無人糧食轉運車車身剛強度分析

張博強 吳心平 金泉軍 陳京山 陳朋輝

摘 要：因有限元分析方法的不斷成熟，使分析所得的結果準確度大幅提高，從而降低了研究成本，縮短了研發周期。基于這些特點，將有限元分析方法應用于各類車的設計研究。文章通過無人糧食轉運車的結構特點，對該無人糧食轉運車在四種典型工況下的剛度和強度進行了計算，分析了糧食轉運車在這四種工況下運行時的位移變形量的最大值和應力最大值及其出現的位置，所得結果為新車型的車身骨架提供數據化參考。

關鍵詞：無人糧食轉運車;剛度;強度;工況

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-30-04

Study on optimization of body structure of unpiloted grain transport vehicle

Zhang Boqiang¹，Wu Xinping¹， Jin Quanjun^2*， Chen Jingshan¹，?Chen penghui¹

（?1.Henan university of technology， Henan Zhengzhou?450000;2.Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Co. LTD，?Zhejiang Hangzhou?311228 ）

Abstract：?Due to the continuous maturity of the finite element analysis method，the accuracy of the analysis results is greatly improved， therefore， reducing the research cost and shortening the development cycle.?Based on these characteri?-stics， the finite element analysis method is applied to the design research of various types of vehicles.?Based on the structural characteristics of the unpiloted?grain transfer vehicle， this paper calculates the stiffness and strength of the unpiloted?grain transfer vehicle under four typical working conditions， and analyzes the maximum displacement deforma?-tion， the maximum stress and the position of the unpiloted?grain transfer vehicle running under these four working conditi?-ons. the results provide a data reference for the body frame of the new vehicle.

Keywords： Unpiloted grain transfer vehicle; Stiffness; Intensity; Working condition

CLC NO.： U467??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-30-04

1?前言

科技的迅猛發展帶動了人們生活水平的提高，使得人工勞動成本越來越高，傳統的糧食轉運車已經不能滿足人們的需求，所以急需開發基于無人駕駛技術的智能轉運車來解決這一問題。本文以自行開發的無人糧食轉運車作為本次研究的對象，運用有限元分析方法對該轉運車車身骨架結構進行剛度和強度的計算;糧食轉運車在實際的行駛過程中會出現多種工況，選擇其中最常見的四種工況，即在較高車速下的勻速直線行駛（水平彎曲工況），路面崎嶇有凹坑導致左右車輪騰空（極限扭轉工況），緊急轉彎（急轉彎工況）和緊急剎車（緊急制動工況）四種比較典型的工況^[1]。

2?整車數學模型及剛強度計算

2.1?糧食轉運車有限元模型

良好的三維模型是有限元分析的前提，將無人糧食轉運車的三維模型導入Hypermesh中生成有限元模型，并采用Hypermesh/Optistruct進行有限元分析計算。計算時先對無人糧食轉運車的車身骨架的材料添加屬性，然后在不同工況下在不同的位置對模型添加不同的載荷和約束.最后計算得出位移云圖和應力云圖^[2]。其中整車結構的有限元模型如圖1所示。

2.2?強度計算

金屬材料分為無明顯屈服現象和有明顯屈服現象兩種。無明顯屈服現象的金屬材料需測量其規定的非比例延伸強度或規定的殘余伸長應力，而有明顯屈服現象的金屬材料則可以測量其屈服強度^[3]。本車所用的材料為Q235，有明顯的屈服現象。屈服強度的計算公式為：

（1）

式中σ是屈服強度，單位為“MPa”，F是材料發生塑性變形量是原長的0.2%時所受的力，單位為“N”，S是材料的橫截面積，單位是“m²”^[4]。

2.3?剛度計算

（1）車身一般受拉壓和彎曲的剛度，而剛度是描述物體抵抗變形拉伸的能力。其中剛度的理論計算公式為：

（2）

其中δ是因力所產生的形變，P是作用在結構上的恒力^[5]。

（2）用Hypermesh計算剛度后所得的結果是位移云圖，計算時添加的是材料的屬性（彈性模量等），計算的是位移量，所以可用以下公式計算。

拉伸和壓縮剛度為：

（3）

其中E為彈性模量，A為截面面積。

扭轉剛度計算公式為：

（4）

其中，θ為加載力矩下車身角變形量，M為扭矩^[6]。

3?工況分析

3.1?彎曲工況

滿載的糧食轉運車在良好路面而且是在勻速直線行駛下的工況，稱為彎曲工況。因為此工況是在良好路面且是直線行駛，所以彎曲工況是轉運車車速最高的工況，車身骨架所承受的動載荷也是最大的。在這種工況進行仿真模擬主要用來研究轉運車在行駛時車身各部分的變形和受力情況，根據所計算的應力云圖和位移云圖上的應力值和位移量來校對彎曲工況下糧食轉運車車身骨架的剛度和強度^[7]。

糧食轉運車車身和其它零部件總成及一些附件 （如發動機、轉向器、變速箱、電池等）受重力的影響，計算時需要在相應的地方添加對應的載荷，載荷類型為節點載荷。轉運的貨物則采用均布載荷添加在轉運車上。在上述載荷添加完畢的條件下，只需要再約束前后車輪與懸架相連地方的水平和垂直方向的平動自由度即可。

