某物流車地板支架結構的設計與優化

張智峰Zhang Zhifeng

某物流車地板支架結構的設計與優化

張智峰
Zhang Zhifeng

（江西昌河汽車有限責任公司，江西 景德鎮 333000）

以某款物流車地板支架作為研究對象，采用有限元分析方法對車輛滿載狀態下地板支架在不同工況下的受力進行分析，提出優化方案，使地板支架滿足設計要求。

地板支架；結構優化；有限元分析

0 引 言

隨著國民經濟的快速增長和人民生活水平的日益提高，電商經濟得到繁榮發展，網購成為生活中常用消費方式，隨之物流運輸量持續增長，物流車輛在貨物配送中發揮著重要作用。為快速響應市場物流行業對物流車輛的需求，以某款乘用車為基礎車型，快速開發一款小型物流車。

為配合此款乘用車改裝為物流車，重新設計開發地板支架，通過有限元分析與優化方法，使產品結構滿足性能要求。

1 設計要求

目標物流車是通過乘用車改裝實現，在原有乘用車上拆除后排座椅，后排不平整地板面上增加一個地板支架，然后鋪設一塊平整地板，并在前后排之間增加一個隔板。此種改裝方式開發周期短，能夠快速響應市場需求，同時最大程度地實現零部件通用化。新設計的地板支架須滿足各種工況下的設計要求，并盡可能少地增加整車整備質量，賦予改裝后車輛更大載貨能力。

物流車地板及地板支架用于承載各種貨物重量，是主要的受力部件。地板直接與貨物接觸，并將貨物重量均勻地傳遞給地板支架和車身[1]。在運輸過程中，地板支架不僅承受貨物的重量載荷，還承受車輛運行過程受到的各種沖擊載荷[2]，是確保車輛行駛安全和運輸物品安全的重要部件。因此，要求地板支架結構在車輛滿載狀態的不同工況下，最大應力值均在材料許用應力范圍內，且變形量控制在2 mm以內。

2 模型創建

2.1 模型描述

基礎車型的地板支架由2根橫梁、7根縱梁和下方6根豎梁焊接而成，各梁為槽型截面，如圖1所示。所建模型的其他部件包括白車身、橋、輪胎、懸架等。地板支架厚度尺寸遠小于高度和寬度尺寸，運用前處理軟件采用殼單元對地板支架建模，網格尺寸為5～10 mm。點焊選用梁單元模擬，焊點類型為MAT100。螺栓和燒焊連接采用RBE2單元模擬，如圖2所示。

圖1 地板支架模型

圖2 有限元模型

2.2 材料屬性

地板支架材料選用Q345，厚度為1.5 mm，槽型結構截面。所用材料是低合金結構鋼，綜合性能良好，塑性和焊接性良好，廣泛應用于各種金屬結構中。材料屈服強度為345 MPa，安全系數取值1.5，則材料許用應力為230 MPa。所用材料各參數值見表1。

表1 材料參數表

2.3 加載描述與邊界條件

車輛滿載狀態質量為1 480 kg，其中載貨質量390 kg，滿載狀態下地板支架所受載荷主要包括貨物質量和不同工況下的沖擊載荷。載貨質量以質量點代替，使用RBE3連接至地板上[3]，質量點由貨箱結構和整車質心位置確定，沖擊載荷加載采用重力加速度形式。主要有4種加載工況，見表2。

表2 地板支架的加載工況

注：為重力加速度；a、a、a分別為、、3個方向上的加載加速度值。

分別在車輪中心點位置對車輪進行約束設置，約束左前輪、向平動自由度，右前輪向平動自由度，左后輪、、向平動自由度，右后輪、向平動自由度，如圖3所示。

注：SPC（Single Point Constraint，單點約束，指定自由度約束）。

3 CAE分析及優化

3.1 CAE仿真結果

滿載狀態下對地板支架進行靜態分析，上跳、下跳、加速、轉彎4種工況下有限元分析的應力云圖如圖4～7所示。

工況1中地板支架的最大應力值為578 MPa，應力集中在中間第4縱梁上，如圖4所示，第1橫梁和第4、第5、第6縱梁上的最大應力值均超過材料的屈服極限。地板支架的最大變形量為2.460 mm，位于地板支架第4縱梁上，變形量從中間到周邊階梯性減小。

