劉曉輝 燕志軍

摘要：針對(duì)新設(shè)計(jì)的純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車側(cè)護(hù)欄，即需要滿足國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的強(qiáng)制要求，還要滿足純電動(dòng)汽車對(duì)輕量化的要求。首先分析《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》對(duì)側(cè)護(hù)欄的強(qiáng)制認(rèn)證要求，類比已經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的同類型鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄，繪制三維模型并導(dǎo)入有限元分析軟件，按照強(qiáng)制認(rèn)證條件對(duì)其進(jìn)行有限元分析并記錄分析結(jié)果;然后參照鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄繪制鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄三維并導(dǎo)入有限元分析軟件，按照強(qiáng)制認(rèn)證條件對(duì)其進(jìn)行有限元分析并記錄分析結(jié)果，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)鋁合金材質(zhì)的側(cè)護(hù)欄也是滿足國(guó)家強(qiáng)制認(rèn)證要求的;最后委托國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)）對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制認(rèn)證，發(fā)現(xiàn)鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄也滿足國(guó)家強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，從而驗(yàn)證了基于有限元的純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車側(cè)護(hù)欄的輕量化設(shè)計(jì)方法是可行性的。

關(guān)鍵詞：側(cè)護(hù)欄;輕量化設(shè)計(jì);純電動(dòng)汽車;強(qiáng)制認(rèn)證

中圖分類號(hào)：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0218-03

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的快速推進(jìn)，垃圾特別是生活垃圾日漸增多，成為困擾居民生活的一大詬病。純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車由于零排放、低噪音、運(yùn)量大，成為生活垃圾運(yùn)輸?shù)氖走x車輛。

汽車輕量化是純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，但純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車側(cè)護(hù)欄在設(shè)計(jì)初期，由于缺乏必要的數(shù)據(jù)，一般是從傳統(tǒng)燃油壓縮式垃圾運(yùn)輸車嫁接過(guò)來(lái)，采用鋼質(zhì)材料，這種側(cè)護(hù)欄雖然安全系數(shù)高，但其重量較重，與發(fā)展純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)初衷有些不符。

本文采用有限元仿真手段，類比以往同類型車輛側(cè)護(hù)欄的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參照價(jià)格工程的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出滿足國(guó)家強(qiáng)制認(rèn)證要求的側(cè)護(hù)欄。

1? 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄仿真

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》[1]，是壓縮式垃圾運(yùn)輸車側(cè)護(hù)欄設(shè)計(jì)和仿真的重要依據(jù)。

1.1 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元模型

1.1.1 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄分析模型

在繪制有限元分析模型時(shí)，要考慮模型的真實(shí)性、實(shí)用性、可靠性以及可鑒賞性[2-4]。類比傳統(tǒng)側(cè)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化掉不受力的裝飾性構(gòu)件，省略掉影響分析的倒角和倒圓，生成的鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元分析三維模型[5]（橫梁為矩形管型材）如圖1所示。

1.1.2 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄材料屬性及網(wǎng)格劃分

鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄的材料為Q345[6]，彈性模量為E=2.06×105 MPa，泊松比為μ=0.3，密度為ρ=7.85×10-6kg·mm-3，屈服極限σs=345MPa。

在Workbench的工作界面[4]，對(duì)鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元分析模型采用默認(rèn)單元類型，Relevance Center手動(dòng)選擇Medium，Smoothing手動(dòng)選擇Medium，Transition手動(dòng)選擇Fast，Span Angle Center手動(dòng)選擇Medium。由于側(cè)護(hù)欄和底盤(pán)連接桿間通過(guò)螺栓連接，所以側(cè)護(hù)欄和底盤(pán)連接桿間設(shè)置為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。其余為默認(rèn)值，生成71088個(gè)節(jié)點(diǎn)，27912個(gè)單元，網(wǎng)格劃分模型[7-9]如圖2所示。

1.1.3 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄力學(xué)模型

在底盤(pán)連接桿加載全約束，在加載塊加載相應(yīng)的載荷。生成的鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄力學(xué)模型如圖3所示。

1.1.4 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄加載載荷

選取GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》規(guī)定的試驗(yàn)載荷（1kN）為有限元分析載荷;加載位置選取圖4中的B1柱和B2柱間的中心位置A1，B2柱和B3柱間的中心位置A2，B3柱的中間位置A3。鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄具體加載力的大小和位置如表1所示。

