董志明，郭海全，潘艷君，段景飛，丁浩然

(1.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.內(nèi)蒙古包頭北方安全防護(hù)裝備制造有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

礦用自卸車車廂力學(xué)性能研究

董志明1，郭海全1，潘艷君2，段景飛1，丁浩然1

(1.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.內(nèi)蒙古包頭北方安全防護(hù)裝備制造有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

車廂是礦用自卸車的關(guān)重部件，在使用過(guò)程中承受著動(dòng)態(tài)變化的載荷，受力情況極為復(fù)雜，需要對(duì)車廂的受力進(jìn)行分析研究以作為評(píng)判設(shè)計(jì)的依據(jù)。本文對(duì)車廂在物料運(yùn)輸、舉升卸料、空載返程、裝載物料4種工況下的受力情況進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，采用有限元方法對(duì)車廂的強(qiáng)度、剛度、疲勞性能進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可作為評(píng)判車廂設(shè)計(jì)優(yōu)劣的依據(jù)，也可以作為車廂輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

礦用自卸車；有限元；車廂；強(qiáng)度；剛度

礦用自卸車主要應(yīng)用于露天礦山散裝物料的運(yùn)輸，車廂作為礦用自卸車重要部件之一，在實(shí)際工作過(guò)程中承受著多種載荷，比如扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊、振動(dòng)；車廂的額定載重量是車廂自重的7～10倍，車廂自重占整車整備質(zhì)量的15%～25%；并且車廂和物料對(duì)車架的作用是車架設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)考慮的因素。所以說(shuō)在設(shè)計(jì)過(guò)程中準(zhǔn)確地計(jì)算和評(píng)估車廂的力學(xué)性能，對(duì)于車廂輕量化設(shè)計(jì)、提高車廂壽命、研究車廂對(duì)車架的作用、提高運(yùn)輸效率等方面有著極為重要的意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車廂的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。劉釗等[1]在對(duì)車廂靜態(tài)有限元分析的基礎(chǔ)上，研究了車廂的輕量化設(shè)計(jì)；馬洪鋒等[2]在研究整車布局的前提下，對(duì)車廂的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究；王越等[3]對(duì)車廂沖擊過(guò)程的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬；石金鵬等[4]對(duì)礦用自卸車的車量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；于振偉等[5]對(duì)大型電動(dòng)輪礦用自卸車車廂進(jìn)行了數(shù)值分析。本文在總結(jié)以上學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)礦用自卸車在不同工作環(huán)境下對(duì)車廂的載荷分別加以研究，用一種較為系統(tǒng)的方法評(píng)估車廂的力學(xué)性能，作為評(píng)判設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1 車廂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用自卸車車廂的卸料方式一般為中頂后卸式，根據(jù)車廂底板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)車廂大致可以分為兩種類型(圖1)。一種類型是車廂底板水平放置，底板尾部后翹一個(gè)角度，底板尾部的后翹一方面可以防止車輛在行駛過(guò)程中物料掉落，另一方面車廂在卸料時(shí)后翹的底板上可以覆蓋一層物料，形成“料磨料”的情況，減輕物料對(duì)車廂底板的磨損；另一種類型是車廂底板整體傾斜一個(gè)角度，一般為12°，從側(cè)面來(lái)看形成一個(gè)楔形。在裝載某些密度較小的物料時(shí)，車廂尾部可以增加一個(gè)尾板，以增加車廂的容積。不管是那一種類型的車廂，其主要由車廂底板、側(cè)板、前板、駕駛室護(hù)板及相關(guān)輔件組成，各部件由鋼板和筋槽組成，再整體焊接(圖2)。

圖1 兩種類型的車廂

圖2 典型車廂結(jié)構(gòu)

車廂在使用過(guò)程中，由于物料的作用力，在側(cè)板與底板、側(cè)板與前板等連接部位的根部會(huì)形成很大的應(yīng)力，另外車廂側(cè)板與底部連接處的尾部是一個(gè)半開(kāi)放結(jié)構(gòu)，整體剛性較差，在使用過(guò)程中受物料的作用力，側(cè)板會(huì)逐漸變形并向外張開(kāi)。車廂的使用環(huán)境可以分為滿載物料運(yùn)輸、舉升卸料、空載返程、裝載物料4種情況，本文根據(jù)整車使用環(huán)境的不同，有針對(duì)性地研究了車廂各部件的受力情況。

