廂式貨車不銹鋼夾層材料貨柜輕量化設計

黃仁貴 皮子豐趙宗光

摘 要：介紹了廂式貨車不銹鋼夾層材料貨柜的結構設計和輕量化效果，并通過有限元分析法對貨柜進行了靜強度、模態計算分析。計算結果表明，輕量化結構設計的不銹鋼夾層材料貨柜的強度、剛度能夠滿足廂式貨車貨柜的相關標準和技術要求。

關鍵詞：不銹鋼夾層材料;貨柜;輕量化設計

0 前言

隨著社會經濟的發展，貨車成為城市物流的重要運輸工具，鑒于汽車排放法規要求日益嚴苛，汽車節能減排越來越受到人們的重視。根據研究表明，如果貨車重量減輕10%，其燃油效率可提高6%～8%，重量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L～0.6L，二氧化碳排放可減少約5g/km。由此可見，對貨柜進行輕量化設計，減輕貨車重量，將給貨車制造商和社會帶來巨大的經濟效益和環境效益。因此廂式貨車貨柜輕量化設計凸顯越來越重要。

廂式貨車的貨柜結構形式、性能和技術經濟指標主要取決于貨柜材料。不銹鋼夾層材料是一種新型夾層結構材料，由采用奧氏體型不銹鋼材質的上下面板和夾在中間的圓管組成，其圓管由薄壁圓管按照一定間距陣列而成，上下面板和圓管采用銅釬焊連接。不銹鋼夾層材料與普通夾層結構材料區別較大，除材質本身不同外，制造工藝及屬性也完全不同。不銹鋼夾層材料的輕量化程度、屈服強度和抗拉強度均高于其他夾層結構材料，且無需涂裝，更加環保。

1 貨柜結構設計

1.1 貨柜總體

廂式貨車貨柜通常是由柜體、柜門、電器件、附件等零部件組成，而柜體是廂式貨車貨運的主要承載體，柜體結構決定了廂式貨車行駛安全可靠性和經濟性，直接影響到運營質量和經濟效益。不銹鋼夾層材料貨柜柜體結構采用整體承載全焊接結構，強度滿足廂式掛車技術要求（JT/T 389-2010）標準：約100KN載荷垂直作用于貨柜墻體上的時間不小于5min，卸載后不允許有大于12mm的殘余變形，并且柜體的變形不應影響其正常使用功能。

貨柜由柜體和柜門組成，其中柜體主要由底板、側墻、前墻、頂蓋和門框五部分構成（見圖1）。柜門通過兩側的鉸鏈用螺栓固定在柜體上，底板、側墻、前墻、頂蓋和門框在內外兩側均采用激光焊接連接，減少了焊接種類，有效的提升了生產效率。門框是由兩種不同規格型號的矩形管材拼焊而成的框架承載結構，提供了柜門安裝所需的剛性承載面，改善了力流的傳遞路徑，同步加強了貨柜結構的整體強度和剛度，提升了貨柜整體的貨運承載能力。

本文設計的一種輕量化不銹鋼夾層材料貨柜，輕量化結構主要體現在以下四個方面：①整個貨柜結構除去門框、封板和連接支架外的主體結構均采用不銹鋼夾層材料，其質量密度大約為0.2×103kg/m?，遠低于其他夾層結構材料;②貨柜所屬零件的原材料均采用SUS304DL不銹鋼，其抗拉強度高達500MPa，延伸率高達50%，滿足貨柜整體強度和剛度的同時又確保有足夠的韌性抵抗沖擊;③柜體的底板、側墻、前墻和頂蓋以及柜門均取消了內部加強橫梁或縱梁，這樣既大幅度減輕了貨柜重量又極大減少了焊接工作量，提高了生產效率和外觀質量;④貨柜不銹鋼材料取代碳鋼材料后，省去了電泳和涂裝等制造工序，控制了生產成本的同時還有效的保護了生態環境。