圖4 工況1（上跳工況）的應力云圖

圖5 工況2（下跳工況）的應力云圖

圖6 工況3（加速工況）的應力云圖

圖7 工況4（轉向工況）的應力云圖

工況2中地板支架的最大應力值為665 MPa，應力集中在中間第4縱梁上，如圖5所示，應力值已超過材料屈服極限。第4縱梁處的最大變形量為3.954 mm。縱梁和橫梁的應力均大于材料屈服極限。

工況3中地板支架最大應力值為310 MPa，應力集中在第4縱梁上，如圖6所示，最大應力值小于材料屈服極限，但超過材料許用應力（230 MPa）。第4縱梁上的最大變形量為1.236 mm。

工況4中車輛轉彎，縱梁承受較大貨物慣性載荷，地板支架最大應力值為258 MPa，位于第6縱梁上，如圖7所示，最大應力值小于材料屈服極限，但超過材料許用應力。第6縱梁上的最大變形量為0.812 mm。

綜上分析，在工況1和工況2中地板支架的應力值和變形量均較大，其中最大應力值均超過材料屈服強度。在工況3和工況4中，地板支架的應力值均小于材料屈服強度，但最大應力值均超過許用應力，不滿足設計要求，需進一步優化結構。

3.2 優化方案

結合上述仿真分析結果發現，產生過大應力的主要原因是地板支架材料厚度薄，梁截面為槽型開口結構。可以通過改變材料屬性（材質、厚度等）、結構型式和結構件布置位置等手段進行優化，優化措施如下：（1）截面由槽型改為矩形；（2）梁規格由35 mm×20 mm×1.5 mm調整為40 mm×20 mm×2.5 mm，60 mm×20 mm×1.5 mm調整為60 mm×20 mm×2.5 mm；（3）綜合輕量化考慮，取消前部第2豎梁和第3豎梁。具體措施見表3。

表3 截面與尺寸優化方案

4 優化效果

更新CAE模型，采用與原地板支架相同的邊界條件進行加載計算，優化后各工況應力如圖8～11所示。

圖8 工況1（上跳工況）優化后的應力云圖

圖9 工況2（下跳工況）優化后的應力云圖

圖8工況1中，優化后地板支架第4縱梁處的最大應力為174 MPa，位置在縱梁中間部分，較優化前最大應力值578 MPa已明顯改善，且低于材料許用應力230 MPa，滿足設計要求。優化后地板支架的最大變形量由優化前2.460 mm減小為1.251 mm。

圖9工況2中，優化后地板支架的最大應力為217 MPa，出現在第4縱梁中間位置，較優化前最大應力值665 MPa已明顯改善，且在材料許用應力范圍之內。優化后地板支架的最大變形量由優化前3.954 mm減小為1.858 mm。

圖10 工況3（加速工況）優化后的應力云圖

圖11 工況4（轉向工況）優化后的應力云圖

圖10工況3中，下地板支架的最大應力為86 MPa，出現在第4縱梁位置。圖11工況4中，下地板支架的最大應力為62 MPa，出現在第6縱梁位置。

通過對比優化前、后地板支架不同工況下的受力結果發現，優化后地板支架各工況應力得到明顯改善，最大應力值均小于材料許用應力，滿足設計要求。

5 結束語

本文利用有限元仿真技術對某物流車的地板支架結構強度進行分析，提出優化思路和方案，明確改進方向，減少工作量，縮短開發周期。優化后的地板支架不僅結構強度滿足設計要求，而且減少了材料規格，節約了管理成本，提高了產品競爭力。采用有限元分析計算，保證產品設計的可行性，為產品設計提供理論依據。

[1]韓仰．輕型載貨汽車車架有限元分析及優化設計[D]. 大連：大連交通大學，2019.

[2]蔡甫，郝琪，李海倫，等．電動物流車車廂結構設計仿真分析[J]．重慶科技學院學報，2018（4）：95-98.

[3]朱曉晶，籍慶輝，朱平．基于多種工況下的自卸車車廂輕量化設計[J]．機械設計，2014（5）：47-52．

2022-05-09

1002-4581（2022）06-0024-04

U463.83+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2022.06.007