一款出口自卸半掛車廂體結(jié)構(gòu)CAE分析

王彥崗，李 會(huì)，廖 警

（1.中國(guó)重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力專用汽車有限公司，廣西 柳州545000；2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 漣源417100）

自卸半掛車相對(duì)普通自卸車在法規(guī)總質(zhì)量下的承載質(zhì)量更大，正越來(lái)越多地應(yīng)用在工程運(yùn)輸領(lǐng)域。對(duì)自卸半掛車廂體來(lái)講，在不同的工作狀態(tài)下，如果車廂在應(yīng)力集中區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，就會(huì)引起結(jié)構(gòu)斷裂；如果車廂剛度較低，就會(huì)使得廂體發(fā)生變形導(dǎo)致脹廂，甚至?xí)鹫噦?cè)翻或傾覆[1，2]。因此，在對(duì)自卸半掛車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)還要保證其廂體具有較高的強(qiáng)度和剛度。

一款出口U型輕量化自卸半掛車，如圖1所示。該自卸半掛車主要運(yùn)載砂石和煤等介質(zhì)，其廂體大板厚度分別為底6 mm邊4 mm，最大載重60 t。研究在不同工況下，對(duì)該車廂體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度CAE有限元仿真分析，并通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度更高、耐久性更好，更能滿足用戶使用需求的產(chǎn)品。

圖1 自卸半掛車結(jié)構(gòu)示意圖

1 有限元建模

1.1 材料特性參數(shù)

自卸半掛車原始結(jié)構(gòu)廂體大板與筋板采用LG700L高強(qiáng)鋼，焊縫采用50 kg焊絲，焊縫為間斷焊（大約焊100 mm，空150 mm）；優(yōu)化結(jié)構(gòu)廂體大板采用NM450高強(qiáng)耐磨鋼，筋板采用LG700L高強(qiáng)鋼，并從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料特性參數(shù)

1.2 有限元模型

自卸半掛車的整體仿真有限元模型如圖2所示。焊接總體原則：邊板、底板、前板、后板與橫、豎縱筋骨之間按照間斷焊方式處理，焊高大于最小板厚，且對(duì)稱布置；底板與邊板滿焊。

圖2 有限元模型

1.3 載荷施加

自卸半掛車工作狀況很復(fù)雜，為了便于對(duì)車廂各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，往往采用土力學(xué)原理簡(jiǎn)化計(jì)算。在土力學(xué)理論中朗肯土壓力應(yīng)用相對(duì)廣泛，其基本假設(shè)為：對(duì)擋土墻的要求是垂直且光滑的，對(duì)于土平面要求是平整的[3]，這也基本接近車廂的實(shí)際裝載情況。因此，研究采用朗肯法計(jì)算貨物對(duì)自卸半掛車廂體邊板、前板、后板的壓力，以靜水壓強(qiáng)計(jì)算底板壓力。

圖3 朗肯土壓力理論原理圖

2 分析結(jié)果

根據(jù)自卸半掛車實(shí)際運(yùn)行情況，選取了影響車廂強(qiáng)度和剛度的4個(gè)典型工況：顛簸工況、舉升工況、轉(zhuǎn)彎工況和扭轉(zhuǎn)工況[4]。

2.1 顛簸工況

將動(dòng)載荷以靜載荷施加的形式作用到底板總成上，以模擬顛簸不平行駛路況貨物的沖擊過(guò)程，底板總成載荷考慮2.5倍的動(dòng)載系數(shù)（一般貨車最大動(dòng)載系數(shù)為2.5[5]），其他總成載荷不變。滿載顛簸工況下車廂位移云圖如圖4所示，等效應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 車廂邊板位移云圖

圖5 車廂底板等效應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，整個(gè)變形由廂體前后兩端向中間逐漸增大，由邊板底部向上逐漸增大，最大變形為27.4 mm，位于邊板上邊框中間位置；從圖5可以看出，整體載荷分布相對(duì)均衡，但在局部存在應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力為393.1 MPa，位于底部邊橫梁（距離后門(mén)的第三根橫梁）與縱梁交接處。

2.2 舉升工況

車廂在滿載、舉起初始時(shí)刻的工況，可模擬為車廂與副車架之間角度為1°分離的臨界狀態(tài)。滿載舉升工況下車廂應(yīng)力云圖如圖6所示，等效應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 車廂底板位移云圖

圖7 車廂邊板、底板等效應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，底板變形主要集中在中間部位，由前后兩端向中間逐漸增大，車廂最大變形54.4 mm，位于底板中間位置；從圖7（a）可以看出，邊板存在局部應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力747.7 MPa，位于邊板中間折彎區(qū)域與后立柱交接位置；從圖7（b）可以看出，底板左右縱梁中部應(yīng)力較大，同時(shí)也存在局部應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力為725.7 MPa，位于底部邊橫梁（距離后門(mén)的第一根橫梁）與翻轉(zhuǎn)支座縱梁交接處。

2.3 轉(zhuǎn)彎工況

自卸半掛車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，貨物由于離心力作用會(huì)擠壓邊板，作用力的大小和加速度有關(guān)，考慮0.5 g的加速度，即對(duì)邊板施加1.5倍動(dòng)載荷系數(shù)。滿載轉(zhuǎn)彎工況下車廂應(yīng)力云圖如圖8所示，等效應(yīng)力云圖如圖9所示。

