某自卸車車廂結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

周文海黃貴東

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 1545006；2.柳州博實(shí)唯汽車科技有限公司，廣西 柳州 545005）

某自卸車車廂結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

周文海1黃貴東2

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 1545006；2.柳州博實(shí)唯汽車科技有限公司，廣西 柳州 545005）

為研究某船型自卸車車廂結(jié)構(gòu)，對車廂滿載舉升典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了車廂的變形和應(yīng)力狀況。針對該類車廂結(jié)構(gòu)易受疲勞和強(qiáng)度破壞的薄弱環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并對改進(jìn)的車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。將改進(jìn)前后的分析結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示通過改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)有效的提高了此車廂的強(qiáng)度和剛度，對此類自卸車車廂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有實(shí)用的參考意義。

自卸車；車廂；改進(jìn)設(shè)計(jì)

自卸車是應(yīng)用最廣泛的商用車之一。車廂是自卸車用于裝載和傾卸貨物的構(gòu)件，通常由前欄板，左、右側(cè)欄板，后欄板和底板組成。車廂承受著繁重的載荷，尤其是汽車在通過不平路面時，車廂容易接收地面激勵而產(chǎn)生沖擊載荷。通常自卸車的工作環(huán)境比較惡劣，這無疑對車廂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提出了更高的要求。當(dāng)車廂設(shè)計(jì)或制造工藝存在缺陷時，就容易引起車廂局部斷裂或變形，從而影響使用同時局部結(jié)構(gòu)的不同，會影響到自卸車車廂的受力及變形。因此，自卸車車廂應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度和合理的結(jié)構(gòu)。合理地改進(jìn)自卸車車廂的結(jié)構(gòu)，是降低應(yīng)力、減小變形的重要手段。[1]

本文針對某款重型自卸車車型的車廂進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，找出車廂相對薄弱的部分并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過合理優(yōu)化原有車廂，使其具備足夠的強(qiáng)度和剛度，有效的提高該自卸車車廂工作的可靠性。與以往僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)車廂結(jié)構(gòu)的方式相比，將CAE融入到自卸車車廂的設(shè)計(jì)當(dāng)中，能有效地縮短研發(fā)周期，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。從而達(dá)到減少開支，提高產(chǎn)品的競爭力目的。

1 車廂模型工況描述

圖1為典型的底板橫剖面呈矩形的后傾式車廂結(jié)構(gòu)。圖1中所示1為車廂總成，2為后欄板，3和4為鉸鏈座，5為車廂鉸支座，6為側(cè)欄板，7為防護(hù)擋板，8為底板。為避免裝載時物料下落碰壞駕駛室頂孟，通常車廂前欄板加做向上前方延伸的防護(hù)擋板。車廂底板固定在車廂底架之上。車廂的側(cè)欄板、前后欄板外側(cè)面通常布置有加強(qiáng)筋。

圖1　車廂結(jié)構(gòu)意圖

車廂是自卸車的載貨構(gòu)件，因其存在相當(dāng)數(shù)量的橫縱梁及加強(qiáng)筋，形狀顯復(fù)雜。而汽車行駛狀況千變?nèi)f化，道路狀況、載貨種類與重量、氣候條件、車輛運(yùn)動狀態(tài)等等都是不定的。因此，要確切知道車廂各點(diǎn)的受力情況很困難，簡化其力學(xué)模型就成為車廂有限元分析必要進(jìn)行的工作。[2]

圖2　兩種工況簡化力學(xué)模型

圖3　車廂三維模型

2 車廂靜力學(xué)分析及結(jié)果討論

車廂在滿載時，貨物對底部的壓力可簡化為均布載荷。滿載靜態(tài)工況下，其底板縱梁與車架接觸，可簡化為車架對車廂的作用力是與貨物對車廂底板壓力等大反向的均布載荷；滿載舉升工況下，車廂在離開車架的時刻，車架對車廂底部除鉸接點(diǎn)之外不再有作用力，與貨物對底板的平衡力來自于舉升機(jī)構(gòu)的舉升力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以將自卸車車廂受力模型簡化如圖2-b所示。[3]

由于舉升工況車廂所受力遠(yuǎn)大于靜態(tài)工況，故只需分析滿載舉升工況時車廂受力情況即可。因?yàn)樵谛敦浀倪^程，隨著貨物的傾卸，載荷會隨之減少，故只要此時強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求，舉升過程其他時刻也會滿足強(qiáng)度要求。載荷的施加情況如表1所示。

表1　車廂載荷情況

本文選取殼單元離散，包括4節(jié)點(diǎn)四邊形單元和3節(jié)點(diǎn)三角形單元，焊接、液壓缸座及后欄板鎖扣用 1D單元 rbe2連接。本次的模型中以10mm邊長的三角和四邊形網(wǎng)格劃分了總共92萬個網(wǎng)格單元，如圖4所示。

