某輕卡欄板式貨箱邊板剛度分析及優化

王肖蘭，李 娜，王 瓊，龐云峰

0 引 言

欄板式貨車是指載貨部位的結構為欄板的載貨汽車[1]，其銷量約占商用車市場份額50%。貨箱是商用汽車的重要組成部分，是與整車同生命周期的總成部件，一般由貨箱底板、邊板、后板、前板、鉸鏈、欄板鎖閂及鎖緊裝置等構成，其中貨箱底板主要包括地板面板和骨架，骨架一般由地板邊框、橫梁和縱梁組合而成。貨箱安裝應牢固可靠，設計和制造上不應設置有加高、加長、加寬的結構或裝置[2]。貨箱具有支撐車的主體框架結構和裝載的作用[3]，其構件應保證在所能承受的載荷范圍內具有足夠強度和剛度。構件在載荷作用下，即使具有足夠強度，但若變形過大，仍不能正常工作[4]。剛度是構建基本性能要求之一，在正常或特定操作環境下須保持剛性滿足使用要求。

通過實車試驗可對貨箱性能進行有效觀察和分析，但需要大量人力、物力且持續時間長。隨著計算機科學發展，CAE(Computer Aided Engineering，計算機輔助工程)應用越來越廣泛，對縮短產品研發周期具有重要意義。

本文針對欄板式貨箱結構設計采用有限元分析法，通過CAE 仿真模擬可能出現的問題，并盡早予以解決，以節約研發成本，縮短研發周期。

以某輕卡欄板式貨箱邊板優化過程為例，對比仿真分析與試驗結果，通過仿真計算確定邊板剛度優化方案，滿足剛度目標要求。

1 結構設計要求

1.1 邊界條件

貨箱通過連接件（騎馬螺栓、騎馬螺栓壓板、限位拉板、固定連接支架、墊木或膠墊等）與車架相連，需保證各安裝點的強度牢固、安裝空間與間距合理，使貨箱與車架連接后無松動移位。

1.2 材料選擇

欄板式貨箱各部件材料以普通碳素鋼或高強度合金鋼為主，如采用木材、竹材、塑料、鋁合金等時，應保證結構強度和使用壽命滿足要求。

1.3 結構要求

貨箱總成設計應考慮模塊化，控制零部件新增數量，以最小數量滿足最大用戶需求。貨箱（自卸車、裝載質量1 000 kg以下貨車除外）前部應安裝比駕駛室高至少70 mm 的安全架，貨箱不應設計加長、加寬、加高的結構或裝置，載貨部分不應設計為伸縮結構、不應設置乘客座椅。

1.4 裝配可行性

設計中需滿足貨箱總成、附件及邊界零部件的裝配可行性與便捷性。

2 有限元建模

2.1 建模流程

有限元建模分為3個階段：前處理、計算求解和后處理[5]。

前處理是指根據對模型外形及網格要求的簡單數據描述，自動或半自動地生成離散模型的數據文件，并對生成的網格圖進行檢查和修改[6]。

計算求解是指由任一款有限元求解器完成網格計算。

后處理是指查看求解結果，常見的輸出結果包括位移、應變、應力以及加速度等[5]。

針對某輕卡欄板式貨箱總成的設計流程如圖1所示。

圖1 欄板式貨箱設計流程

2.2 模型搭建

貨箱幾何模型如圖2所示，據此建立各零部件間連接關系，貨箱標準載重為2 500 kg，通常根據經驗確定試驗工況的加載載荷為0.08 倍標準載重，即1 960 N。

圖2 欄板式貨箱幾何模型

利用HyperMesh 搭建有限元模型，其中所有薄壁類零件采用殼單元模擬，網格尺寸為10 mm，螺栓和銷軸采用RBE2+CBEAM 組合單元模擬，焊縫采用SEAM方式模擬，焊點采用SPOT方式模擬，欄板式貨箱與車架間的接觸采用GAP 單元處理，材料參數見表1。欄板式貨箱的有限元模型共324 814 個節點、443 012個單元，如圖3所示。

表1 材料參數

2.3 約束條件

欄板式貨箱的邊板為主要承載部件，也是剛度最薄弱處，需重點關注。根據N2類車試驗條件，設置模型約束區域（貨箱縱梁及四周）固定不動，與臺架試驗條件保持一致，如圖4所示，邊板面積為80 000 mm2，加載載荷為1 960 N，與試驗工況保持一致。

圖4 欄板式貨箱剛度分析的約束及加載

圖4 中SPC 為（Single Point Constraint，單點約束），SPC 后數字1～6 表示約束方向，分別為x向平動、y向平動、z向平動、x向轉動、y向轉動、z向轉動。

3 剛度分析

3.1 仿真結果

欄板式貨箱的邊板厚為1.2 mm，材料為Q235，其仿真結果如圖5 所示，邊板最大變形量為13.1 mm，超過最大允許變形量（＜12 mm），結構設計不滿足要求，需進行優化。

圖5 欄板式貨箱邊板仿真位移

剛度計算式為

式中：F為加載力，取值1 960 N；S為位移，mm。優化前S取值為13.1 mm，計算得到優化前邊板剛度為149.6 N/mm，當S取值為12 mm 時，計算得到邊板最大允許變形量所對應的最小剛度為163.4 N/mm。

3.2 對比試驗

貨箱實際質量為335.8 kg，仿真貨箱質量為332.5 kg，二者誤差低于1%。在邊板剛度臺架試驗中，剛度測試加載位置與仿真模型一致，如圖6所示。

圖6 欄板式貨箱邊板剛度臺架試驗

邊板剛度的臺架試驗結果為12 mm，仿真結果為13.1 mm，較臺架試驗偏大。仿真與試驗結果的差異率小于10%，說明仿真分析有效可行。

3.3 優化方案

為提高貨箱邊板剛度，可以采用加強截面、采用優質材料、增加支撐等方法，從經濟性和可行性方面考慮，最終選擇增加邊板厚度和在大變形區域增加加強板方法。

確定邊板材料仍選用Q235，具體優化方案如下。

（1）方案1：保持邊板厚度為1.2 mm，在邊板中心增加一個與現邊板加強筋設計相同的筋，如圖7所示。

圖7 欄板式貨箱邊板優化方案1

（2）方案2：保持邊板厚度為1.2 mm，在邊板中間增加一個厚為1.2 mm的板，材料為Q235，如圖8所示。

圖8 欄板式貨箱邊板優化方案2

（3）方案3：將邊板厚度由1.2 mm增至1.3 mm。

對方案1～3 分別進行仿真計算，最大位移分別為13.0、12.9、11.9 mm，如圖9～11所示。

圖10 欄板式貨箱邊板仿真位移（優化方案2）

圖11 欄板式貨箱邊板仿真位移（優化方案3）

由式（1）計算得到優化方案1～3 的邊板剛度，結果見表2。

表2 各優化方案的剛度計算結果

由表2 可知，方案3 為最優改進方案，通過增加邊板厚度滿足剛度目標要求。

4 結束語

本文對某輕卡欄板式貨箱剛度進行分析及優化。通過仿真計算發現貨箱邊板剛度不滿足設計要求，對比加筋、加板、邊板加厚3種改進方案，確定方案3滿足剛度目標要求，應優先采用增加邊板厚度方式提高剛度。通過介紹貨箱剛度優化過程為同行提供一定經驗借鑒。