2 物料運(yùn)輸

在物料運(yùn)輸環(huán)節(jié)，可以細(xì)分為整車勻速行駛、加速行駛、轉(zhuǎn)向行駛3種情況。運(yùn)輸過(guò)程中車廂的受力主要有車架對(duì)車廂底板的支撐力，物料對(duì)車廂底板和側(cè)板、前板的壓力，以及由于加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力。

關(guān)于物料對(duì)車廂底板的作用力，分析方法較為簡(jiǎn)單，可以在Pro/E或其他三維軟件中根據(jù)物料堆積后的形狀，計(jì)算出物料對(duì)底板的壓力分布。物料對(duì)底板的壓力分布是一個(gè)連續(xù)變化的量，可以用函數(shù)擬合，或者是將壓力分布數(shù)據(jù)離散為一個(gè)數(shù)據(jù)表，有限元軟件支持函數(shù)或數(shù)據(jù)表的載荷。

車廂側(cè)板及前板的受力情況較為復(fù)雜，在本文中重點(diǎn)說(shuō)明車廂側(cè)板的受力情況。根據(jù)整車的工作環(huán)境及裝載物料的不同，車廂的受力情況也不同。關(guān)于車廂側(cè)板和前板在物料作用下的壓力問(wèn)題是非常復(fù)雜的，與物料的特性、密度、含水率、溫度等有著很大的關(guān)系，目前有很多理論針對(duì)散裝物料對(duì)側(cè)壁的壓力進(jìn)行研究。對(duì)于礦用自卸車來(lái)說(shuō)，車廂的形狀和物料堆積后的形狀是復(fù)雜的，并且車輛在運(yùn)行過(guò)程中，車廂承受著一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的載荷，車廂側(cè)板和前板的壓力分布是實(shí)時(shí)變化的，而且車輛在工作過(guò)程中的環(huán)境復(fù)雜多變，詳細(xì)分析計(jì)算某一物料在某一特定環(huán)境中對(duì)車廂的作用力意義也不是很大。本文提出了一個(gè)參考靜水壓力的方法(圖3)來(lái)計(jì)算物料對(duì)側(cè)壁的壓力，雖然它不能準(zhǔn)確描述車廂復(fù)雜多變的工作環(huán)境，但是它可以作為一種衡量指標(biāo)，用來(lái)判定車廂力學(xué)性能的優(yōu)劣。

2.1 滿載勻速行駛

在該工況下，堆積的物料會(huì)對(duì)車廂側(cè)板產(chǎn)生一個(gè)指向外側(cè)的張力(圖4)，引起車廂側(cè)板的變形，以及會(huì)在車廂側(cè)板和底板連接處產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力。物料對(duì)車廂側(cè)板的分布?jí)毫梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)化公式(式(1))進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：σ為物料對(duì)車廂側(cè)板的壓應(yīng)力；ρ為物料的密度；g為重力加速度；z為車廂側(cè)板頂部到物料的距離；zmax為物料頂部到車廂側(cè)板頂部的距離。

圖3 車廂側(cè)板壓力分布

圖4 滿載勻速行駛時(shí)車廂側(cè)板壓力分布

在Ansys軟件中，可以施加Hydrostatic Pressure載荷，該載荷是一種模擬流體對(duì)容器側(cè)壁壓力的載荷，隨著流體高度的增加，流體會(huì)對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)性變化的壓力。從式(1)可以看出，在滿載勻速行駛工況，物料對(duì)側(cè)板的壓力約等于2/3倍的靜水壓力。

