基于有限元的洗掃車后防護優化設計

李景利 劉曉輝

摘要：針對洗掃車后防護要符合工信部的檢測要求及整車輕量化要求，首先分析GB 11567—2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》對后防護的要求，特別是檢測載荷的大小、作用點位置及加載順序;然后借鑒同款傳統洗掃車及其他車輛后防護的結構，建立三維模型，并根據工信部檢測機構的加載方式對三維模型進行有限元仿真，發現三維模型受到的應力不滿足強度要求;從而綜合考慮材料規格、制造工藝以及裝配要求等因素對后防護再次仿真，發現后防護滿足應力-強度干涉模型的要求，同時滿足工信部對后防護的強制檢驗要求;最后再托天津國家轎車質量監督檢驗中心進行強制性檢驗，發現結構滿足要求，能對后撞車起到防護作用，進而驗證了后防護設計方法的合理性。

關鍵詞：后防護;結構優化;應力-強度干涉模型;強制檢驗

0? 引言

隨著城市規模的不斷擴大以及城鄉一體化進程的快速推進，道路保潔逐漸成為一項重要的日常工作。綜合安全、效率以及用工成本等諸多因素，傳統的人工道路保潔已逐漸被機械道路保潔所替代。機械道路保潔設備主要有掃路機、掃路車以及洗掃車等設備。其中用途最廣、作業效率最高以及二次環境污染最小的道路保潔設備是洗掃車。

洗掃車具有灑水車灑水、掃路車清掃、高壓清洗車高壓沖洗以及吸污車吸污的功能，實現了灑水、清掃、清洗、污水回收等功能，單車一次行駛就可以完成上述四種不同車輛的全部作業，且路面達到無揚塵、無垃圾、無污水的保潔效果。

后防護作為洗掃車的一部分，在發生路面事故時對追尾車輛起到被動安全的作用：一方面，防止追尾車輛從后部鉆入電動洗掃車;另一方面，通過后防護的變形，吸收部分沖撞能量，從而減少追尾車輛的傷害程度，在一定程度上保護追尾車輛的駕駛員的生命安全。

后防護的設計通常是借鑒同款傳統洗掃車后防護的結構，這樣省時省力。但設計出的后防護一般偏重，且不滿足國家強制檢測的要求。

本文采用有限元分析手段，綜合考慮同款洗掃車的后防護、制造成本以及制造工藝等因素，設計出一款滿足國家強制檢測要求的后防護。

1? 實驗載荷及加載順序

工信部許可的檢測機構在檢測公告車時要執行GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》的要求，所以在洗掃車后防護的設計前要知曉實驗條件和實驗環境[1]。

1.1 實驗加載點

根據GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》規定加載點包括兩點加載點和三點加載點[1]：

1.1.1 兩點加載

如圖1所示，兩個加載作用點之間的距離在700～1000mm之間，且兩個作用點應相對于后下部防護裝置縱向中心線或車輛縱向中線對稱，作用點的具體位置由制造商給定。

1.1.2 三點加載

如圖1所示，在進行實驗時，左右兩邊外側兩個作用點，分別距離車輛后軸輪胎的最外端相切且平行于車輛縱向中心線的垂直平面300mm±25mm，如果車輛有兩個以上的后軸，車輛后軸輪胎的最外端應以距離車輛縱向中心面最遠的點為準;第三個作用點位于上述兩點的連線之間、并且處于車輛中心垂直面上。

1.2 實驗載荷

根據GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》規定加載載荷包括兩點加載載荷和三點加載載荷[1]：

1.2.1 兩點加載載荷

兩點載荷加載時，每點加載力為100kN或者相當于車輛最大設計總質量的50%的水平載荷，分別持續作用于圖1所示的P2點上。

1.2.2 三點加載載荷

三點加載時，每點加載力為50kN或相當于車輛最大設計總質量25%的水平載荷，分別持續作用于圖1所示的左側加載點上或右側加載點上，然后持續作用在車輛（或后下部防護裝置）縱向中心平面上的P1和P3加載點上。

1.3 加載程序

根據GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》加載程序[1]：

①試驗順次進行三點加載、兩點加載。在試驗過程中、使用同一試驗樣品。②兩點加載時與加載順序無關。③三點加載時，先進行兩端加載點的加載試驗，然后進行車輛縱向中心平面上的點的加載試驗，左右兩端加載點與加載順序無關。

2? 初步設計

洗掃車后防護在初步設計時要借鑒同款傳統洗掃車后防護的結構，同時要綜合考慮其他車輛后防護的結構以及國家強制性檢測的要求。

2.1 有限元模型

2.1.1 分析模型

在創建分析模型時，要充分考慮檢測機構的實驗環境，創建的模型要有部分底盤縱梁（模擬洗掃車底盤）、后防護以及加載塊（模擬實際的加載機構），同時后防護要用螺栓裝配到底盤縱梁上。生成的洗掃車后防護有限元分析模型如圖2所示[2]。

