張凱，陳韜，伍麗娜

（1.中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056；2.漢陽專用汽車研究所，湖北 武漢 430056）

前言

近些年城市建設飛速發(fā)展，我國的基建投資保持著中速增長的態(tài)勢，自卸車作為城市建設中的主力車型其市場銷量持續(xù)增長。自卸車被行業(yè)內(nèi)普遍看好的環(huán)境，各大廠商為了能在市場競爭中取得優(yōu)勢，勢必需要對自卸車產(chǎn)品進行不斷的地升級換代。隨著國家在節(jié)能環(huán)保相關政策的推進與落實，市場認識到輕量化是汽車工業(yè)的發(fā)展方向，如何對自卸車進行設計優(yōu)化以減輕其整備質(zhì)量、提高裝載量，從而降低油耗，已經(jīng)成為各改裝廠企業(yè)產(chǎn)品設計的主要研究方向之一[1,2]。本文對某款重型自卸車底板結構進行分析，校核底板結構剛強度并對其進行優(yōu)化分析，以達到輕量化目的。

1 自卸車底板結構

圖1所示為市場某款重型自卸車底板結構模型，該自卸車底板結構為4縱梁結構，主要由底板大板和筋骨折彎件焊接組成，底板尺寸7400*2300mm，底板大板材料選用NM450，筋骨材料選用LG700XL，材料性能參數(shù)如表1所示。該自卸車設計最大承載質(zhì)量 70t，運輸介質(zhì)為砂石，運輸工況為公路運輸，作業(yè)環(huán)境為局部小坑洼地段。

圖1 自卸車底板結構模型

表1 材料性能參數(shù)表

2 底板結構有限元分析

2.1 有限元模型

自卸車車廂滿載貨物傾倒初始時刻是車廂結構最為嚴重的受力工況，此時整個車廂被舉起，車廂底部縱梁與副車架分離，車廂由舉升油缸支座和車廂底部傾翻座支撐。車廂底板由于貨物作用會發(fā)一定的變形，底板縱橫梁交錯焊接位置為高應力區(qū)域，從終端客戶反映的使用情況發(fā)現(xiàn)，部分車廂該位置會產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，結合車廂結構和使用情況分析可知，主要原因是車廂底板結構剛強度不足。本文將利用有限元方法對車廂底板結構進行舉升工況分析與優(yōu)化，以提高車廂結構剛強度并最大化實現(xiàn)輕量化[3]。

底板結構主要由底板大板和折彎件焊接組成，都是薄壁件，有限元分析時采用殼單元進行模型，單元類型主要選用四邊形單元，底板結構有限元模型單元總數(shù)為397336個，其中三角形占比為0.57%，未超過5%，符合一般工程結構分析有限元建模規(guī)范。

2.2 邊界條件及載荷

本文分析只針對底板結構，有限元分析時約束底板與側板、前板交接處節(jié)點的豎直方向自由度（圖中紅色高亮區(qū)域），后傾翻座支撐底板后端，分析時約束傾翻座5個自由度、釋放橫向轉(zhuǎn)動自由度（圖中黑色區(qū)域）?？紤]底板自重，利用壓強載荷模擬貨物載重，壓強大小為：

式中：p底板為底板壓強；G為貨物載重；S為底板上表面面積。

圖2 底板結構邊界條件示意圖

2.3 分析結果

對自卸車底板進行邊界條件及載荷施加，分析舉升工況下底板結構的剛強度性能，分析結果如下：

1）圖3顯示底板結構最大變形為30.4mm，位于底板中間處（為便于觀察變形趨勢，云圖中變形放大5倍，具體變形值沒有增大）；

圖3 底板結構變形云圖

2）圖4顯示底板結構中部縱橫梁交接位置區(qū)域（云圖中黑色區(qū)域）最大等效應超過了材料許用應力。從分析結果來看，底板結構在該工況下存在一定的屈服失效風險，需對結構進行優(yōu)化改進設計。

圖4 底板結構等效應力云圖

3 底板結構優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設定

本文將通過尺寸優(yōu)化方法對廂體各結構零部件進行優(yōu)化，從而達到輕量化目的。自卸車車廂底板的輕量化設計問題為優(yōu)化設計問題，其數(shù)學模型可以定義為：

式中s.t表示約束條件，x為變量，f（x）為目標函數(shù)，minf（x）表示目標函數(shù)取最小值。

基于上述優(yōu)化數(shù)學模型，對底板結構進行優(yōu)化，優(yōu)化三要素如下：

1）優(yōu)化變量：部件板厚。

2）優(yōu)化約束：底板最大變形不超過20mm、高應力區(qū)域減小且應力滿足強度條件。

3）優(yōu)化目標：質(zhì)量最小化。

3.2 優(yōu)化結果

優(yōu)化后各部件厚度如表2所示，對部件板厚取整后再次進行仿真分析。

圖5-7顯示為優(yōu)化后底板結構的變形及應力云圖，分析結果如下：

1）圖5顯示底板結構最大變形為19.1mm，相比原結構變形30.4mm減小了37.2%。

表2 優(yōu)化后底板結構部件厚度

2）圖6-7顯示底板結構部分區(qū)域（云圖中黑色區(qū)域）最大等效應超過了許用應力。相比原底板結構，優(yōu)化后結構高應力區(qū)域要小得多，只有極少量單元超過材料許用應力，對整體結構性能影響較小，符合設計要求。

3）原底板總成重2074kg，優(yōu)化后底板總成2007kg，重量減輕67kg。

圖5 優(yōu)化后底板變形云圖

圖6 優(yōu)化后底板應力云圖

圖7 原結構與優(yōu)化后結構應力對比

4 結論

本文通過有限元方法對重型自卸車底板結構進行了分析與優(yōu)化，結果表明：原底板結構設計存在一定屈服失效風險，不能滿足舉升工況作業(yè)要求；優(yōu)化后的車廂底板結構變形減小37.2%，結構強度滿足要求，底板總成減重67kg。通過仿真技術及優(yōu)化方法能夠有效地為底板結構優(yōu)化設計提供設計參考。