純電環衛車箱體輕量化的有限元分析方法研究★

張俊偉，張 沛，張 喆，郭海樂，龐 明

（鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 450000）

引言

近年來保潔類純電動環衛車輛，在改善環境、降溫除塵、綠化園林等方面發揮著重要作用[1]，并且在關鍵時刻還可作為緊急消防車使用。箱體作為承載介質的唯一部件，可靠性可以視為它最重要的指標。

輕量化設計對汽車行業，尤其對推動純電動汽車的發展具有重要作用，在保證可靠性的同時具有降低整車質量、提升續時里程的優勢。

CAE分析技術作為近年來新興的研發技術。它基于計算機技術的高速發展，通過計算機軟件對實際模型進行仿真分析，有效地解決了現代機械設計的復雜性，在很大程度上方便了機械工程的實際施工操作，也進一步提升了機械工程施工的效率和質量[2]。通過將CAE技術與機械設計相結合，對提高企業開發效率，降低驗證周期與成本具有重要意義[3]。

1 創建箱體有限元仿真模型

1.1 三維模型建立

根據原始二維圖紙建立箱體的三維數模，箱體通過輔梁支撐并與車架連接，箱體內部設置防波板。

1.2 建立有限元分析模型

箱體使用Q345-B材質，具體參數如表1所示。箱體使用工況主要為顛簸沖擊工況，安全系數為1.1。因此型材許用應力為314 MPa。本文首先對箱體進行有限元網格模型建立，然后加載邊界條件和載荷對其進行計算，建立有限元分析模型（見圖1），其中箱體內部水的質量通過面壓力加載到筒體上。

圖1 箱體有限元模型

表1 材料參數表

1.3 結構強度性能評估

通過對模型的分析計算，得出其分析結果如表2所示。從結果看出水罐的最大應力為335 MPa，此時安全系數僅有1.03，最大應力位置處于防波板下部位置，輔梁正上方。此處安全系數低于設置的安全系數1.1，存在開裂風險，見圖2。

表2 分析結果表

圖2 應力（MPa）結果云圖

1.4 實車驗證及原因分析

根據三維模型制作箱體結構并進行道路可靠性驗證。結果發現在防波板處發生開裂問題，見下頁圖3。該位置處于墊板正上方，與有限元分析結果高度吻合。此處裂紋由下向上延伸，初步原因分析為在車輛顛簸時防波板向下擠壓，下方為墊板與縱梁，剛度較大，因此發生變形會從相對較弱的防波板開始，進而出現裂紋。由此說明該有限元分析方法準確性較高。

圖3 箱體開裂位置

2 箱體結構拓撲優化設計

拓撲優化技術是結構優化技術中有前景、具有創新性的技術，是指在給定的設計空間內找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的結構。

依據上述分析結果，防波板存在強度不足的問題，且該結構為整體沖壓成型，制造成本較高，重量較重，因此通過參考拓撲優化結果對比多種方案，最終確定改動后防波板結構，見圖4。此種防波板為拼焊件，分為立板與墊板，立板焊接在墊板上，然后墊板再與筒體焊接，該結構不僅增加了防波板與筒體的接觸面積，同時降低了加工成本。在材料厚度方面也由原來的4 mm厚鋼板改為3 mm鋼板，質量減小40 kg，對整車輕量化提供了較大支撐作用，見圖5。

圖4 優化流程

圖5 防波板結構

3 輕量化箱體強度分析結果

對改進后的結構進行模擬仿真分析，結果如表3所示。由結果可以看出此時最大應力為241 MPa，安全系數達到1.4。應力降低94 MPa，降幅28%。經過對新結構的實車可靠性驗證后箱體無開裂漏水問題。說明該結構具有更好的可靠性，見圖6。

表3 分析結果表

圖6 改進結構的應力（MPa）云圖

4 結論

本文以16 t純電環衛車箱體為研究對象，通過創建有限元分析模型，為純電環衛車的輕量化設計提供了一條可行的途徑，經過優化改進，在解決箱體開裂問題的同時實現降重40 kg，對整車輕量化提供了較大的支撐作用。