重載礦用自卸車車廂輕量化耐久技術應用

趙陽，顧林豪，張巖，劉旭明，李彬周，董現春

(1.鞍鋼集團北京研究院，北京 102211；2.鞍鋼集團北京研究院高性能計算中心，北京 102211；3.首鋼集團有限公司技術研究院，北京 100043)

21世紀以來，中國經濟對礦產資源的強勁需求促進了礦山行業的結構調整，大中型礦山占比逐年增長。在大中型礦山開采過程中，使用大噸位的礦用自卸車可以顯著降低開采成本[1]。重型礦用自卸車整車整備質量占比中車廂的占比水平在15%～25%，目前，國內礦用自卸車車廂制造材料仍以普通結構鋼Q235鋼板為主，少量部位使用低合金結構鋼Q345鋼板，與國際輕量化先進水平存在較大差距。

跟隨有限元仿真軟件發展的潮流，中國多位學者對礦用自卸車車廂的有限元分析進行了研究。馬洪鋒等[2]采用ADAMS 對礦用自卸車車廂進行了結構設計和仿真分析；余振偉等[3]采用ANSYS三維實體單元對自卸車車廂進行了多工況受力分析；董志明等[4]采用Workbench殼-實體混合單元對自卸車車廂進行了多工況受力分析；石金鵬等[5]采用APDL語言對SGA3723礦用汽車貨箱進行了輕量化設計。

近3年來，礦用自卸車車廂的研究逐漸分化為兩種模式：HyperWorks模式[6-8]，Workbench模式[9-10]。其中HyperWorks模式主要集中在高等院校，其特點是將乘用車領用的HyperWorks研究模式應用于礦用自卸車領域，但是該模式對研究人員要求較高，難以快速推廣。而Workbench模式主要集中在鋼鐵企業中，該模式具有技術難度低，易推廣的特點，但是仿真精度不如HyperWorks模式。現開發一種基于Workbench模式的混合單元參數化有限元建模分析技術，降低參數化尋優技術在礦用自卸車車廂研究中的應用門檻，為廣大礦用自卸車生產企業提供一種科學有效的輕量化方法，促進高強鋼板在中國重載礦用自卸車車廂上的推廣和使用。

1 混合單元參數化尋優技術

1.1 礦用自卸車車廂仿真的技術特點

在有限元結構仿真分析時選用不同的單元類型可以獲得不同的計算精度和不同的計算效率，研究表明自卸車車廂采用殼單元和實體單元混合建模方式，可以獲得最優的計算精度和計算效率[11-12]。但是，單元的混用會對模型參數在建模軟件與仿真軟件之間的傳遞產生影響，此時已經無法通過軟件間的參數傳遞協議完成混用單元的參數化傳遞工作[13-14]，需要APDL語言[15]HyperMesh、Optistruct[16]等專業化操作甚至Python[17]語言的編程二次開發操作才能實現參數化傳遞與尋優分析，由于技術門檻較高，因此該技術一般用于乘用車技術開發或者高校的學術研究中，且存在日漸復雜化的趨勢。

礦用自卸車是一種特殊的商用車，由于其結構特殊，與常規自卸車車廂不通用，礦用自卸車車廂的研究者多集中在礦車制造公司，此類公司普遍采用行業通用的SolidWorks作為三維繪圖工具，員工的有限元分析能力與高等院校和乘用車生產企業有著較大的差距。礦用自卸車車廂輕量化研究人員對輕量化技術的要求是簡單高效易于操作，因此經驗法和試錯法仍是其主流研究方法，由此造成研發周期長、誤差大，嚴重阻礙了高強鋼板在中國礦用自卸車車廂上的推廣和使用。

結合礦用自卸車車廂輕量化工作的研究者的技術現狀，提出了一種適合礦用自卸車車廂的低門檻的參數化尋優技術，方便尋優技術在礦用自卸車車廂生產企業中快速推廣，并應用于某150 t重載礦用自卸車車廂輕量化生產中，使用Q690D和NM450完成了車廂輕量化設計和生產，優化后的車廂已完成兩年以上的上路檢驗，為企業創造了巨大的經濟效益。