2.1.2 材料選擇及網格劃分

洗掃車后防護的材料為Q345[3]，彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg·mm-3，屈服極限σs=345MPa。

在Workbench的工作界面[4]，對后防護有限元分析模型采用默認單元類型，Relevance Center選擇Fine。由于后防護和底盤縱梁間通過螺栓連接，所以后防護和底盤縱梁間設置為Frictional，摩擦系數為0.2。其余默認值，生成67528個節點，33700個單元，網格劃分模型如圖3所示。

2.1.3 力學模型

將底盤縱梁加載全約束，在加載塊加載相應的載荷。生成的洗掃車后防護力學模型如圖4所示[5-6]。

2.1.4 分析載荷

本例以ZTQ5180TXSE1J53F型洗掃車后防護為例，該車的最大載荷為18T，但在后防護的設計時要取GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》的載荷的大值，即兩點加載時取設計載荷為100kN，而三點加載時取設計載荷50kN，具體設計載荷如表1所示。

2.2 有限元分析

對洗掃車后防護的有限元分析模型，按照GB 11567—2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》規定的加載載荷、加載點以及加載順序進行有限元分析，由于后防護的結構為對稱模型，在有限元仿真時僅對后防護的左半側的P1、P2及P3進行仿真，得到的結果如表2所示，得到的合位移云圖如圖5所示，得到的等效應力如圖6所示。

2.3 有限元分析結果

由后防護的有限元仿真結果可以看出：

①洗掃車后防護的變形很大，其中在P1和P2點加載后，基本不能反彈，直接折彎，在現實中追尾車輛會直接鉆進洗掃車內，對追尾車輛基本沒有防護的能力;②洗掃車后防護與縱梁連接螺栓受到的應力很大，其中在P1和P2點加載后，螺栓瞬間達到塑性狀態而剪斷，后防護從縱向直接脫落，對追尾車輛完全沒有防護的能力;③洗掃車后防護與縱梁連接螺栓受到的應力很大，其中在P1和P2點加載后，螺栓瞬間達到塑性狀態而剪斷，后防護從縱向直接脫落，對追尾車輛完全沒有防護的能力。

從有限元分析仿真結果可看出，后防護的初步設計不能滿足實驗要求，要對其進行優化設計。

3? 優化及分析

綜合有限元仿真結果及制造工藝，對原結構進行優化，然后再對優化后的結構按GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》進行有限元仿真，以驗證優化的結果。

3.1 結構優化

綜合有限元仿真云圖，可有針對性的對結構進行優化，同時要綜合考慮型材的規格、制造工藝以及裝配的可行性，在滿足應力-強度干涉模型的前提下進行結構改進[7-9]。具體包括：

①在后防護橫梁的背部增加8mm的Q345折彎板，如圖7所示;②在后防護橫梁與縱梁的結合處增加加強筋，如圖7所示;③在后防護縱梁與底盤縱梁結合處增加止動塊，如圖7所示。

3.2 優化后的有限元分析

對優化后的后防護在同樣加載方式下進行有限元仿真，得到優化結果如表3、圖8以及圖9所示。

可以看出在對原結構進行優化后，從仿真結果可以看出，能滿足檢測機構的檢測要求，對后撞車在一定程度上起到保護作用。

4? 檢測驗證

洗掃車后防護經設計、制造及裝配后委托天津國家轎車質量監督檢驗中心進行強制性檢驗，經檢驗符合GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》中后下部防護裝置的要求。現場檢測照片如圖10所示，檢測報告如圖11所示。

可以看出，經優化改進后的洗掃車后防護符合國家工信部的要求，可以為追尾車在一定程度上提供防護。

5? 結論

針對洗掃車后防護在設計過程中不能觀察到其應力場的分布，僅僅是應用類比法或測繪法等傳統方法進行定性分析，設計出的后防護一般很笨重且應力和位移分布不均，不能滿足國家強制檢測的要求。

本文采用傳統方法和有限元相結合的方法對后防護進行設計。首先采用傳統方法設計出初步后防護模型;然后采用國家強制檢測的力學特點進行有限元仿真，得到后防護應力場的云圖，經分析云圖對后防護進行有針對性的結構優化，經再次采用國家強制檢測的力學特點對其進行有限元仿真，得到符合要求的后防護結構;最后委托天津國家轎車質量監督檢驗中心進行強制性檢驗，發現優化后的結構完全符合要求。

本文的采用的方法可為類似產品的研發設計提供一定的參考。

參考文獻：

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[4]蒲廣益.ANSYS Workbench基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

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