JDB2000A電動垃圾車底盤結構分析和優化

強豪杰

摘? 要：JDB2000A型電動垃圾清掃車已經投入生產使用中，但是底盤的結構設計的并不是完全的合理，而且重量相對而言過重，需要進行一定的結構優化。所以對底盤結構進行三維建模，并且用ANSYS分析軟件進行應力學分析，找出底盤結構的應力薄弱區和可以優化的部分。進行一定程度的結構優化。這樣避免了底盤結構的薄弱區域破壞，并且在保證車輛正常使用功能的情況下，使得電動垃圾清掃車實現了輕量化。減輕了整車的重量，加長了電動垃圾清掃車的工作時間。

關鍵詞：電動垃圾清掃車? 底盤? ANSYS? 結構優化

中圖分類號：U469 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0099-02

1? 內清掃車的發展歷經了3個階段

第一階段，在20世紀60年代，由德國率先研制出純掃式清掃車。但是其單位時間清掃性和效果均不太理想，同時由于地面條件的限制，從而導致只有少數大城市使用并沒有被大多數城市所接受。直到80年代末我國制造出了一臺吸掃一體式清掃車，其在單位時間內的清掃效率有了明顯提升，并擁有極高的性價比，隨后才在各大中城市中得到了廣泛的認可。

第二階段，0世紀末期，由于科技的發展，使得清掃車也得到了很快的迭代。清掃車不光在我國得到了普遍的應用，也在全世界的各個國家出現。各種類型和各種規格的吸掃式清掃車也不斷涌現。清掃車多數為2～8t汽車底盤改裝，常用于城市主干道、城鄉結合部、高速公路的路面清掃作業。近年來，生產企業又開發了專用底盤、多種規格的中小型全液壓清掃車。

第三階段，2000年之后，清掃車市場依舊保持了快速發展的形式。目前清掃車的品種規格、使用性能已能基本滿足國內的需求，產品線有2～10t各個型號。

由這3個階段也可以看出來，國內的垃圾清掃車也經歷了一個過程，它并不是一蹴而就的，而是慢慢地發展起來的。在這個發展過程中，會發現很多的問題，這些問題，有些已經很好地解決了，但是有些依然存在。并且，在發展的過程中，還會發現很多新的問題。

2? ANSYS優化設計基本過程

2.1 使用ANSYS進行優化設計的流程

利用ANSYS優化設計通常有兩種途徑：一是批量處理方法，二是通過GUI交互式進行優化。在實際優化過程中，通常需要根據對ANSYS的習慣和熟悉程度在這兩種方法間進行選擇。如果對于ANSYS程序有一個深刻的認知，可以用命令輸入全部需要優化的文件并選擇第一種方法進行優化。第一種方法在應對需用大量計算的分析任務例如非線性計算，其效率比較出眾。然而GUI交互方式就相對于批量處理方法有更好的靈活性，可以對結果進行循環實時監控。在使用第二種方法即GUI方式進行優化時，關鍵的一步是要建立模型的分析文件，然后利用優化處理器所提供的功能來進行交互式操作。這些基礎的交互式的操作可以縮小設計空間的大小，從而提高優化過程效率。

2.2 Solid186（3-D）實體單元

該文選取的建模單元為Solid186（3-D）實體單元。Solid186是一個高階3維20節點固體結構單元，SOLID186具有二次位移模式可以更好地模擬不規則的網（如通過不同的CAD/CAM系統建立的模型）。單元通過20個節點來定義，每個節點有3個沿著X-Y-Z方向平移的自由度。SOLID186可以具有任意的空間各向異性、單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力鋼化、大變形和大應變能力。還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。

3? 基于ANSYS的電動垃圾清掃車底盤的優化

優化底盤的過程如下。

電動垃圾清掃車采用的是Q235結構材料，主要使用的是型材槽鋼。其具有的材料屬性為：楊氏模量E為210GPa;材料的密度是7.85g/cm3;泊松比為0.3。在ANSYS中的分析，從結果中可以看出來，這個底盤結構的中間部分的受力最大，發生的變形非常明顯。而且中間的變形結果出現了紅色，這個就說明了中間的變形過大，可能會直接導致底盤的崩壞。同時還有一個問題，就是底盤前面的主縱梁變形過大，這個可能會存在問題。

然后關于問題已經發現了，現在就是解決問題，優化方面了。首先，針對薄弱點，最直觀的方法是直接采用加厚處理，然后在變形最大的點采用更加厚的鋼板來進行分析。首先是采用直接優化的方式，當薄弱點增加到10的時候，分析結果依然類似，當時以為是加厚不夠。當以為是厚度不夠的時候，采用厚度繼續增加的方式，可是當厚度增加到30的時候，結構變形依然如此。由此可以得出結論，最終的位移和這個薄弱點板的厚度相關度并不是太大，而是應該和這個底盤的結構有關，簡支梁的結構中間受力，兩邊支撐，這樣的結構必然會導致底盤的中間部分受到最大的應力和產生最大的撓度。這個時候的優化就不再是一些參數的變化，而是結構的改變來實現這個功能，使得這個底盤的應力承受能力更加強。

后來經過分析，是結構出了問題，是否可以通過改變結構的方式來強化中間部分，因為主縱梁的斷開，中間沒有強有力的支撐，導致中間部分的應力最大。現在可否直接把主縱梁直接延伸到后面，這樣可以使得中間得到部分的支持，使結構更加完善，中間變形撓度過小。不過這種解決方案存在一定的問題，就是電動垃圾清掃車的主刷機構在中間部位，這樣就導致了這個結構無法實現，畢竟清掃車的最主要功能就是清掃。

當延伸主縱梁的方案不能實現的時候，又考慮是否可以使用把主縱梁之間的距離拉開的方式來實現這個結構的優化，當向公司的技術主管反應這個問題的時候，這個方案也遭到了反駁，如果改變了這個結構，則底盤的車輪安裝將會受到影響，可能會直接導致到轉彎半徑等一系列問題的更改。相當于重新設計這個底盤，如果這樣的話，這個優化設計就沒有什么價值了。

這個處理方案也不行的時候，在結構的更改方面沒有了更好的方案，于是另外一個思路，降低應力這個方法。這個方案是不再改變底盤的結構，而是在不影響電動垃圾清掃車功能的情況下，改善清掃車的其他部分，降低底盤在工作過程中的工況，由此來達到降低底盤應力的目的。這個優化思路與開始的思路完全不同，但是卻一樣能很好地解決問題。

經過分析以后發現，最方便的是在電動垃圾清掃車電池上做改動，對于電池采用的不同，重量是完全不同的，而采用電容電池，則可以做到施加的重量減輕一般，使得類似簡支梁的結構可以很好地承受住所需要的力。

在減輕重量的底盤優化過程中，可以采用減小前后車頭和車尾處應力不集中區鋼板厚度的方式來實現。最方便的是直接將6mm厚的鋼板直接減薄到4mm，分析下來使用壽命依然完好。

4? 結語

在文中一開始討論了ANSYS優化設計的基本過程，其中對該研究采用的優化方法和優化設計時選用的建模單元進行了介紹。然后是說明了一下這次的優化過程，當然，最主要的是在分析過程中，發現這個優化并不是傳統的一些系統參數的優化，因為這樣的優化并不能解決問題，其實初始的想法是針對底盤結構進行改變來達到優化的效果，但是這種方式很難實現，于是采用了另外一種方式來達到優化的目的。通過改變工況的方式來實現優化。

參考文獻

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