1.2 混合單元參數化技術的實現

從學習成本角度出發，礦用自卸車科研工作者所需要的參數尋優技術必須兼顧其所熟悉的SolidWorks繪圖工具，以避免二次學習成本和二次建模成本的產生，對比多款仿真軟件，最終選擇了操作簡單、易于上手的Workbench作為后續仿真分析及尋優軟件，但是二者間的參數化傳遞，尤其是混合單元的參數化傳遞是需要攻克的技術難點。

在進行混合單元參數化傳遞時，首先通過SolidWorks的建模優化，將模型分為需要殼單元網格劃分的子模型1和需要實體單元網格劃分的子模型2，針對子模型1采用生產企業現有的三維模型在SolidWorks中進行抽取中面操作，獲取殼單元所需的曲面結構；針對子模型2，由于關鍵承載件多是有鋼板折彎焊接而成，采用生產企業現有的三維模型在SolidWorks中進行實體模型簡化，還原為鋼板結構并抽取中面，獲得通過拉伸即可生成實體的曲面結構[18]。

將上述模型導入到Workbench的直接建模工具Spaceclaim中，對子模型1所對應的曲面結構進行如圖1所示的分組和參數化賦予，對子模型2對應的曲面結構進行如圖2所示的進行拉伸操作生成參數化實體，并完成參數化工作。

圖1 子模型1殼單元參數化流程

圖2 子模型2殼單元參數化流程

如圖3所示，將完成參數化后的子模型1和子模型2合并保存導入到Workbench中，即可完成參數化傳遞工作，通過子模型的方式解決了殼單元和實體單元同時參數化建模難度大的問題[16]。然后通過Workbench的Design Exploration模塊進行參數化尋優。即可完成基于混合單元參數化的重載礦用自卸車車廂結構耐久研究流程搭建工作。該技術中所有操作均為軟件基本操作，盡可能地降低了礦用自卸車車廂的參數化尋優技術門檻。便于在礦用自卸車車廂生產企業中快速推廣。

2 混合單元參數化尋優技術的應用

2.1 混合單元參數化模型應用

以某150 t重載礦用自卸車車廂為例，預期采用先進的高強鋼(NM450和Q690D)代替普通的結構鋼(Q235)，首先獲得礦山公司提供三維SolidWorks模型，然后按照圖3所述的基于混合單元的參數化傳遞方法，對于車廂板等寬厚比較大的部件，采用殼單元進行參數化建模；對于車廂底部如鉸接支座等結構復雜且承受較大縱向壓力的關鍵承載件，采用實體單元進行參數化建模；通過SolidWorks操作將模型分為子模型1和子模型2，并按照圖3所述流程完成參數化傳遞到有限元分析軟件Workbench中。完成后的有限元模型。具體如圖4所示，模型共包括39 959個殼單元(37 467個節點)和5 868個實體單元(29 188個節點)。

圖3 基于混合單元參數化尋優流程

圖4 某150 t重載礦用自卸車車廂參數化示意圖

2.2 原車廂應力評估

礦用自卸車車廂輕量化分析前，需要確定原車廂在不同工況下的受力情況，此處采用4種常用工況作為評判依據，分析結果如圖5所示。

圖5 原車廂四種工況應力評估

工況1：極限滿載工況，考慮重型自卸礦車裝載貨物為大塊礦石，在縱梁間的幾個局部區域添加150 t載荷，前后懸架位置為固定約束，對整車施加標準重力Standard Earth Gravity。車廂最大應力46.28 MPa位于兩側下縱梁前部。

工況2：極限滿載彎扭復合工況，模擬左前輪懸空的工況，在此情況下，右前懸掛與后部懸掛采用固定約束，限制其x、y、z3個方向的自由度。車廂最大應力89.768 MPa位于右下縱梁前部。

工況3：滿載啟動工況，分析滿載啟動時車廂中所載貨物對車廂整體的受力影響。此處采用0.3 m/s2的啟動加速度，為表征貨物在啟動加速度下對車廂的沖擊力，采用Point Mass的形式添加載荷，使其與車廂底部受力位置相連接，變形行為為Deformable。車廂最大應力102.28 MPa位于右下縱梁前部。