1.2 貨柜底板

貨柜底板是由兩種不等尺寸寬度的等厚不銹鋼夾層材料相互激光拼焊連接而成的本體和通過激光焊接在本體上的不銹鋼支架組成，其中不銹鋼夾層材料規格為B0.7-60（夾層材料厚度60mm，上下面板厚度各0.7mm），①標準寬度尺寸1220mm的三塊;②非標寬度尺寸418mm的一塊，四塊夾層材料拼焊組成了貨柜底板本體。焊接在底板本體上的不銹鋼支架有：③用來螺栓連接在貨車車架上的底板縱梁兩件;④用來安裝側防護欄的支架共四件;⑤用來安裝后輪罩的支架共四件;⑥提供尾燈安裝孔位的支架共兩件;⑦提供后牌照安裝支架固定孔位的支架一件。整個不銹鋼夾層材料底板上表面積約為10㎡，能滿足貨車技術標準規定的10噸重量均布荷載要求。

1.3 貨柜前墻、側墻和頂蓋

貨柜前墻、側墻和頂蓋等三部分貨柜結構均由兩種不等尺寸寬度的等厚不銹鋼夾層材料相互激光拼焊連接而成，采用的不銹鋼夾層材料規格為B0.4-40（夾層材料厚度40mm，上下面板厚度各0.4mm），其中前墻由①標準寬度尺寸1220mm和②非標寬度尺寸1080mm的不銹鋼夾層材料各一塊縱向激光拼焊而成，并且在示廓燈安裝區域焊接有③不銹鋼加強板共兩件;側墻由④標準寬度尺寸1220mm和⑤非標寬度尺寸1006mm的不銹鋼夾層材料各一塊橫向激光拼焊而成，且在風鉤安裝區域焊接有⑥不銹鋼加強板各一件（左右對稱制作）。頂蓋由⑦標準寬度尺寸1220mm和⑧非標寬度尺寸1167mm的不銹鋼夾層材料各一塊橫向激光拼焊而成。貨柜前墻和側墻的中心區域（1m×1m）能滿足貨車技術標準規定的1000N均布荷載要求（貨柜頂蓋無對應法規要求）。

1.4 貨柜門框

門框設計為整體框架結構，包括①上方一根不銹鋼矩形管（60mm×40mm×1.5mm）和②下方一根不銹鋼方管（60mm×60mm×1.5mm）作為橫梁，另外③不銹鋼方管（60mm×60mm×1.5mm）共兩根分別作為兩側的豎梁，四根型材通過激光焊接形成一個整體的門框結構，并且在示廓燈安裝區域焊接有④不銹鋼加強板共兩件。由于柜門是通過鉸鏈用螺栓固定在門框對應區域，為了提高貨柜門框對應區域的強度，采用⑤不銹鋼內螺紋鋼套穿透型材后焊接在門框上，然后再將門框整體框架結構通過激光焊接與底板、側墻和頂蓋進行連接。這樣既滿足了柜門裝配所需承載面的剛性需求，又有效的降低了整個貨柜的重量。

1.5 柜門

貨柜柜門是由不銹鋼夾層材料及其周圈的不銹鋼封板相互激光拼焊連接而成，其中采用的①不銹鋼夾層材料規格為B0.4-40（夾層材料厚度40mm，上下面板厚度各0.4mm），②不銹鋼封板規格為SUS304DL/δ0.5mm。在柜門鉸鏈安裝區域增加了③加強結構（材質為SUS304DL/δ3.0mm），并且采用④不銹鋼內螺紋鋼套穿透柜門夾層材料后焊接在柜門上以提高貨柜門鎖安裝區域強度，確保車門安裝后不會因為自身重量和貨車行駛過程中產生的沖擊載荷而失效。

