基于Hypermesh的洗掃車水箱有限元分析

張明慧 尹騰飛 李斌 劉建培

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

隨著國民對環(huán)境質(zhì)量的要求逐漸提高，市場上對道路清掃類環(huán)衛(wèi)車輛尤其是洗掃車的需求量日益增大，而此類車型的底盤改造余地較小，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要在上裝部分。洗掃車上裝主要由水箱、垃圾箱、副發(fā)動機、風(fēng)機等組成，其中，水箱是供水系統(tǒng)中不可缺少的組成部分[1]，水箱能否穩(wěn)定地存儲水資源對整車的工作性能有較大的影響，所以對水箱的研究是洗掃車設(shè)計的重要內(nèi)容。

洗掃車的清水箱由前清水箱和垃圾箱內(nèi)的清水箱兩部分組成，前清水箱置于駕駛室后，副發(fā)動機之前，垃圾箱內(nèi)的清水箱與垃圾箱設(shè)計成一體，位于垃圾箱的前端和底部[2]。本文重點以某型號洗掃車的前清水箱為例，對其進行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對水箱結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

2 物理模型

如圖1所示，水箱由外蒙皮、加強筋、水隔板1、水隔板2和底架等幾部分組成。其中水隔板貫穿于水箱內(nèi)部，由上、下水隔板組成，兩組隔板將水箱分為三個腔。水箱材料均為Q235B,其中底架板材壁厚為6 mm，水箱其余板材壁厚均為3 mm。水箱的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 水箱的關(guān)鍵參數(shù)

圖1 水箱物理模型

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

為提高有限元分析的效率和網(wǎng)格質(zhì)量，在對水箱進行有限元分析時，在真實反映該水箱主要力學(xué)特性的前提下，盡可能地選取較少的節(jié)點和單元，對水箱結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型進行簡化[3]：a. 焊接和螺紋連接等連接對力和力矩傳遞可靠，且不考慮焊接過程對結(jié)構(gòu)的影響；b. 承載區(qū)的載荷均布；c. 結(jié)構(gòu)上的小圓角、倒角、工藝孔等工藝因素不予考慮；d. 由于水箱絕大部分結(jié)構(gòu)是由各種不同厚度的板材支撐，因此采用板殼單元模擬具有足夠的精度，同時可以大大提高計算速度。

抽取水箱三維物理模型中面，采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)水箱大小設(shè)置網(wǎng)格尺寸為5.0 mm，劃分后的節(jié)點數(shù)量為1 083 713，單元數(shù)量為1 085 940，完成的有限元模型如圖3所示。

3.2 邊界條件

3.2.1 約束施加

水箱通過緊固拉馬螺栓固定在底盤上，對緊固拉馬螺栓孔周邊節(jié)點約束其所有自由度，水箱底架下平面緊貼底盤縱梁上平面，約束其垂直于底盤上面方向的移動自由度。

圖2 水箱有限元模型

3.2.2 載荷施加

車輛在制動、轉(zhuǎn)彎過程中，會使水箱里的水產(chǎn)生附加慣性力，該慣性力與水所受的重力一起對水箱壁面產(chǎn)生壓力。因此洗掃車水箱所承受的工況有以下3種：a. 靜載：水箱承受水壓和水箱自重；b. 緊急制動：水箱承受水壓、水箱自重和制動時產(chǎn)生的運動方向的慣性沖擊力；c. 緊急轉(zhuǎn)彎：水箱承受水壓、水箱自重和轉(zhuǎn)彎所產(chǎn)生的垂直于運動方向的慣性沖擊力。將罐體所受慣性力按照公式(1)轉(zhuǎn)換為壓力進行施加[4]。

式中，P為施加壓力，MPa；A為罐體在垂直于對應(yīng)運動方向的投影面面積，縱向方向為4.36×106mm2，橫向方向為1.67×106mm2；a為罐體的加速度[5]，縱向方向為6×103mm×s-2，橫向方向為1.25×103mm×s-2；其他參數(shù)如表1所示。

3.3 分析結(jié)果

將建立的有限元模型，在HyperMesh中軟件按照3.2.1、3.2.2所述，進行約束和載荷的施加，以及計算求解，得到不同工況下水箱的應(yīng)力與變形云圖，分別如圖3～6所示，圖中應(yīng)力單位為MPa，變形單位為mm。

圖3 水箱變形云圖

圖4 水箱應(yīng)力云圖

圖5 水隔板變形云圖

圖6 水隔板應(yīng)力云圖

由以上分析結(jié)果可知：a. 水箱下半部分的位移大于其他部分，且呈半橢圓形；b. 水箱有限元分析結(jié)果整體顯深色，且比較均勻，絕大部分應(yīng)力值小于100 MPa，但水箱的最大應(yīng)力超過500 MPa，主要集中在零件間的接縫處；c. 水隔板下端應(yīng)力值較大，超過了材料的屈服強度。因此，水箱結(jié)構(gòu)的強度和剛度不滿足設(shè)計要求，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)語

通過對洗掃車水箱的物理模型進行有限元分析，得出水箱的最大應(yīng)變出現(xiàn)在水箱下半部分的中部、最大應(yīng)力出現(xiàn)在水箱零件間接縫處的結(jié)論。通過采取水隔板均勻布置、水箱前板下端加撐進行加固、水隔板人孔由方形改為圓形或橢圓形、增強零件間接縫處的焊接質(zhì)量等措施，對水箱進行優(yōu)化后應(yīng)用于實際產(chǎn)品的生產(chǎn)中，延長了水箱的使用壽命、縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期、提升了水箱結(jié)構(gòu)的強度和剛度。