從圖8可以看出，整個(gè)廂體變形也是由前后兩端向中間逐漸增大，由邊板底部向上逐漸增大，但變形更大，最大變形53.2 mm，位于邊板上邊框中間位置；從圖9可以看出，邊板整體受力基本均衡，僅在兩條三角筋骨由前后兩端向中間稍有增大，但在局部存在應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力451.4 MPa，位于邊板上邊框與前板交接處。

圖8 車廂邊板位移云圖

圖9 車廂邊板等效應(yīng)力云圖

2.4 扭轉(zhuǎn)工況

自卸半掛車行駛在凹凸不平的道路上，造成車輪懸空或被抬高，導(dǎo)致廂體底板左右縱梁與車架一起受到不對(duì)稱扭轉(zhuǎn)載荷的作用，假設(shè)左后輪與右前輪懸空，其他車輪正常著地，取動(dòng)載系數(shù)為1.5。滿載扭轉(zhuǎn)工況下車廂應(yīng)力云圖如圖10所示，等效應(yīng)力云圖如圖11所示。

從圖10可以看出，最大變形為34.6 mm，同樣位于邊板上邊框中間位置；從圖11可以看出，底板整體受力均衡，在由兩側(cè)縱梁和橫梁圍成的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)應(yīng)力由周邊向中間逐漸增大，但在傾翻座周邊受力較大，特別是傾翻座圓孔開(kāi)口的應(yīng)力集中部位，最大等效應(yīng)力為392.7 MPa。

圖10 車廂邊板位移云圖

圖11 車廂底板等效應(yīng)力云圖

2.5 各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及安全系數(shù)

LG700L材料屈服強(qiáng)度為708 MPa，安全系數(shù)=屈服強(qiáng)度/實(shí)際等效應(yīng)力值。綜合以上不同工況下各組件的應(yīng)力和變形分析，各工況部件最大等效應(yīng)力及變形見(jiàn)表2。

表2 各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及安全系數(shù)

從上述分析結(jié)果可得：邊板剛度不足，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，由于邊板變形過(guò)大，在舉升工況下邊板結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較高，所以后期優(yōu)化需提高邊板剛度。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 材料替代

車廂輕量化大板材料升級(jí)由LG700L更換為NM450，底板、邊板厚度分別為6 mm、4 mm，從第2節(jié)各工況分析結(jié)果和表1材料特性參數(shù)可知：在舉升工況下底板變形較大、邊板總成在轉(zhuǎn)彎工況下變形較大，大板材料升級(jí)后，屈服強(qiáng)度由708 MPa增加到1309 MPa，安全系數(shù)更高，車廂使用壽命將會(huì)延長(zhǎng)。減小大板厚度，會(huì)降低底板總成、邊板總成剛度，導(dǎo)致底板、邊板變形增大，為避免邊板、底板剛度不足，不建議減小底板、大板厚度。筋板材料不變，還是采用LG700L。

3.2 邊板中立柱優(yōu)化

基于第2節(jié)分析結(jié)果，車廂邊板剛度不足，引起邊板中間區(qū)域變形過(guò)大。優(yōu)化方案：在邊板中間位置增加中立柱；中立柱寬度350 mm，厚度4 mm，高度與后立柱平齊，與底板縱梁交接，刪除底板在該位置處原有的邊橫梁。如圖12所示。

圖12 邊板中立柱修改示意圖

3.3 其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)第2節(jié)中分析車廂結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高位置，如邊橫梁與底板縱梁連接拐角處；邊板中間折彎區(qū)域與后立柱交接位置等，通過(guò)增加應(yīng)力避讓口、內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行局部改進(jìn)，改善周邊受力情況，減少應(yīng)力集中。如圖13所示。

圖13 車廂結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高位置

4 優(yōu)化結(jié)果

基于上述改進(jìn)，對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化后顛簸工況邊板總成變形云圖如圖14所示，優(yōu)化后轉(zhuǎn)彎工況邊板總成變形云圖如圖15所示。結(jié)果顯示：

圖14 優(yōu)化后顛簸工況邊板變形云圖

圖15 優(yōu)化后轉(zhuǎn)彎工況邊板變形云圖

顛簸工況：邊板最大變形為14.8 mm，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。相比原結(jié)構(gòu)邊板變形27.4 mm，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)邊板剛度有明顯提高，變形減小12.6 mm。

轉(zhuǎn)彎工況：邊板最大變形為16.1 mm，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。相比原結(jié)構(gòu)邊板變形53.2 mm，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)邊板剛度有明顯提高，變形減小37.1 mm。

從上述分析結(jié)果可知：車廂邊板增加4 mm厚度的中立柱能夠顯著提高邊板總成剛度，減小邊板彈性變形，降低邊板脹廂風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)邊板使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一款出口U型輕量化自卸半掛車的廂體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度CAE仿真分析，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到結(jié)論如下：

（1）原車廂邊板剛度不足，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。在邊板中間位置增加寬度350 mm、厚度4 mm、高度與后立柱平齊的中立柱結(jié)構(gòu)，邊板總成剛度基本能滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

（2）車廂輕量化大板材料升級(jí)由LG700L更換為NM450，可以顯著提高大板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)、延長(zhǎng)車廂使用壽命。基于底板、邊板剛度性能，不建議減薄底板、邊板大板厚度。

（3）對(duì)車廂結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高位置，可通過(guò)增加應(yīng)力避讓口、內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行局部改進(jìn)，改善周邊受力情況，減少應(yīng)力集中。