2.2 滿載加速行駛

該工況是指大扭矩情況下的啟動(dòng)(圖5)，也就是說(shuō)以動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大扭矩進(jìn)行啟動(dòng)，由于各車型的整備質(zhì)量和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)配置的不同，啟動(dòng)能力也稍有差異，根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)和整車質(zhì)量可以確定車輛在啟動(dòng)時(shí)的最大加速度。在分析時(shí)也可以進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)對(duì)各車型進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，以及參考相關(guān)文獻(xiàn)的情況下，在該工況下，最大啟動(dòng)加速度確定為0.3 g。物料對(duì)車廂側(cè)板的分布?jí)毫梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)化公式(式(2))進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：σ為物料對(duì)車廂側(cè)板的壓應(yīng)力；ρ為物料的密度；gx為啟動(dòng)加速度；x為車廂尾部到物料某一位置的縱向距離。

從式(2)可以看出，在滿載加速行駛工況，物料對(duì)側(cè)板的壓力約等于1/7倍的靜水壓力，這里要注意到加速度的方向指向車輛的正前方。

2.3 滿載轉(zhuǎn)向

當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于離心力的作用，物料會(huì)對(duì)車廂的外側(cè)側(cè)板產(chǎn)生一個(gè)正壓力(圖6)，壓力的大小與車輛的最大側(cè)向加速度相關(guān)，見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：σ為物料對(duì)車廂側(cè)板的壓應(yīng)力；ρ為物料的密度；gY為車輛的側(cè)向加速度；W為兩車廂側(cè)板之間的距離。

圖5 滿載加速行駛時(shí)車廂側(cè)板壓力分布

圖6 滿載轉(zhuǎn)向行駛時(shí)車廂側(cè)板壓力分布

從式(3)可以看出，在滿載轉(zhuǎn)向行駛工況下，物料對(duì)側(cè)板的壓力約等于2/5倍的靜水壓力，并且與車廂的寬度相關(guān)。

3 舉升卸料

在車廂的底板上設(shè)計(jì)有舉升支座，用來(lái)安裝舉升缸。舉升過(guò)程中，舉升支座承受的載荷大小和方向是隨時(shí)間變化的，屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程?？紤]到在舉升過(guò)程中，一方面隨著物料的卸載，車廂及物料的質(zhì)量逐漸減小；另一方面在舉升過(guò)程中，車廂向后旋轉(zhuǎn)，車廂及物料的總質(zhì)心逐漸向后移動(dòng)。所以在舉升的初始階段，舉升力最大，同時(shí)對(duì)舉升支座的載荷也最大。所以在分析時(shí)，可以將這個(gè)工況簡(jiǎn)化為一個(gè)穩(wěn)態(tài)載荷，只考查舉升初始時(shí)舉升力對(duì)車廂的影響。

4 空載返程

由于礦用自卸車的懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是考慮車輛在滿載情況下的使用環(huán)境，所以說(shuō)在空載返程時(shí)，車廂的振動(dòng)頻率要高于滿載情況。這樣確定空載時(shí)車廂的振型和固有頻率，優(yōu)化車廂的結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免車廂在一般路面上發(fā)生共振有著重要意義。

對(duì)車廂進(jìn)行模態(tài)分析，可以從另外一個(gè)角度考查車廂的剛度特性。通過(guò)車廂的固有頻率能夠評(píng)價(jià)車廂與路面或其它激勵(lì)之間的動(dòng)態(tài)干擾，這樣可以修改車廂的結(jié)構(gòu)避開(kāi)激勵(lì)頻率，防止共振。另外通過(guò)模態(tài)分析可以獲得車廂的振型，判斷出變形較大的位置，用來(lái)確定車廂結(jié)構(gòu)改進(jìn)的措施，從而可以改進(jìn)車廂風(fēng)度，減少振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳遞。車廂的前十階頻率一般低于100 Hz，振型以彎曲或扭轉(zhuǎn)為主。

圖7是某一型號(hào)礦用自卸車車廂的5階和7階模態(tài)振型，其固有頻率分別是29.23 Hz和34.52 Hz，可以發(fā)現(xiàn)車廂側(cè)板和頂板在該頻率下有較大彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

