某寬體自卸車駕駛室白車身的仿真分析

肖揚國 張召春 唐 笑

(三一重工股份有限公司 車身研究所，湖南 長沙 410100)

0 前言

寬體自卸車具有價格低、裝載量大、整車重心低、適應能力強、運輸效率高、盈利性好，以及投資回報快等特點。近年來，寬體自卸車作為露天礦山的一種新的物料運輸工具，得到了廣泛的推廣與應用，主要用于運輸露天礦山土石方剝離和運輸。寬體自卸車的主要目標市場為露天煤礦，次要目標市場為水電站等大型基建工程、有色金屬礦山，以及中小型鐵礦等[1]。

駕駛室作為寬體自卸車的非承載部件，其強度要求在車輛的設計過程中經常被忽視，但實際上駕駛室的固有頻率對駕乘人員的舒適性影響很大[2]。由于寬體自卸車的使用環境復雜多變，車輛承受著來自路面和裝載物品的各種復雜載荷作用，因此在駕駛室的設計開發中，需要足夠的強度和剛度使駕駛室部件的相對位置在行駛過程中不發生改變，并保證其可靠性和使用壽命[3]。如果駕駛室的剛度不足，容易激起駕駛室內的振動和噪聲，從而影響駕乘人員的乘坐舒適性和操縱穩定性；此外，振動的幅值和頻率也會使部分零件的壽命縮短，可靠性下降。駕駛室易受到非平整路面、發動機的燃燒振動等多個激勵源的激勵，從而發生受迫振動。當外界激勵與駕駛室固有頻率相近時，駕駛室會出現共振現象，產生令駕乘人員極度不舒適的噪聲和振動，影響駕乘人員的駕乘體驗。因此，駕駛室設計還需要考慮主激勵源工作頻率的影響。

1 強度分析

對某寬體自卸車駕駛室白車身進行了計算機輔助工程(CAE)有限元強度仿真分析。該白車身強度仿真模型的單元數為806 392，節點數為797 748，焊點采用ACM單元，膠粘類型為RBE3-HEXA-RBE3，約束駕駛室與懸架連接點，邊界載荷為車身硬點處載荷，采用慣性釋放法。白車身所用材料參數見表1。按照表2中9種典型工況(其中，g為重力加速度)進行加載并分別進行強度仿真分析。

表1 白車身使用材料參數

表2 寬體自卸車載荷工況

各工況下白車身的最大應力及位置見表3。通過計算求解，左轉彎、四輪垂跳、過坑沖擊、剎車右轉向等4種工況的最大應力主要集中在前圍右側橫梁下部支架焊接處(圖1(a)中位置1)；右轉彎、1g對角懸空、向前制動、反向制動、剎車左轉向等5種工況的最大應力主要集中在前圍左側鈑金與橫梁焊接處(圖1(b)中位置2)。

圖1 應力云圖

由表3可知：位置1處所用材料為Q235B低碳鋼，該材料的屈服強度為235 MPa，最大應力出現在四輪垂跳工況，為183.7 MPa，所用材料滿足強度要求；位置2處所用材料為DC04不銹鋼，該材料的屈服強度為150.0 MPa，最大應力出現在右轉彎工況，為148.3 MPa，僅比材料屈服強度小1.7 MPa，因此需要進行加強。鑒于材料成型性和材料成本的約束，建議不更改材料，采用增加加強板的方式進行補強。

表3 各工況最大應力及位置

2 剛度分析

白車身剛度仿真模型的單元數為725 219，節點數為713 829，焊點采用ACM單元，膠粘類型為RBE3-HEXA-RBE3，螺栓采用RBE2單元。在后懸置處及前懸置處施加約束，在前后懸置中點對應地板處分別施加向下10 000 N的Z軸向力，模擬計算白車身的彎曲剛度；在后懸置處施加約束，在前懸置處施加繞X軸5 000 N·m的力矩，模擬計算白車身的扭轉剛度。計算結果為：白車身的彎曲剛度為80 482.9 N/mm，遠大于目標值(20 000.0 N/mm)；白車身的扭轉剛度為60 975.6 N·m/(°)，大于目標值(50 000.0 N·m/(°))，滿足剛度要求。

3 一階自由模態分析

白車身一階自由模態仿真模型的單元數為663 300，節點數為 654 548，焊點采用ACM單元，膠粘類型為RBE3-HEXA-RBE3，螺栓采用RBE2單元，無約束、無載荷。白車身的一階自由模態分析如圖2所示。由圖2可知，白車身一階彎曲模態頻率為46.1 Hz，一階扭轉模態頻率為24.2 Hz。本文中駕駛室搭配6缸發動機，怠速為(600±50)r/min，怠速頻率為27.5～32.5 Hz。白車身一階彎曲模態頻率及一階扭轉模態頻率距離發動機怠速頻率區間均超過3.0 Hz，不會引起車身的低頻共振，滿足設計要求。

圖2 白車身一階自由模態

4 結論

本文以某寬體自卸車駕駛室白車身作為研究對象，針對9種典型使用工況，對駕駛室白車身的強度進行了仿真分析研究；同時，對白車身的剛度及一階自由模態進行了仿真分析。研究結論如下：

(1)通過CAE 分析發現，該駕駛室在左轉彎、四輪垂跳、過坑沖擊、剎車右轉向4種工況下的最大應力主要集中在前圍右側橫梁下部支架焊接處，其材料強度滿足要求；右轉彎、1g對角懸空、向前制動、反向制動、剎車左轉向5種工況下，最大應力主要集中在前圍左側鈑金與橫梁焊接處，且該處所受最大應力基本接近材料的屈服強度，需要進行優化改進以滿足強度要求。

(2)該駕駛室白車身的彎曲剛度和扭曲剛度相對目標值有較大余量，說明該駕駛室的結構設計可以很好地滿足駕駛室的剛度要求。

(3)該駕駛室白車身的一階彎曲模態頻率為46.1 Hz，一階扭轉模態頻率為24.2 Hz，均距離發動機怠速頻率區間超過3.0 Hz，滿足設計要求。