工況4：滿載制動工況，分析滿載剎車時車廂中所載貨物對車廂整體尤其是前車廂板的受力影響。此處采用0.3 m/s2的制動加速度，其余工況與滿載啟動一致，車廂最大應力207.32 MPa位于右下縱梁前部。

由分析結果可知，不同工況下，最大應力出現在下縱梁前部，這是由于礦用自卸車車廂裝載貨物特性以及自卸車車廂結構有關，原設計采用Q235作為車廂材料，其屈服強度為250 MPa，按照1.5的安全系數折算，許用應力為167 MPa，可知在工況1～工況3的情況下，結構有足夠的安全余量，但是在工況4的情況下，結構設計安全余量不足。

2.3 參數化尋優及安全校核

為了采用先進的高強鋼(NM450和Q690D)代替普通的結構鋼(Q235)完成輕量化設計，需要對前板等5個部位進行參數化尋優，首先將材料設定為Q690D，然后通過Workbench設定兩個尋優目標，分別為工況4的最大應力和車廂總重，通過Direct Optimization模塊設定尋優目標1為：應力最大值不大于300 MPa；尋優目標2為車廂總重最小，即可選用Adaptive Multiple-Objective模式進行尋優，均為基本操作，簡單易行。設計變量初始選取范圍及尋優圓整后的結果如表1所示。

表1 尋優及參數圓整

將尋優圓整后的結果參數代入4種工況進行受力分析，其受力云圖分別如圖6所示。

圖6 輕量化車廂四種工況應力評估

由圖6可知：4種工況的最大應力分別為：60.147、129.61、134.4和305.15 MPa。通常尋優后的最優解各部位鋼板厚度不為整數，無法直接用于生產，圓整后結果非最優解，因此會出現工況四的最大應力略超尋優目標的情況，此為參數化尋優的正常情況。由于輕量化后的鋼板選材為Q690D和NM450，其中Q690D的屈服強度為700 MPa，NM450的屈服強度為1 100 MPa，選取2.0的安全系數時，Q690D和NM450的許用應力分別為350 MPa和550 MPa，4種工況的最大應力均處于安全范圍內。

2.4 基于6 sigma的結構耐久研究

礦用自卸車車廂有限元模型是車廂結構的理想狀態。在實際生產過程中，存在鋼板厚度波動、板形不良、焊縫局部軟化、焊縫不完全對齊等多種影響因素，在實際使用過程中，亦存在結構局部變形、車廂鋼板磨損減薄等影響因素，在礦用自卸車車廂設計時必須考慮這些影響因素。尤其是車廂鋼板磨損后結構剛度下降情況下的使用安全性問題，方可提高輕量化設計的安全系數和結構的耐用性。

將Workbench的基于6 sigma統計評估法的可靠性分析方法引入到重型自卸礦車車廂的應力分析中，利用6 sigma分析模塊參數化模型厚度波動來表征車廂鋼板磨損后的最大應力情況，由于其他因素與車廂鋼板磨損的影響效果類似，因此通過放大車廂鋼板磨損量，即可模擬其他影響因素對車廂結構最大應力的影響，應力最大的工況4為例，未采用該方法以輕量化后車廂最大應力為305.15 MPa，設定前板等5個部位厚度值的5%的作為參數化波動，如圖7所示，此時最大應力符合均值為305.81 MPa，標準差13.062 MPa的正泰分布式，在最極端的情況下，最大應力仍小于350 MPa，滿足Q690D的2倍安全系數要求，整車輕量化設計安全可靠。

圖7 滿載制動工況6 sigma分析結果

前板厚度與最大應力的關系圖如圖8所示，可以看出對于前板12 mm為應力最小值，也驗證了參數化尋優結果的正確性。

圖8 前板厚度波動與最大應力關系圖

3 重型自卸礦車車廂的制造工作

3.1 下料和冷成型

輕量化車廂生產的第一步是根據圖紙進行鋼板下料，下料采用等離子切割設備，保證原料鋼板尺寸的精度。鋼板下料完成后利用折彎機進行冷成型，加強筋通過折彎機彎曲成所需形狀，加強筋主要以“U”字形為主。

