簡述輕量化上裝的有限元分析

胡銀蘋，陳騰飛，張珂

簡述輕量化上裝的有限元分析

胡銀蘋1，陳騰飛1，張珂2

（1.陜西通力專用汽車有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.法士特伊頓（寶雞）輕型變速器有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000）

隨著自卸車行業(yè)的快速發(fā)展，輕量化自卸車成了行業(yè)中的焦點(diǎn)，在保證自卸車各工況正常的情況下降低重量，結(jié)構(gòu)重量的減少將直接影響到自卸車的性能、強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命等。輕量化設(shè)計(jì)對于自卸車意義重大，文章主要介紹貨箱5600輕量化自卸車上裝的有限元分析，通過分析結(jié)果對該上裝進(jìn)行評價(jià)與優(yōu)化。

；輕量化；自卸車；強(qiáng)度；優(yōu)化

前言

輕量化上裝設(shè)計(jì)已成為大多數(shù)改裝廠追求的目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)我們常常采用傳統(tǒng)方法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而使得材料得不到充分的應(yīng)用，文章主要以輕量化上裝為研究對象，采用有限元分析法分析大箱材料的鋼強(qiáng)度是否滿足客戶需求，即輕量化上裝的CAE分析。

輕量化上裝的配置為5600*2300*1500（mm）底8mm邊5mm，所需材料的具體數(shù)據(jù)見下表：

表1 輕量化上裝配置所需材料參數(shù)

1 貨箱模型在不同工況下所產(chǎn)生的壓強(qiáng)

通過三維繪圖軟件Solidworks建立貨箱模型，并分析模型在不同工況下所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，如圖所示：

圖1 貨箱模型在不同工況下所產(chǎn)生的壓強(qiáng)

1.1 工況一：垂直加速度（約束條件(Constraint)及載荷條件(Load)）

自卸車箱體載荷包括貨物對各接觸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)（底板及各側(cè)圍壓強(qiáng)）以及結(jié)構(gòu)件自身受到的垂向動載荷（動載系數(shù)n=2.5）：

（1）箱內(nèi)貨物自重對廂體底板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p=nρgh；

（2）箱內(nèi)貨物自重對廂體側(cè)圍板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p垂面=0.7nρgh、p斜面=0.65nρgh。

1.2 工況二：轉(zhuǎn)彎（約束條件(Constraint)及載荷條件(Load)）

自卸車箱體載荷包括貨物自重對各接觸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)以及貨物離心力對右側(cè)圍壓強(qiáng)、結(jié)構(gòu)件自身受到的垂向載荷（動載系數(shù)n=1）及離心力載荷：

（1）箱內(nèi)貨物自重對廂體底板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p=nρgh；

（2）箱內(nèi)貨物自重對廂體側(cè)圍板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p垂面=0.7nρgh、p斜面=0.65nρgh；

（3）箱內(nèi)貨物離心力對廂體右側(cè)圍板產(chǎn)生的Y向壓強(qiáng)p轉(zhuǎn)彎=0.5m*0.4g/S側(cè)圍。

1.3 工況三：制動（約束條件(Constraint)及載荷條件(Load)）

自卸車箱體載荷包括貨物自重對各接觸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)以及貨物離心力對前圍壓強(qiáng)、結(jié)構(gòu)件自身受到的垂向載荷及離心力載荷：

（1）箱內(nèi)貨物自重對廂體底板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p=nρgh；

（2）箱內(nèi)貨物自重對廂體側(cè)圍板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p垂面=0.7nρgh、p斜面=0.65nρgh；

（3）箱內(nèi)貨物離心力對廂體前圍板產(chǎn)生的X向壓強(qiáng)p制動=0.5m*0.7g/S前圍。

1.4 工況四：臨界舉升（約束條件(Constraint)及載荷條件(Load)）

自卸車箱體載荷包括貨物對各接觸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)（底板及各側(cè)圍壓強(qiáng)）以及結(jié)構(gòu)件自身受到的重力，設(shè)置箱體底架與副車架不發(fā)生接觸：

（1）箱內(nèi)貨物自重對廂體底板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p=ρgh；

（2）箱內(nèi)貨物自重對廂體側(cè)圍板產(chǎn)生的法向壓強(qiáng)p垂面=0.7nρgh、p斜面=0.65nρgh。

2 分析模型在各個工況下的結(jié)果

2.1 工況一情況下結(jié)果

在工況一：垂直加速度工況下，車架約束支反力為899042.7N，換算成質(zhì)量為36.7噸，基本符合上裝加貨物的質(zhì)量37.6噸，驗(yàn)證所加載垃圾載荷基本符合實(shí)際情況。在此工況下①側(cè)圍最大應(yīng)力為1030.9MPa，出現(xiàn)在與立柱連接區(qū)域下部折彎處，左右基本對稱，已超過材料抗拉強(qiáng)度。②前圍最大應(yīng)力值為641.3MPa，出現(xiàn)在橫梁端部，已超過材料抗拉強(qiáng)度。前板與側(cè)板管連接處應(yīng)力也超過材料屈服強(qiáng)度。③后門最大應(yīng)力值為1097.3MPa，出現(xiàn)在邊豎梁彎角連接處，已超過材料抗拉強(qiáng)度。掛板最大應(yīng)力值為834.9MPa，超過材料Q355抗拉強(qiáng)度。④副車架最大應(yīng)力值為848.1MPa，出現(xiàn)在縱梁后端翻轉(zhuǎn)座支撐處，該值已超過材料抗拉強(qiáng)度。

