9.6m廂式貨車鋁合金廂體的輕量化設(shè)計(jì)和剛度研究

摘"要：交通領(lǐng)域作為最大排放源之一，汽車輕量化成為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有效途徑。將9.6m中型廂式貨車廂體設(shè)計(jì)變更為鋁合金材料，建立該車廂的三維模型及有限元模型，針對(duì)廂體不同構(gòu)件特點(diǎn)劃分不同網(wǎng)格，并在國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確保廂體所受應(yīng)力及殘余變形滿足標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果表明：該車廂既滿足原有安全可靠的要求，也具有更小體積質(zhì)量、更耐腐蝕、更大沖壓塑性等特點(diǎn)。

關(guān)鍵字：廂式貨車；鋁合金；有限元分析；剛度分析

中圖分類號(hào)：TH122""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號(hào)：1671-5276（2024）02-0056-04

Lightweight Design and Stiffness Research Based on Aluminum Alloy Body of 9.6m Van

XIA Yuexiang， XIN Zhou

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：As one of the largest sources of emissions in the transportation sector， vehicle lightweight has become an effective way to achieve the goal of dual carbon. A 9.6-meter medium-sized van body is substituted with aluminum alloy material， a three-dimensional model and a finite element model of the carriage are established. According to the characteristics of different components of the cabin， different grids are divided， and their structures analyzed under the test conditions of national and industry standards to ensure that the stress and residual deformation of the cabin meet the standards. The simulation results show that the carriage not only meets the original requirements of safety and reliability， but also has the characteristics of smaller specific gravity， more corrosion resistance and greater stamping plasticity.

Keywords：van; aluminum alloy; finite element analysis; stiffness analysis

0"引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各個(gè)行業(yè)物質(zhì)材料調(diào)配需求快速增長(zhǎng)。在物流運(yùn)輸?shù)耐緩街?，公路運(yùn)輸以快捷靈活特性占據(jù)重要地位。根據(jù)《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2020年年底，我國(guó)共有1 171.54萬(wàn)輛道路運(yùn)營(yíng)車輛。其中：載貨車輛1 110.28萬(wàn)輛、15 784.17萬(wàn)噸位，分別為普通貨車414.14萬(wàn)輛、4 660.76萬(wàn)噸位；專用車輛50.67萬(wàn)輛、596.60萬(wàn)噸位；特種牽引車310.84萬(wàn)輛、掛車334.63萬(wàn)輛［1］。相較于裸露運(yùn)輸，廂式貨車避免了下雨刮風(fēng)等天氣變化對(duì)貨物的損傷，減少了貨物在運(yùn)輸途中遭遇盜竊的情況，提高了貨物的安全性。此外，廂式車有一系列統(tǒng)一的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，可以控制貨車超載的情況，保證不會(huì)對(duì)道路或者橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生破壞［2］。

汽車質(zhì)量和能耗有直接關(guān)系，在相同行駛速度下，汽車整體越重能耗越大，而車體越輕能耗越小。通過(guò)有關(guān)調(diào)查顯示，車體質(zhì)量減輕1 kg，1 L汽油就可以多行駛 0.011 km， 也就是減輕100 kg，可以多行駛 1 km［3］。減輕車輛質(zhì)量，不但降低了燃料消耗，還降低空氣中的CO2，車輛降低50%的質(zhì)量，可以降低13%的CO2排放，而且還能降低氮化物、硫化物等其他危險(xiǎn)污染物的排放量，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義［4］。降低車輛的質(zhì)量，還能改善車輛的行駛性能。美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)提出，車輛質(zhì)量每降低25%，其加速到96.56km·h-1的時(shí)間將由10s縮短至6s；在減少車輛質(zhì)量的前提下，還可以減少車輛的動(dòng)力和動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷，使得車輛在低牽引負(fù)荷行駛的情況下也可以達(dá)到相同的性能效果［5］。

目前國(guó)內(nèi)大量廂式車車廂材料以普通鋼型材為主，而就輕量化方面的改進(jìn)優(yōu)化，已沒(méi)有太多的改進(jìn)空間。技術(shù)較成熟的輕質(zhì)材料主要有超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料、夾層材料、塑料等。先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼成本低廉，技術(shù)成熟度較高，但其減載作用受到限制；而工程塑料的強(qiáng)度和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較低，使其在汽車上的使用受到限制，不能得到很好的應(yīng)用；鎂合金和碳纖維的應(yīng)用價(jià)格昂貴，供應(yīng)鏈和技術(shù)成熟度較差，僅限于少數(shù)零部件和型號(hào)。而鋁合金具有較高的輕質(zhì)性能和較低的價(jià)格，適合于大部分的車身結(jié)構(gòu)，所以鋁合金是整車進(jìn)一步輕量化的首選材料［6］。鋁合金密度為2.7g/cm3 ，同樣體積的鋁合金幾乎只有鋼的1/3質(zhì)量。鋁合金也具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度，用鋁合金替代鋼材可減少20%的質(zhì)量，節(jié)約12%～16%的燃油［7］。

本文針對(duì)9.6m中型廂式貨車廂體進(jìn)行輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用鋁合金材料替代車廂普通鋼材，再對(duì)廂體薄弱部分進(jìn)行加強(qiáng)，冗余部分進(jìn)行改善，并對(duì)車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在不同工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析，得出應(yīng)力薄弱的區(qū)域以及強(qiáng)度校核方案。

1"廂體及車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以鋁合金型材取代目前的鋼制型材廂式運(yùn)輸半掛車車廂，并按照有關(guān)的安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)的廂式貨車貨廂模型如圖1所示。