圖7 車廂振型

5 裝載物料

在裝載物料時(shí)，車廂底板要承受物料的沖擊載荷，沖擊載荷的大小與物料的特性、車廂的載重量、裝載機(jī)的高度相關(guān)。礦用自卸車的載重量范圍是28～400 t，一般來(lái)說(shuō)，為了提高裝載效率，4～5個(gè)鏟斗是裝載機(jī)與礦車的最佳匹配，這樣平均到每一鏟斗大約是7～100 t。分析時(shí)可以根據(jù)車輛的載重量，制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊，以統(tǒng)一的高度自由落體來(lái)模擬物料對(duì)車廂底板的沖擊。

6 車廂的有限元分析方法

6.1 車廂的有限元建模

以某車型車廂為例，該車廂的額定載重量是100 t，由不同板厚和不同材料的鋼板焊接而成，為得到車廂的整體應(yīng)力、變形分布，以及局部關(guān)注位置的應(yīng)力狀態(tài)，采用Ansys有限元軟件對(duì)車廂進(jìn)行分析計(jì)算。該車廂的大部分零部件由鋼板折彎成形后拼焊而成，并且零部件的幾何尺寸遠(yuǎn)大于板厚，所以采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用殼單元可以大大減少單元數(shù)量，縮減計(jì)算規(guī)模；一些幾何尺寸與板厚相差不大，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)分析結(jié)果有著很大的影響，尤其是在進(jìn)行一些非線性分析時(shí)，質(zhì)量差的網(wǎng)格在求解過(guò)程中甚至不能收斂，推薦的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參考表1。圖8是車廂的有限元模型，大部分采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；圖9是車廂鉸接支座處的網(wǎng)格劃分，由于該處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且有個(gè)別零件不屬于薄壁零件，所以采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 車廂網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

圖8 車廂整體網(wǎng)格劃分

圖9 鉸接支座網(wǎng)格劃分

6.2 焊縫處理方式對(duì)車廂分析結(jié)果的影響

在對(duì)車廂進(jìn)行有限元建模時(shí)，焊縫的處理非常重要。車廂結(jié)構(gòu)中有著大量的焊接連接，對(duì)其進(jìn)行整體分析時(shí)，先可以忽略焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，零件與零件之間定義BOND接觸形式，在得到部件的整體位移場(chǎng)分布后，可以采用子模型的方法對(duì)所關(guān)注的區(qū)域補(bǔ)充完善焊縫(用體單元精細(xì)模型表示)，定義材料、劃分規(guī)則細(xì)致的網(wǎng)格后進(jìn)行有限元分析，這樣就可以在縮小計(jì)算規(guī)模的前提下得到關(guān)注區(qū)域較為準(zhǔn)確的應(yīng)力分布。

目前對(duì)于焊縫的有限元分析主要集中在汽車焊點(diǎn)上，對(duì)于大型工程機(jī)械的焊縫研究較少。焊縫對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度、應(yīng)力、模態(tài)有著一定的影響，合理、準(zhǔn)確地對(duì)結(jié)構(gòu)上的焊縫進(jìn)行模擬有著重要的意義。根據(jù)分析計(jì)算的目的不同，焊縫模型可以分為精細(xì)模型和簡(jiǎn)單模型兩種。精細(xì)模型以體單元精細(xì)網(wǎng)格的形式表達(dá)焊縫，其分析結(jié)果與實(shí)體最為接近，可以得出焊縫本身的應(yīng)力場(chǎng)分布，以及進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)；簡(jiǎn)單模型它不關(guān)注焊縫本體的應(yīng)力場(chǎng)，主要是模擬焊縫的剛度特性對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響。

焊縫簡(jiǎn)單模型和精細(xì)模型的應(yīng)用原則：對(duì)部件進(jìn)行整體分析時(shí)，主要是關(guān)注部件整體上的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布，忽略了一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征的影響，此時(shí)為了縮減計(jì)算規(guī)模，適宜采用簡(jiǎn)單模型；如果關(guān)注部件上某一位置處焊縫的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及對(duì)其周圍局部位置的影響，推薦使用精細(xì)模型，采用體單元精細(xì)網(wǎng)格表示焊縫。

