張俊偉,張 沛,張 喆,郭海樂,龐 明
(鄭州宇通重工有限公司,河南 鄭州 450000)
近年來保潔類純電動環(huán)衛(wèi)車輛,在改善環(huán)境、降溫除塵、綠化園林等方面發(fā)揮著重要作用[1],并且在關鍵時刻還可作為緊急消防車使用。箱體作為承載介質(zhì)的唯一部件,可靠性可以視為它最重要的指標。
輕量化設計對汽車行業(yè),尤其對推動純電動汽車的發(fā)展具有重要作用,在保證可靠性的同時具有降低整車質(zhì)量、提升續(xù)時里程的優(yōu)勢。
CAE分析技術作為近年來新興的研發(fā)技術。它基于計算機技術的高速發(fā)展,通過計算機軟件對實際模型進行仿真分析,有效地解決了現(xiàn)代機械設計的復雜性,在很大程度上方便了機械工程的實際施工操作,也進一步提升了機械工程施工的效率和質(zhì)量[2]。通過將CAE技術與機械設計相結合,對提高企業(yè)開發(fā)效率,降低驗證周期與成本具有重要意義[3]。
根據(jù)原始二維圖紙建立箱體的三維數(shù)模,箱體通過輔梁支撐并與車架連接,箱體內(nèi)部設置防波板。
箱體使用Q345-B材質(zhì),具體參數(shù)如表1所示。箱體使用工況主要為顛簸沖擊工況,安全系數(shù)為1.1。因此型材許用應力為314 MPa。本文首先對箱體進行有限元網(wǎng)格模型建立,然后加載邊界條件和載荷對其進行計算,建立有限元分析模型(見圖1),其中箱體內(nèi)部水的質(zhì)量通過面壓力加載到筒體上。
圖1 箱體有限元模型
表1 材料參數(shù)表
通過對模型的分析計算,得出其分析結果如表2所示。從結果看出水罐的最大應力為335 MPa,此時安全系數(shù)僅有1.03,最大應力位置處于防波板下部位置,輔梁正上方。此處安全系數(shù)低于設置的安全系數(shù)1.1,存在開裂風險,見圖2。
表2 分析結果表
圖2 應力(MPa)結果云圖
根據(jù)三維模型制作箱體結構并進行道路可靠性驗證。結果發(fā)現(xiàn)在防波板處發(fā)生開裂問題,見下頁圖3。該位置處于墊板正上方,與有限元分析結果高度吻合。此處裂紋由下向上延伸,初步原因分析為在車輛顛簸時防波板向下擠壓,下方為墊板與縱梁,剛度較大,因此發(fā)生變形會從相對較弱的防波板開始,進而出現(xiàn)裂紋。由此說明該有限元分析方法準確性較高。
圖3 箱體開裂位置
拓撲優(yōu)化技術是結構優(yōu)化技術中有前景、具有創(chuàng)新性的技術,是指在給定的設計空間內(nèi)找到最佳的材料分布,或者傳力路徑,從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的結構。
依據(jù)上述分析結果,防波板存在強度不足的問題,且該結構為整體沖壓成型,制造成本較高,重量較重,因此通過參考拓撲優(yōu)化結果對比多種方案,最終確定改動后防波板結構,見圖4。此種防波板為拼焊件,分為立板與墊板,立板焊接在墊板上,然后墊板再與筒體焊接,該結構不僅增加了防波板與筒體的接觸面積,同時降低了加工成本。在材料厚度方面也由原來的4 mm厚鋼板改為3 mm鋼板,質(zhì)量減小40 kg,對整車輕量化提供了較大支撐作用,見圖5。
圖4 優(yōu)化流程
圖5 防波板結構
對改進后的結構進行模擬仿真分析,結果如表3所示。由結果可以看出此時最大應力為241 MPa,安全系數(shù)達到1.4。應力降低94 MPa,降幅28%。經(jīng)過對新結構的實車可靠性驗證后箱體無開裂漏水問題。說明該結構具有更好的可靠性,見圖6。
表3 分析結果表
圖6 改進結構的應力(MPa)云圖
本文以16 t純電環(huán)衛(wèi)車箱體為研究對象,通過創(chuàng)建有限元分析模型,為純電環(huán)衛(wèi)車的輕量化設計提供了一條可行的途徑,經(jīng)過優(yōu)化改進,在解決箱體開裂問題的同時實現(xiàn)降重40 kg,對整車輕量化提供了較大的支撐作用。