廂體框架及蒙皮均由6XXX系鋁合金構(gòu)成，車架為高強(qiáng)度鋼材Q345B構(gòu)成，局部加強(qiáng)件通過(guò)鉚接和焊接方式連接。車廂框架由薄壁方形管構(gòu)成，蒙皮為梯形瓦楞板，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

車廂底部由2根縱梁、11根橫梁及花紋地板構(gòu)成。車架為鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

車架及廂體用高強(qiáng)度螺栓連接。其他構(gòu)件尺寸如表1所示。

2"有限元模型的建立

2.1"模型結(jié)構(gòu)

以廂式貨車貨廂的結(jié)構(gòu)為對(duì)象，通過(guò)有限元分析軟件，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的建模，以減少計(jì)算工作量，提高計(jì)算效率［8］。

1） 忽略非承載結(jié)構(gòu)。對(duì)于廂體不承受載荷或承受載荷較小的構(gòu)件，如后門板、鉸鏈板及車架墊片等附件都省略。

2） 簡(jiǎn)化孔結(jié)構(gòu)。車架的螺栓孔、線路孔、吊環(huán)孔、加工孔等都是為了達(dá)到裝配功能性的目的而設(shè)計(jì)的，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的作用不大，所以都可以忽略。

3）去除倒角、圓角。不在應(yīng)力集中的區(qū)域附近的圓弧都可簡(jiǎn)化為直角，在工藝中所要求的倒角、拔模斜度和倒圓角對(duì)車架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力沒(méi)有明顯的作用，可以忽略。

滿足以上條件建立的車廂及車架有限元模型如圖4、圖5所示。

2.2"網(wǎng)格劃分

在有限元計(jì)算中，是由整體到零散，由零散再到整體的轉(zhuǎn)化過(guò)程，利用分析軟件將目標(biāo)劃分為若干個(gè)小的單元格，這些單元格表示當(dāng)前位置的受力和變形，如果單元格足夠小，就能反映出這一點(diǎn)的受力，然后再由各個(gè)單元格上的受力和形變進(jìn)行疊加計(jì)算，從而得出整體受力［9］。因此對(duì)單元格劃分顯得至關(guān)重要。本文根據(jù)三維數(shù)模的幾何模型，綜合考慮了相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采取多區(qū)域網(wǎng)格劃分，對(duì)于結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，面積較大的區(qū)域采取多區(qū)域6面體30mm網(wǎng)格劃分，對(duì)于細(xì)節(jié)部位采取補(bǔ)丁適形4面體20mm網(wǎng)格劃分。由此建立的箱式運(yùn)輸車模型包括402 625個(gè)單元、801 892個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3"廂體在典型工況下的強(qiáng)度校核

廂式半掛車運(yùn)輸方式多種多樣，道路狀況多變，所以必須具備一定的剛性以抵御其變形，從而確保其正常運(yùn)行。故根據(jù) JT/T 389—2010 要求對(duì)前墻和側(cè)墻進(jìn)行載荷施加，試驗(yàn)載荷作用于試驗(yàn)部件上的時(shí)間不小于5min。本文采用廂體最大載重16t。

3.1"前墻工況

在發(fā)生緊急剎車等情況下，車廂內(nèi)部的載重會(huì)對(duì)汽車的前墻造成較大的撞擊。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將0.4乘以額定載荷施加于前墻并進(jìn)行卸載。仿真分析結(jié)果如圖6所示。

由結(jié)果可知前墻在施加載荷時(shí)，最大應(yīng)力為705 MPa，位于前墻底部框架連接處；最大位移為86.91 mm，位于前墻中央部分。載荷卸載后，前墻最大殘余變形為0.026 mm，符合JT /T 389—2010中殘余變形不超過(guò)12 mm標(biāo)準(zhǔn)。

3.2"側(cè)墻工況

當(dāng)滿載的半掛車在轉(zhuǎn)向時(shí)，其內(nèi)部裝載的貨物會(huì)對(duì)其側(cè)面造成撞擊。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將0.4乘以額定載荷施加于側(cè)墻并進(jìn)行卸載。仿真分析結(jié)果如圖7所示。

由結(jié)果可知側(cè)墻在施加載荷時(shí)，最大應(yīng)力為182 MPa，位于側(cè)墻底部框架連接處；最大位移為27.72 mm，位于側(cè)墻中央部分。載荷卸載后，側(cè)墻最大殘余變形為0.148 mm，符合JT /T 389—2010中殘余變形不超過(guò)12 mm標(biāo)準(zhǔn)。

3.3"結(jié)果對(duì)比

材料替換對(duì)比結(jié)果如表2所示，有效減質(zhì)量結(jié)果達(dá)48.66%。

4"車架在彎曲工況下的強(qiáng)度校核

彎曲工況主要考慮半掛車在路面靜止或以恒定速度行駛在路面上時(shí)，車體的受力及變形情況。當(dāng)路面不平整而顛簸時(shí)，在車體滿載的情況下，加載2g的加速度［10］，以保證結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。仿真分析結(jié)果如圖8所示。

5"結(jié)語(yǔ)

本文以有限元方法用計(jì)算機(jī)模擬仿真鋁合金設(shè)計(jì)車廂在不同工況下，檢驗(yàn)是否滿足強(qiáng)度要求，以仿真結(jié)果證明，該鋁合金車廂設(shè)計(jì)相較于原來(lái)鋼結(jié)構(gòu)車廂不僅滿足了強(qiáng)度要求，而且同時(shí)有效減質(zhì)量結(jié)果達(dá) 48.66%。這大幅度減少了車輛油耗和碳排放，降低了動(dòng)力和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，增加了車輛的行駛性能。該設(shè)計(jì)方案及有限元仿真方法對(duì)同類廂式貨車的輕量化研究有一定的借鑒意義。

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收稿日期：20220922