1.6 重量對比

傳統貨箱與不銹鋼夾層材料貨箱重量對比如表1：

通過上表看出，不銹鋼夾層材料與傳統貨柜相比，重量降低約202kg，減重比例約為30%，輕量化效果顯著。

2 仿真分析

2.1 有限元模型

為了對比優化前后的貨柜力學性能情況，我們將優化前后的貨柜三維中面模型全部離散成有限元網格，生成兩套有限元模型進行對比分析。

2.1.1 優化前的貨柜有限元模型

貨柜面板與框架的角焊保護焊縫采用REB 2單元進行模擬，貨柜與框架的搭焊保護焊縫采用 area 焊縫單元進行模擬。貨柜模型離散后，共計864 030個節點，872 856個單元，其中殼單元 763 501 個，area焊縫單元23 633 個，焊縫RBE3 單元 84 510 個，焊縫RBE2 單元 1 199 個。

2.1.2 優化后的貨柜有限元模型

貨柜夾層材料之間的激光焊縫采用節點對齊的方式進行模擬，貨柜夾層材料與框架的焊縫采用REB2單元進行模擬，貨柜與底板縱梁的焊縫采用area焊縫單元進行模擬。由于貨柜整體左右對稱，所以僅對貨柜左半部分進行分析，貨柜左半部分模型離散后，共計3 361 762個節點，3 711 207個單元，其中殼單元 3 483 570 個，實體單元 197 361 個，area焊縫單元6 936 個，焊縫RBE3 單元 16 616 個，焊縫RBE2 單元 6 724 個。

2.2 模態分析

為了使貨柜在使用過程避免出現共振，降低噪聲，我們需要研究結構系統的動力特性，對優化前后的貨柜進行自由模態分析，分析貨柜的振型形態及共振頻率。

經過對有限元模型的計算，優化前的貨柜一階振型頻率為12Hz，優化后的貨柜一階振型頻率為15Hz，優化后的貨柜頻率值大于優化前的貨柜頻率值。由于目前大部分廠家對貨柜模態值的評價尚無統一的指標，根據研究[1]，在傳統車輛上，因為車輪不平衡引起的激勵頻率一般低于11Hz，優化前后的貨柜均大于這一指標，則優化后的貨柜能更好的避免車輪不平衡運動導致的共振風險，故得出結論：優化后的貨柜模態性能更好，整體剛度更高。

2.3 貨柜剛強度分析

根據廠商要求，貨柜需要滿足以下設計標準：

為了驗證設計是否滿足設計要求，我們通過對貨柜有限元模型加載對應的載荷工況，計算出優化后的貨柜變形及應力結果。

通過表5分析表明：（1）貨柜剛度滿足廠商使用要求條件，并且前墻剛度和頂蓋剛度要優于優化前貨柜剛度性能;（2）根據兩種貨柜各自使用的材料性能條件，優化后的貨柜底板安全裕度更大，強度更高。

3 結語

不銹鋼夾層材料貨柜結構在輕量化設計過程中，進行了整個貨柜結構靜強度分析，對設計結果進行了驗證;通過仿真軟件對不銹鋼貨柜的結構強度、剛度進行了驗證。通過仿真計算，貨柜各部位應力均小于材料屈服強度，不銹鋼貨柜結構具有足夠的剛度、強度，能承受貨車運輸過程中的動載荷、靜載荷以及沖擊載荷要求。

根據模態和強度計算結果，輕量化設計的貨柜結構強度和剛度均滿足廂式掛車技術要求（JT/T 389-2010），貨柜結構重量輕，強度高，且降低了制造成本，提高了貨車核心競爭力。

參考文獻：

[1]李軍，陳云霞，李中兵.汽車輕量化應用技術探討[J].汽車工程與材料，2010.

[2]周釗，康春香，顧歍.微型貨車廂式貨廂輕量化的設計[J].汽車實用技術，2017.

[3]凌靜，王慶明.復合材料蜂窩夾芯管結構設計、制造工藝及性能表證[D].國防科學技術大學，2012.

作者簡介：黃仁貴（1982-），男，湖南郴州人，本科，工程師，現從事車身設計工作。