某商用車貨柜輕量化仿真優化研究

楊新超

（江西江鈴專用車輛廠有限公司 產品技術部，江西 南昌 330001）

引言

隨著國家經濟飛速發展，商用車銷量得到迅猛增長，由于其經濟性和便利性，已經成為運輸貨物的必然選擇[1]。與此同時，隨著國六排放法規和雙積分管理辦法等政策的陸續出臺，國家對于汽車行業提出了更高更嚴的要求，汽車企業技術升級已不可避免。而在此背景下，汽車輕量化設計成為全行業競爭高地和重要發展方向。汽車輕量化技術，旨在保證汽車的強度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能地減輕整備質量，進而提高汽車工作性能，實現低碳綠色環保可持續發展。貨柜系統，是商用車核心承載部件，其重量占整車比高達30%以上[2-3]，因此，研究商用車貨柜輕量化方案具有重要的經濟和社會價值。

本文基于有限元法，采用 Nastran軟件，對某商用車基礎普鋼貨柜、高強鋼貨柜和復合材料貨柜三種上裝方案進行了CAE剛度和強度分析，對比結果顯示，高強鋼貨柜和復合材料貨柜性能較基礎方案結構強度性能得到提升，重量較基礎普鋼貨柜減輕達到190 kg和305 kg，輕量化效果顯著。

1 高強鋼貨柜輕量化CAE分析

本文對某高強鋼貨柜進行了CAE剛度和強度分析，貨柜尺寸為長度4 080 mm、寬度為2 300 mm、高度為2 100 mm，基于普鋼貨柜基礎上，減少立柱數量和加強板的數量及厚度，其材料由Q235提升至高強鋼HQ60，對應的材料屈服強度由235 MPa增大至600 MPa。CAE分析邊界條件如圖1，約束車架與貨柜安裝點的全自由度，在前圍板、側圍板和頂蓋中心施加1 m乘以1 m的1 000 N面力，強度工況加載為3.5 g的Z向靜力場，底板均勻施加5 T貨物質量。

圖1 貨柜CAE分析約束邊界條件示意圖

本文按照上述工況，對基礎貨柜和高強鋼貨柜進行了剛度和強度對比分析，得到圖2和圖3分析結果，基礎貨柜前圍板最大位移為6 mm，頂蓋位移為7.1 mm，側圍板最大位移為7.5 mm，底板框架最大應力為1 333 MPa，而高強鋼貨柜前圍板最大位移為6.6 mm，頂蓋位移為7.7 mm，側圍板為7.9 mm，底板框架最大應力為1 210 MPa。

圖2 基礎普鋼貨柜CAE分析結果

圖3 高強鋼貨柜CAE分析結果

表1 為基礎普鋼貨柜和高強鋼貨柜CAE剛度和強度分析結果對比表，可以得出，貨柜變形量有增加，但小于10 mm目標值，最大應力較基礎貨柜有下降，滿足設計要求，輕量化效果顯著。

表1 高強鋼貨柜CAE分析結果對比表

2 復合材料貨柜輕量化CAE分析

本文采用 Nastran軟件，對某商用車輕量化復合材料貨柜進行了CAE剛度和強度分析，貨柜尺寸為長度4 080 mm、寬度為2 300 mm、高度為2 100 mm，貨柜面板材料為含玻璃纖維塑料，其彈性模量E為1.3 E4 MPa，骨架材料為Q235，有限元模型如圖4所示。剛度分析邊界條件為約束車架與貨柜安裝點的全自由度，在前圍板、側圍板和頂蓋中心區域施加1 m乘以1 m的1 000 N面力，強度工況加載為3.5 g的Z向靜力場，底板均勻施加5 T貨物質量。

圖4 復合材料貨柜

本文按照上述工況，得到圖5的CAE分析結果，側圍最大位移為2.1 mm，頂蓋最大位移為3.1 mm，側圍板最大位移為2.9 mm，強度工況最大應力315 MPa，匯總對比結果如表 所示，由表可知，剛度和強度性能較基礎貨柜得到大幅改善，且貨柜重量由840 kg減輕至535 kg，輕量化效果顯著。

圖5 復合材料貨柜剛度和強度分析結果

表2 復合材料貨柜剛度和強度CAE分析結果對比表

3 結論

本文基于有限元法，對某商用車基礎普鋼貨柜、高強鋼貨柜和復合材料貨柜三種上裝方案進行了 CAE剛度和強度分析，對比結果顯示：

高強鋼貨柜和復合材料貨柜性能較基礎方案結構強度性能得到提升。

相較于基礎普鋼貨柜，高強鋼貨柜和復合材料貨柜減輕達到190 kg和305 kg，輕量化效果顯著。