圖4　網(wǎng)格劃分模型

將前處理好的模型提交有限元分析軟件計(jì)算，得到等效應(yīng)力如圖5所示、位移云圖如圖6所示。分析結(jié)果表明車廂底板中部橫縱梁連接區(qū)域最大應(yīng)力為540.6Mpa；底板中部最大位移為17.63mm；側(cè)欄板中部最大位移為0.26mm。底板中部第三到第九根橫梁與中縱梁連接處應(yīng)力過大，第四到第八根縱梁之間位移量過大。雖然此應(yīng)力值在材料屈服應(yīng)力范圍之內(nèi)，舉升時位移也在材料剛度允許范圍。但考慮到超載、動荷、沖擊等情況，此計(jì)算結(jié)果下底板的強(qiáng)度及剛度是不夠的。這也是此車廂容易出現(xiàn)變形、撕裂的主要原因。

圖5　改進(jìn)前滿載舉升應(yīng)力云圖

圖6　改進(jìn)前滿載舉升位移云圖

3 車廂改進(jìn)設(shè)計(jì)及對比分析

針對以上對車廂靜力學(xué)分析結(jié)果，通常可采用對底板加厚1mm以及在底板橫梁縱梁間加三角加強(qiáng)筋兩種改進(jìn)方案。

兩種方案達(dá)到車廂底部的應(yīng)力及位移效果基本一致，但考慮到加厚底板會大大增加自卸車自重，底板厚度增加1mm則自卸車自重將增加 126KG，不符合輕量化設(shè)計(jì)主流；在底板橫梁縱梁間焊接加強(qiáng)筋方案共需增加36塊三角加強(qiáng)筋，總共約重33KG，相比之下故而采取此改進(jìn)方案更為合理。

對車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)有如下四點(diǎn)要求：（1）在原基礎(chǔ)上改進(jìn)，不能大范圍破壞原結(jié)構(gòu)。（2）改進(jìn)操作簡單、工藝性好。（3）要求改進(jìn)后能有效降低關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力，減小關(guān)鍵區(qū)域位移。（4）改進(jìn)結(jié)構(gòu)后不能影響外觀。改進(jìn)后的模型如圖7。

圖7　改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

改進(jìn)方案等效應(yīng)力如圖8所示，位移云圖如圖9所示。分析結(jié)果表明車廂底板中部橫縱梁連接區(qū)域最大應(yīng)力為320.2Mpa；底板中部最大位移為 11.62mm；側(cè)欄板中部最大位移為11.04mm。對車廂強(qiáng)度及剛度分析結(jié)果進(jìn)行對比如表2所示。

圖8　改進(jìn)后滿載舉升應(yīng)力云圖

圖9　改進(jìn)后滿載舉升位移云圖

表2　改進(jìn)前后分析比較

從表 2可看出，對車廂進(jìn)行局部改進(jìn)后，底板橫縱梁連接處最大應(yīng)力可有效降低到材料屈服強(qiáng)度以下；底板最大位移有效減小，車廂剛度更好。同時應(yīng)當(dāng)看出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，滿載舉升工況下側(cè)欄板位移有所增大，但在可以接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）分析了自卸車車廂的結(jié)構(gòu)形式及車廂各種工況的受力情況，針對滿載舉升工況進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到了其應(yīng)力分布及位移云圖。

（2）對車廂結(jié)構(gòu)易受疲勞和強(qiáng)度破壞的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對改進(jìn)的車廂滿載舉升工況進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明改進(jìn)結(jié)構(gòu)后車廂底部應(yīng)力值降低，車廂底部的位移減小，剛度增強(qiáng)，可更有效抵車廂抗變形。

（3）利用 CAE技術(shù)指導(dǎo)自卸車車廂的設(shè)計(jì)，通過局部改進(jìn)可以達(dá)到整體性能提升的目的，對延長此自卸車使用壽命，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力具有很大幫助。

[1] 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.

[2] 伍浩明.一種自卸車貨箱輕量化方案的可行性探討[J].專用汽車,2008,(3):25.

[3] 朱曉晶,籍慶輝,朱平.基于多種工況下的自卸車車廂輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2014,(5):47-52.

A dump truck car structure analysis and design improvements

To study the structure of one ship type dump truck carriage, stress and displacement distribution analysis is conducted for static full load lifting.It is provided the basis for the improvement and optimum of the structure,and some corresponding improvement plans were proposed. Compared the analysis results before and after improvement, the results show that the strength and stiffness of the carriage is improved after improving the local structure, the research and practice of this paper possess certain practical significance and referential value in the design of such a dump truck carriage structure.

Dumper; carriage; improved design

S-3

A

1008-1151(2015)07-0069-03

2015-06-13

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃“整車與零部件輕量化共性應(yīng)用技術(shù)平臺建設(shè)”（2012E010102）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃課題“整車及零部件可靠性與輕量化共性應(yīng)用技術(shù)引進(jìn)”（2012DA37002）。

周文海（1958－），男，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車系主任，教授。