3.2 焊接制造

下料和冷成型完成后，進行車廂的焊接制造。輕量化車廂為全焊接結構，焊接制造是生產過程中重要組成部分，第一階段進行底板和側板加強筋的焊接，以及半車廂的組對焊接；第二階段進行總裝焊接。根據焊接工藝評定試驗結果，制定了輕量化車廂不同焊縫的焊接工藝規程和焊接規范。總裝焊接主要有4種不同的焊縫，分別為焊縫A、焊縫B、焊縫C和焊縫D，均為CO2氣體保護焊，具體焊接工藝如下焊后車廂如圖9所示。

圖9 輕量化車廂焊接制造圖

(1)焊縫A。底板縱焊縫預熱焊接，預熱溫度為120 ℃，層間溫度范圍為120～200 ℃。

(2)焊縫B。前擋板縱焊縫預熱，預熱溫度為120 ℃，層間溫度范圍為120～200 ℃。

(3)焊縫C。前擋板橫焊縫，搭接，不預熱，仰焊，層間溫度范圍為120～200 ℃。

(4)焊縫D。前擋板橫焊縫，搭接，不預熱，平焊，層間溫度范圍為120～200 ℃。

3.3 探傷

焊縫的液體滲透探傷(penetrant testing，PT)和超聲波探傷(ultrasonic testing，UT)是檢驗焊接接頭表面缺陷的主要方法。如圖10所示，為保證車廂結構安全，需要對車廂焊接的所有焊縫進行著色和超聲波探傷，檢查焊接接頭表面的缺陷情況，對出現缺陷的焊縫及時進行修復。通過探傷檢測，保證車廂的焊接接頭和焊縫在投入生產應用前不出現任何缺陷。

圖10 車廂焊縫PT探傷和UT探傷

4 重載自卸車車廂輕量化運營分析

輕量化后車廂已經投入某礦山使用2年，跟蹤數據表明原車廂自重27 t，輕量化車廂自重22 t，輕量化車廂減重5 t，車廂減重18.52%。

原車廂油耗均值為928.47 kg/(萬t·km)，輕量化車廂油耗均值為927.01 kg/(萬t·km)。單耗降低1.46 kg/(萬t·km)，降幅為0.16%。年節約柴油量為51 841.4 kg，年節約柴油經濟效益約26萬元。

跟蹤數據表明，原車廂板每萬噸物料平均磨損量為0.103 6 mm，輕量化車廂板每萬噸物料平均磨損量為0.056 mm。新車廂的磨損量相當于原車廂的54.05%，使用壽命為原車廂的2倍左右。

由于運營狀況良好，每月減少維檢費用2萬元，年經濟效益為24萬元。

5 結論

(1)開發了一種適合礦用自卸車車廂生產企業的低門檻參數化尋優技術。將需要參數化建模的殼單元和實體單元模型分成子模型1和子模型2，然后分別用不同的方法實現參數化建模，最后合并后實現參數化尋優，該方法極大的降低參數化尋優技術在礦用自卸車車廂研究中的應用門檻，為廣大礦用自卸車生產企業提供一種科學有效的輕量化方法，促進高強鋼板在中國礦用自卸車車廂上的推廣和使用。

(2)提出了一種基于6 sigma的結構耐久研究技術，針對車廂生產和使用過程中車廂板磨損等引起的結構剛度下降問題，從概率的角度定量化描述了車廂輕量化后的結構耐久安全問題，相較于疲勞分析技術，能更量化車廂板磨損后造成的結構剛度下降的影響，為礦用自卸車車廂輕量化提供了一種結構耐久分析的思路。

(3)利用混合單元參數化尋優技術對某150 t重載礦用自卸車車廂進行了輕量化尋優，使用Q690D和NM450完成了車廂輕量化設計和生產，經過兩年的客戶跟蹤車廂結構安全可靠，輕量化后車廂減重5 t(減重比18.52%)，單車年節約燃油和維檢費用約50萬元，車廂耐久壽命為原車廂的2倍左右。