展，我國(guó)的基建投資保持著中速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，自卸車(chē)作為城市建設(shè)中的主力車(chē)型其市場(chǎng)銷量持續(xù)增長(zhǎng)。自卸車(chē)被行業(yè)內(nèi)普遍看好的環(huán)境，各大廠商為了能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必需要對(duì)自卸車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行不斷的地升級(jí)換代。隨著國(guó)家在節(jié)能環(huán)保相關(guān)政策的推進(jìn)與落實(shí)，市場(chǎng)認(rèn)識(shí)到輕量化是汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展方向，如何對(duì)自卸車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以減輕其整備質(zhì)量、提高裝載量，從而降低油耗，已經(jīng)成為各改裝廠企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要研究方向之一[1,2]。本文對(duì)某款重型自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，校核底板結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析，以達(dá)到輕量化目的。

1 自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)

圖1所示為市場(chǎng)某款重型自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)模型，該自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)為4縱梁結(jié)構(gòu)，主要由底板大板和筋骨折彎件焊接組成，底板尺寸7400*2300mm，底板大板材料選用NM450，筋骨材料選用LG700XL，材料性能參數(shù)如表1所示。該自卸車(chē)設(shè)計(jì)最大承載質(zhì)量 70t，運(yùn)輸介質(zhì)為砂石，運(yùn)輸工況為公路運(yùn)輸，作業(yè)環(huán)境為局部小坑洼地段。

圖1 自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)模型

表1 材料性能參數(shù)表

2 底板結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型

自卸車(chē)車(chē)廂滿載貨物傾倒初始時(shí)刻是車(chē)廂結(jié)構(gòu)最為嚴(yán)重的受力工況，此時(shí)整個(gè)車(chē)廂被舉起，車(chē)廂底部縱梁與副車(chē)架分離，車(chē)廂由舉升油缸支座和車(chē)廂底部?jī)A翻座支撐。車(chē)廂底板由于貨物作用會(huì)發(fā)一定的變形，底板縱橫梁交錯(cuò)焊接位置為高應(yīng)力區(qū)域，從終端客戶反映的使用情況發(fā)現(xiàn)，部分車(chē)廂該位置會(huì)產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，結(jié)合車(chē)廂結(jié)構(gòu)和使用情況分析可知，主要原因是車(chē)廂底板結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度不足。本文將利用有限元方法對(duì)車(chē)廂底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行舉升工況分析與優(yōu)化，以提高車(chē)廂結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度并最大化實(shí)現(xiàn)輕量化[3]。

底板結(jié)構(gòu)主要由底板大板和折彎件焊接組成，都是薄壁件，有限元分析時(shí)采用殼單元進(jìn)行模型，單元類型主要選用四邊形單元，底板結(jié)構(gòu)有限元模型單元總數(shù)為397336個(gè)，其中三角形占比為0.57%，未超過(guò)5%，符合一般工程結(jié)構(gòu)分析有限元建模規(guī)范。

2.2 邊界條件及載荷

本文分析只針對(duì)底板結(jié)構(gòu)，有限元分析時(shí)約束底板與側(cè)板、前板交接處節(jié)點(diǎn)的豎直方向自由度（圖中紅色高亮區(qū)域），后傾翻座支撐底板后端，分析時(shí)約束傾翻座5個(gè)自由度、釋放橫向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（圖中黑色區(qū)域）。考慮底板自重，利用壓強(qiáng)載荷模擬貨物載重，壓強(qiáng)大小為：

式中：p底板為底板壓強(qiáng)；G為貨物載重；S為底板上表面面積。

圖2 底板結(jié)構(gòu)邊界條件示意圖

2.3 分析結(jié)果

對(duì)自卸車(chē)底板進(jìn)行邊界條件及載荷施加，分析舉升工況下底板結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度性能，分析結(jié)果如下：

1）圖3顯示底板結(jié)構(gòu)最大變形為30.4mm，位于底板中間處（為便于觀察變形趨勢(shì)，云圖中變形放大5倍，具體變形值沒(méi)有增大）；

圖3 底板結(jié)構(gòu)變形云圖

2）圖4顯示底板結(jié)構(gòu)中部縱橫梁交接位置區(qū)域（云圖中黑色區(qū)域）最大等效應(yīng)超過(guò)了材料許用應(yīng)力。從分析結(jié)果來(lái)看，底板結(jié)構(gòu)在該工況下存在一定的屈服失效風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖4 底板結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

3 底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)定

本文將通過(guò)尺寸優(yōu)化方法對(duì)廂體各結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到輕量化目的。自卸車(chē)車(chē)廂底板的輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題為優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，其數(shù)學(xué)模型可以定義為：

式中s.t表示約束條件，x為變量，f（x）為目標(biāo)函數(shù)，minf（x）表示目標(biāo)函數(shù)取最小值。

基于上述優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化三要素如下：

1）優(yōu)化變量：部件板厚。

2）優(yōu)化約束：底板最大變形不超過(guò)20mm、高應(yīng)力區(qū)域減小且應(yīng)力滿足強(qiáng)度條件。

3）優(yōu)化目標(biāo)：質(zhì)量最小化。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后各部件厚度如表2所示，對(duì)部件板厚取整后再次進(jìn)行仿真分析。

圖5-7顯示為優(yōu)化后底板結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力云圖，分析結(jié)果如下：

1）圖5顯示底板結(jié)構(gòu)最大變形為19.1mm，相比原結(jié)構(gòu)變形30.4mm減小了37.2%。

表2 優(yōu)化后底板結(jié)構(gòu)部件厚度

2）圖6-7顯示底板結(jié)構(gòu)部分區(qū)域（云圖中黑色區(qū)域）最大等效應(yīng)超過(guò)了許用應(yīng)力。相比原底板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域要小得多，只有極少量單元超過(guò)材料許用應(yīng)力，對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能影響較小，符合設(shè)計(jì)要求。

3）原底板總成重2074kg，優(yōu)化后底板總成2007kg，重量減輕67kg。

圖5 優(yōu)化后底板變形云圖

圖6 優(yōu)化后底板應(yīng)力云圖

圖7 原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限元方法對(duì)重型自卸車(chē)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與優(yōu)化，結(jié)果表明：原底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定屈服失效風(fēng)險(xiǎn)，不能滿足舉升工況作業(yè)要求；優(yōu)化后的車(chē)廂底板結(jié)構(gòu)變形減小37.2%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，底板總成減重67kg。通過(guò)仿真技術(shù)及優(yōu)化方法能夠有效地為底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。