圖10是焊縫的精細(xì)模型和簡(jiǎn)單模型，精細(xì)模型中用體單元精細(xì)網(wǎng)格模擬焊道的實(shí)際形狀，簡(jiǎn)單模型中直接在兩塊板之間定義接觸行為。通過(guò)圖11可以看出，在相同的邊界條件和載荷下，在接近焊縫區(qū)域的位置精細(xì)模型和簡(jiǎn)單模型的分析結(jié)果區(qū)別很大，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的位置，應(yīng)力場(chǎng)分布基本一樣。這說(shuō)明焊縫只對(duì)局部位置處的剛度和應(yīng)力場(chǎng)有影響。

6.3 結(jié)果分析

為了方便載荷施加及約束條件的處理，在對(duì)車廂進(jìn)行有限元分析時(shí)，將車架用一個(gè)簡(jiǎn)單的粗糙模型代替，約束車架的所有自由度；定義車廂鉸接孔與車架鉸接孔為無(wú)摩擦圓柱支撐；定義車架上表面對(duì)車廂底板縱梁的支撐；對(duì)車廂底板及側(cè)板施加物料質(zhì)量產(chǎn)生的載荷，并采用上文所述的方法施加載荷。

圖10 焊縫的精細(xì)模型和簡(jiǎn)單模型

圖12是車廂側(cè)板在滿載勻速行駛工況下的Von-Mises等效應(yīng)力分布，可以發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力主要集中車廂側(cè)板與底板的連接處，以及加強(qiáng)筋交叉的位置。圖13是車廂側(cè)板的變形分布，可以發(fā)現(xiàn)車廂側(cè)板在物料擠壓的作用下發(fā)生了變形，最大變形量為7.64 mm。

圖11 精細(xì)模型和簡(jiǎn)單模型應(yīng)力場(chǎng)分布比較

圖12 車廂側(cè)板等效應(yīng)力分布

圖13 車廂側(cè)板變形分布

7 結(jié) 果

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為有限元技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了很好的平臺(tái)，本文在對(duì)車廂各工況的受力情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出采用有限元的分析方法來(lái)對(duì)車廂的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，可以克服物理試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。不同型號(hào)規(guī)格的車廂之間有很多共性，企業(yè)可以根據(jù)自身產(chǎn)品的特性，規(guī)范分析流程和分析過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注的要素，制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，這樣可以大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析周期[6]。

[1] 劉釗，朱平，籍慶輝.靜動(dòng)態(tài)工況下的自卸車車廂輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2016(5)：112-117.

[2] 馬洪鋒，董栓牢，孟慶勇，等.某型礦用自卸車車廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].工程機(jī)械，2012(8)：33-36，113.

[3] 石金鵬，楊祖一.SGA3723礦用汽車貨箱輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)[J].金屬礦山，2009(8)：111-113，129.

[4] 余振偉，張強(qiáng).SET230型電動(dòng)輪礦用自卸車車廂數(shù)值分析研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2010(1)：103-106.

[5] 董志明，郭海全，潘艷君，等.有限元技術(shù)在礦用自卸車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2011(4)：63-67.

[6] 王越，何陽(yáng).礦用自卸車車廂承受沖擊的數(shù)值分析[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(4)：15-19.

Study on the mechanical properties of dump truck’s body

DONG Zhiming1，GUO Haiquan1，PAN Yanjun2，DUAN Jingfei1，DING Haoran1

(1.Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co.，Ltd.，Baotou 014030，China；2.Inner Mongolia North Safety and Defend Equipment Co.，Ltd.，Baotou 014030，China)

It was important to analyze mechanical properties of dump truck’s body that was the key part of dump truck and bear varying dynamic load，the stress distribution is very complex when the truck in use.A finite element method was put forward to calculate the strength，stiffness，fatigue performance of dump truck’s body under transporting material，unloading material，returning，loading material.It can be the evidence of lighting design and optimizing design of the body.

dump truck；finite element method；body；strength；stiffness

2017-03-30 責(zé)任編輯：劉艷敏

國(guó)家火炬計(jì)劃資助(編號(hào)：2011GH040162)

董志明(1979-)，男，高級(jí)工程師，清華大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，主要從事礦用自卸車設(shè)計(jì)工作及車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度研究，E-mail：dzm@chinanhl.com。

TD572+.1

A

1004-4051(2017)07-0159-05