3.2?極限扭轉工況

因車身左右受到不對稱的力而產生的載荷叫做扭轉載荷，轉運車在受到這種載荷下的工況叫極限扭轉工況^[8]。無人糧食轉運車在實際行駛過程中，經常會遇到一些坑坑洼洼的路面，糧食轉運車在這些路面上行駛時，會因為凹坑或者凸起石塊使其中一個車輪瞬間懸空，使其他車輪抬高因此而受到載荷增大的情況，在這種情況下會使車身骨架左右受力不對稱。

極限扭轉工況下，有個車輪是懸空的（本文主要研究左前輪），所以施加的約束與水平彎曲工況不同，應將該模型左前輪與懸架相連的節點處的各個方向的自由度予以釋放，對模型的其他輪胎與懸架連接處節點的全部平動自由度予以約束。糧食轉運車的行駛狀況和彎曲工況大體相同，所以轉運車所需要添加的其他載荷與水平彎曲工況時添加的載荷相同。同理，由于是左前輪是懸空，這個情況水平彎曲工況是沒有的，所以施加的約束與水平彎曲工況不同，應將該模型左前輪與懸架相連的節點處的各個方向的自由度釋放了，其它的平動自由度全部約束。

3.3?急轉彎工況

轉彎是糧食轉運車在實際行駛經常遇到的，而且轉彎是會產生離心力的。因為離心力，車身骨架會受到離心側向力的作用，這種作用力會對車身造成一定的彎矩，且轉彎橫向力會通過轉向拉桿傳遞到底架上，所以為了保證周圍人的人身安全，車身骨架需要具有一定的強度和剛度。

在對急轉彎工況進行仿真模擬時，需在模型上加載離心加速度，其它所需要添加的載荷與彎曲工況一樣。如果仿真模擬的工況是左轉彎，則約束右前輪垂直方向的平動自由度，若模擬的是右轉彎則約束左前輪，本次仿真實驗模擬的是左轉彎，其他車輪則約束的是水平和垂直方向的平動自由度。

3.4?緊急制動工況

糧食轉運車在遇到緊急情況時需要在最短的時間內停住，因此會采取緊急制動，而在制動過程中，糧食轉運車會以最大的減速度進行減速，制動結束后，糧食轉運車再次啟動運行時，則需要加速，基于以上兩種情況，糧食轉運車前后軸的載荷都會有相應的變化，并且都會有縱向的載荷作用于糧食轉運車上。其中縱向載荷的大小取決于轉運車自身的質量和轉運車在減速時減速度的大小或在加速時加速度的大小。又因為加減速度較大，車身骨架會受到極高的載荷，這種載荷對車身會產生極大的負荷^[9]，因此，對緊急制動工況進行分析計算是非常有必要的。

運用Hypermesh對轉運車各部分進行分析計算，將載荷添加在對應的地方，計算出最大應力值和其所分布的位置。若符合要求，那么加速狀況下的最大應力就不需要計算了。緊急制動工況下除了要施加與水平彎曲工況一樣的載荷外，還需要模擬緊急制動時所產生的慣性力作用，即在車身骨架上施加一個加速度，方向是水平向前。載荷加載的方式與急轉彎工況類似，將橫向加速度的大小修改即可;在此工況下約束所有車輪與懸架相連處水平和垂直方向的平動自由度即可。

4?計算結果及分析

最大變形量出現在糧食轉運車的前后端，變形量2.557mm，小于糧食轉運車許用最大變形量30mm。

圖中最大應力值為66.04MPa，小于鋼材Q235的屈服強度235Mpa。

糧食轉運車發生極限扭轉，此時糧食轉運車骨架最大變形量為3.131mm，小于糧食轉運車許用最大變形量30mm。

糧食轉運車車身骨架最大應力值為130.40MPa，雖小于Q235鋼材的屈服強度235MPa，但考慮到安全系數，建議對此區域的結構進行加強。

計算的是向左的急轉彎，糧食轉運車最大變形量為0.520mm，遠小于糧食轉運車的許用最大變形量30mm。

糧食轉運車最大應力值為103.90MPa，小于Q235鋼材的屈服強度235MPa。

緊急制動時，糧食轉運車骨架最大變形量為2.372mm，小于糧食轉運車許用最大變形量30mm。

最大應力值為141.30pa，小于Q235鋼材的屈服強度235MPa，考慮到安全系數，? ?建議進行結構加強。

5?建議

無人糧食轉運車的結構設計符合最大載荷1.5T時的剛強度要求，右前輪及左后輪與橫梁連接桿件在運轉時易發生接近屈服極限運轉，容易影響轉運車平順性、操縱穩定性、工作壽命，建議進行結構加強。

6?成果與不足

6.1?成果

目前，有限元分析已成為各大車輛研究機構開發的主要手段，本文在有限元理論的基礎上，主要取得以下幾個成果：

（1）通過Optistruct求解器對有限元模型進行了剛度和強度的分析，計算出了車身骨架在四種工況下的最大應力值和最大位移量。

（2）根據結構設計的剛強度要求，知曉了車身在某些地方結構的不足，從而可以對其進行結構的加強和改進。

6.2?不足

仿真模擬大大縮短了研發周期，減少了研發成本，但由于有限元模型的簡化，對計算的精確性有一定影響。

參考文獻

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