純電環(huán)衛(wèi)車(chē)箱體輕量化的有限元分析方法研究★

張俊偉，張 沛，張 喆，郭海樂(lè)，龐 明

（鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 450000）

引言

近年來(lái)保潔類(lèi)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛，在改善環(huán)境、降溫除塵、綠化園林等方面發(fā)揮著重要作用[1]，并且在關(guān)鍵時(shí)刻還可作為緊急消防車(chē)使用。箱體作為承載介質(zhì)的唯一部件，可靠性可以視為它最重要的指標(biāo)。

輕量化設(shè)計(jì)對(duì)汽車(chē)行業(yè)，尤其對(duì)推動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有重要作用，在保證可靠性的同時(shí)具有降低整車(chē)質(zhì)量、提升續(xù)時(shí)里程的優(yōu)勢(shì)。

CAE分析技術(shù)作為近年來(lái)新興的研發(fā)技術(shù)。它基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行仿真分析，有效地解決了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在很大程度上方便了機(jī)械工程的實(shí)際施工操作，也進(jìn)一步提升了機(jī)械工程施工的效率和質(zhì)量[2]。通過(guò)將CAE技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)相結(jié)合，對(duì)提高企業(yè)開(kāi)發(fā)效率，降低驗(yàn)證周期與成本具有重要意義[3]。

1 創(chuàng)建箱體有限元仿真模型

1.1 三維模型建立

根據(jù)原始二維圖紙建立箱體的三維數(shù)模，箱體通過(guò)輔梁支撐并與車(chē)架連接，箱體內(nèi)部設(shè)置防波板。

1.2 建立有限元分析模型

箱體使用Q345-B材質(zhì)，具體參數(shù)如表1所示。箱體使用工況主要為顛簸沖擊工況，安全系數(shù)為1.1。因此型材許用應(yīng)力為314 MPa。本文首先對(duì)箱體進(jìn)行有限元網(wǎng)格模型建立，然后加載邊界條件和載荷對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，建立有限元分析模型（見(jiàn)圖1），其中箱體內(nèi)部水的質(zhì)量通過(guò)面壓力加載到筒體上。

圖1 箱體有限元模型

表1 材料參數(shù)表

1.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能評(píng)估

通過(guò)對(duì)模型的分析計(jì)算，得出其分析結(jié)果如表2所示。從結(jié)果看出水罐的最大應(yīng)力為335 MPa，此時(shí)安全系數(shù)僅有1.03，最大應(yīng)力位置處于防波板下部位置，輔梁正上方。此處安全系數(shù)低于設(shè)置的安全系數(shù)1.1，存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)圖2。

表2 分析結(jié)果表

圖2 應(yīng)力（MPa）結(jié)果云圖

1.4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證及原因分析

根據(jù)三維模型制作箱體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行道路可靠性驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在防波板處發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題，見(jiàn)下頁(yè)圖3。該位置處于墊板正上方，與有限元分析結(jié)果高度吻合。此處裂紋由下向上延伸，初步原因分析為在車(chē)輛顛簸時(shí)防波板向下擠壓，下方為墊板與縱梁，剛度較大，因此發(fā)生變形會(huì)從相對(duì)較弱的防波板開(kāi)始，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋。由此說(shuō)明該有限元分析方法準(zhǔn)確性較高。

圖3 箱體開(kāi)裂位置

2 箱體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中有前景、具有創(chuàng)新性的技術(shù)，是指在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的結(jié)構(gòu)。

依據(jù)上述分析結(jié)果，防波板存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題，且該結(jié)構(gòu)為整體沖壓成型，制造成本較高，重量較重，因此通過(guò)參考拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)比多種方案，最終確定改動(dòng)后防波板結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。此種防波板為拼焊件，分為立板與墊板，立板焊接在墊板上，然后墊板再與筒體焊接，該結(jié)構(gòu)不僅增加了防波板與筒體的接觸面積，同時(shí)降低了加工成本。在材料厚度方面也由原來(lái)的4 mm厚鋼板改為3 mm鋼板，質(zhì)量減小40 kg，對(duì)整車(chē)輕量化提供了較大支撐作用，見(jiàn)圖5。

圖4 優(yōu)化流程

圖5 防波板結(jié)構(gòu)

3 輕量化箱體強(qiáng)度分析結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真分析，結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可以看出此時(shí)最大應(yīng)力為241 MPa，安全系數(shù)達(dá)到1.4。應(yīng)力降低94 MPa，降幅28%。經(jīng)過(guò)對(duì)新結(jié)構(gòu)的實(shí)車(chē)可靠性驗(yàn)證后箱體無(wú)開(kāi)裂漏水問(wèn)題。說(shuō)明該結(jié)構(gòu)具有更好的可靠性，見(jiàn)圖6。

表3 分析結(jié)果表

圖6 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（MPa）云圖

4 結(jié)論

本文以16 t純電環(huán)衛(wèi)車(chē)箱體為研究對(duì)象，通過(guò)創(chuàng)建有限元分析模型，為純電環(huán)衛(wèi)車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)提供了一條可行的途徑，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，在解決箱體開(kāi)裂問(wèn)題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降重40 kg，對(duì)整車(chē)輕量化提供了較大的支撐作用。