1.2 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元仿真

對(duì)壓縮式垃圾運(yùn)輸車按照GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》規(guī)定的加載載荷以及加載點(diǎn)進(jìn)行有限元仿真，得到的剛度（合位移）結(jié)果如圖5和表2所示。

1.3 鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元仿真結(jié)果

由有限元仿真結(jié)果可以看出：壓縮式垃圾運(yùn)輸車鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄剛度整體較好，最大變形發(fā)生在側(cè)護(hù)欄的右側(cè)，最大值發(fā)生在壓頭加載在A2時(shí)，最大變形量為3.7772mm，能很好的阻止側(cè)面撞擊，同時(shí)能保護(hù)駕駛員的安全。

2? 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄仿真

類比鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)，考慮價(jià)值工程和市場(chǎng)的認(rèn)可度，設(shè)計(jì)鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄并進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄的設(shè)計(jì)效果。

2.1 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元模型

2.1.1 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄分析模型

設(shè)計(jì)鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄時(shí)，要優(yōu)先選用易采購(gòu)、剛度好且性能可靠的鋁合金材質(zhì)。經(jīng)多因素綜合考慮，側(cè)護(hù)欄的支撐D（如圖6）和封頭E（如圖6）采用和鋼制側(cè)護(hù)欄同種規(guī)格的鋁合金型材，而橫梁F（如圖6）采用鋁合金型材，繪制的鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄分析模型如圖6所示。

2.1.2 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄材料屬性及網(wǎng)格劃分

鋁合金側(cè)護(hù)欄的材料為6063[6]，彈性模量為E=0.71×105MPa，泊松比為μ=0.33，密度為ρ=2.77×10-6kg·mm-3，條件屈服強(qiáng)度σs=170MPa。在Workbench的工作界面，對(duì)鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元分析模型采用和鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄相同的約束條件和加載條件，生成83368個(gè)節(jié)點(diǎn)，31332個(gè)單元，網(wǎng)格劃分模型如圖7所示。

2.1.3 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄力學(xué)模型

將底盤(pán)連接桿加載全約束，在加載塊加載和鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄相同的載荷。生成的鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄力學(xué)模型如圖8所示。

2.2 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元仿真

對(duì)鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元分析模型，按照《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》的加載載荷以及加載點(diǎn)進(jìn)行有限元仿真，得到的剛度（等效應(yīng)力）結(jié)果如圖9和表3 所示。

2.3 鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元仿真結(jié)果

由鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄有限元仿真結(jié)果可以看出：類比設(shè)計(jì)后的鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄整體剛度較好，最大變形也發(fā)生壓頭側(cè)護(hù)欄的右側(cè)，最大值發(fā)生在壓頭加載在A2時(shí)，最大變形量為3.7527mm。鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄的剛度和鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄基本相同，具有很好的防止側(cè)面的撞擊的作用，最主要的是采用鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄重量減輕了近45kg。

3? 強(qiáng)制檢測(cè)驗(yàn)證

純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄經(jīng)試制、試驗(yàn)以及制造后委托國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)）進(jìn)行強(qiáng)制性檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)符合GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》中側(cè)部防護(hù)裝置的要求?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)景如圖10所示，檢測(cè)報(bào)告如圖11所示。

可以看出，純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄符合國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的強(qiáng)制要求，可以為側(cè)面撞擊在一定程度上提供防護(hù)，保護(hù)駕駛員的安全。

4? 結(jié)論

針對(duì)純電動(dòng)壓縮式垃圾運(yùn)輸車鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄，在設(shè)計(jì)初期缺乏必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，首先仿真以往成熟的鋼質(zhì)側(cè)護(hù)欄結(jié)構(gòu)并記錄仿真數(shù)據(jù);然后選擇合適的鋁合金型材，通過(guò)類比方法設(shè)計(jì)鋁合金側(cè)護(hù)欄;最后通過(guò)不斷優(yōu)化和有限元仿真找到符合要求的鋁質(zhì)側(cè)護(hù)欄模型。

本文基于有限元的類比設(shè)計(jì)方法可為類似產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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