2.2 工況二情況下結(jié)果

在工況二：轉(zhuǎn)彎工況下，①側(cè)板最大應(yīng)力值為640.1MPa，出現(xiàn)在與立柱連接區(qū)域下部折彎處，稍超過材料T700屈服強(qiáng)度；②前圍最大應(yīng)力值為647.2MPa，出現(xiàn)在橫梁端部，已超過材料抗拉強(qiáng)度；③后門上最大應(yīng)力出現(xiàn)掛板處，應(yīng)力值為489.2MPa，超過材料Q355屈服強(qiáng)度；④副車架上最大應(yīng)力出現(xiàn)在右縱梁上翼面與貨箱接觸前端，該應(yīng)力值已超過材料T700抗拉強(qiáng)度。

2.3 工況三情況下結(jié)果

在工況三：制動工況下，①底板最大應(yīng)力值為566.7MPa，出現(xiàn)在箱體尾部立柱與底梁連接處，未超過材料T700屈服強(qiáng)度。側(cè)圍及底架其余處應(yīng)力均未超材料屈服強(qiáng)度；②前圍上最大應(yīng)力值為658.6MPa，出現(xiàn)豎梁與橫梁焊接處，超過材料屈服強(qiáng)度；③后門上最大應(yīng)力值為453.7MPa，出現(xiàn)在后板邊豎梁上，未超過材料屈服強(qiáng)度。④副車架上最大應(yīng)力值為711.2MPa，出現(xiàn)在縱梁上翼面與貨箱接觸前端，左右基本對稱，超過材料抗拉強(qiáng)度。

2.4 工況四情況下結(jié)果

在工況四：臨界舉升工況下，①最大應(yīng)力值為717.7MPa，出現(xiàn)在副車架縱梁翻轉(zhuǎn)軸管下方，該應(yīng)力值已超過材料T700抗拉強(qiáng)度。②前圍板最大應(yīng)力值為631.2MPa，出現(xiàn)在橫梁與豎梁焊接處，超過材料屈服強(qiáng)度。③箱體最大應(yīng)力為839.1MPa，出現(xiàn)在箱體尾部立柱與底梁連接處，已超過材料T700抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過采用有限元分析模型，分析結(jié)果表明垂直沖擊工況下及轉(zhuǎn)彎工況下，箱體側(cè)板、底板、后門、前圍及副車架均出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)，制動工況下，除底板外，其余總成應(yīng)力也均超過材料屈服強(qiáng)度，不能滿足使用要求，舉升工況中，前圍局部尖角處應(yīng)力稍超過屈服強(qiáng)度，基本滿足要求，副車架局部應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度，不能滿足使用要求。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)后通過加寬尾部立柱，并將立柱下沿與底梁實(shí)現(xiàn)封閉滿焊減小應(yīng)力集中增加抗彎性能；同時增加側(cè)板中部立柱，有效增加側(cè)板抗變形能力；可去除側(cè)圍中部加強(qiáng)板以及前側(cè)圍之間的連接管；副車架縱梁上翼面在翻轉(zhuǎn)座處和前端增加內(nèi)襯或者通過采用剛度變化結(jié)構(gòu)，減緩剛度突變，降低接觸應(yīng)力。

[1] 張永昌.MSC.Nastran有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[2] 向文卓,吳亞菲,周浩.基于有限元的自卸車車架輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)2016-06-26.

[3] 李寶川,路俊峰,王旭,劉萬頂.U型自卸車貨箱輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[C].第十三屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集,2016-10-18,中國會議.

Brief Introduction to Finite Element Analysis of Lightweight Tops

Hu Yinping1, Chen Tengfei1, Zhang Ke2

（1.Shaanxi Tongli Special Purpose Vehicle Co., Ltd., Shaanxi Baoji 721000;2.Fast Eaton (Baoji) Light Transmission Co., Ltd., Shaanxi Baoji 721000）

With the rapid development of the dump truck industry, the lightweight dump truck has become the focus of the industry. Under the condition of ensuring the normal working conditions of the dump truck, the weight is reduced, and the reduction of the structural weight will directly affect the performance and strength of the dump truck, stiffness, fatigue life, etc. The lightweight design is of great significance to the dump truck. This paper mainly introduces the finite element analysis of the 5600 lightweight dump truck loading, and evaluates and optimizes the top loading through the analysis results.

Lightweight; Dump truck; Strength; Optimization

U272.6+4

A

1671-7988(2019)24-49-03

U272.6+4

A

1671-7988(2019)24-49-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.016

胡銀蘋，就職于陜西通力專用汽車有限責(zé)任公司。