某輕卡欄板式貨箱邊板剛度分析及優(yōu)化

王肖蘭，李 娜，王 瓊，龐云峰

0 引 言

欄板式貨車是指載貨部位的結(jié)構(gòu)為欄板的載貨汽車[1]，其銷量約占商用車市場(chǎng)份額50%。貨箱是商用汽車的重要組成部分，是與整車同生命周期的總成部件，一般由貨箱底板、邊板、后板、前板、鉸鏈、欄板鎖閂及鎖緊裝置等構(gòu)成，其中貨箱底板主要包括地板面板和骨架，骨架一般由地板邊框、橫梁和縱梁組合而成。貨箱安裝應(yīng)牢固可靠，設(shè)計(jì)和制造上不應(yīng)設(shè)置有加高、加長(zhǎng)、加寬的結(jié)構(gòu)或裝置[2]。貨箱具有支撐車的主體框架結(jié)構(gòu)和裝載的作用[3]，其構(gòu)件應(yīng)保證在所能承受的載荷范圍內(nèi)具有足夠強(qiáng)度和剛度。構(gòu)件在載荷作用下，即使具有足夠強(qiáng)度，但若變形過大，仍不能正常工作[4]。剛度是構(gòu)建基本性能要求之一，在正常或特定操作環(huán)境下須保持剛性滿足使用要求。

通過實(shí)車試驗(yàn)可對(duì)貨箱性能進(jìn)行有效觀察和分析，但需要大量人力、物力且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展，CAE(Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程)應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期具有重要意義。

本文針對(duì)欄板式貨箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用有限元分析法，通過CAE 仿真模擬可能出現(xiàn)的問題，并盡早予以解決，以節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

以某輕卡欄板式貨箱邊板優(yōu)化過程為例，對(duì)比仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果，通過仿真計(jì)算確定邊板剛度優(yōu)化方案，滿足剛度目標(biāo)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

1.1 邊界條件

貨箱通過連接件（騎馬螺栓、騎馬螺栓壓板、限位拉板、固定連接支架、墊木或膠墊等）與車架相連，需保證各安裝點(diǎn)的強(qiáng)度牢固、安裝空間與間距合理，使貨箱與車架連接后無松動(dòng)移位。

1.2 材料選擇

欄板式貨箱各部件材料以普通碳素鋼或高強(qiáng)度合金鋼為主，如采用木材、竹材、塑料、鋁合金等時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命滿足要求。

1.3 結(jié)構(gòu)要求

貨箱總成設(shè)計(jì)應(yīng)考慮模塊化，控制零部件新增數(shù)量，以最小數(shù)量滿足最大用戶需求。貨箱（自卸車、裝載質(zhì)量1 000 kg以下貨車除外）前部應(yīng)安裝比駕駛室高至少70 mm 的安全架，貨箱不應(yīng)設(shè)計(jì)加長(zhǎng)、加寬、加高的結(jié)構(gòu)或裝置，載貨部分不應(yīng)設(shè)計(jì)為伸縮結(jié)構(gòu)、不應(yīng)設(shè)置乘客座椅。

1.4 裝配可行性

設(shè)計(jì)中需滿足貨箱總成、附件及邊界零部件的裝配可行性與便捷性。

2 有限元建模

2.1 建模流程

有限元建模分為3個(gè)階段：前處理、計(jì)算求解和后處理[5]。

前處理是指根據(jù)對(duì)模型外形及網(wǎng)格要求的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)描述，自動(dòng)或半自動(dòng)地生成離散模型的數(shù)據(jù)文件，并對(duì)生成的網(wǎng)格圖進(jìn)行檢查和修改[6]。

計(jì)算求解是指由任一款有限元求解器完成網(wǎng)格計(jì)算。

后處理是指查看求解結(jié)果，常見的輸出結(jié)果包括位移、應(yīng)變、應(yīng)力以及加速度等[5]。

針對(duì)某輕卡欄板式貨箱總成的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 欄板式貨箱設(shè)計(jì)流程

2.2 模型搭建

貨箱幾何模型如圖2所示，據(jù)此建立各零部件間連接關(guān)系，貨箱標(biāo)準(zhǔn)載重為2 500 kg，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定試驗(yàn)工況的加載載荷為0.08 倍標(biāo)準(zhǔn)載重，即1 960 N。

圖2 欄板式貨箱幾何模型

利用HyperMesh 搭建有限元模型，其中所有薄壁類零件采用殼單元模擬，網(wǎng)格尺寸為10 mm，螺栓和銷軸采用RBE2+CBEAM 組合單元模擬，焊縫采用SEAM方式模擬，焊點(diǎn)采用SPOT方式模擬，欄板式貨箱與車架間的接觸采用GAP 單元處理，材料參數(shù)見表1。欄板式貨箱的有限元模型共324 814 個(gè)節(jié)點(diǎn)、443 012個(gè)單元，如圖3所示。

表1 材料參數(shù)

2.3 約束條件

欄板式貨箱的邊板為主要承載部件，也是剛度最薄弱處，需重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)N2類車試驗(yàn)條件，設(shè)置模型約束區(qū)域（貨箱縱梁及四周）固定不動(dòng)，與臺(tái)架試驗(yàn)條件保持一致，如圖4所示，邊板面積為80 000 mm2，加載載荷為1 960 N，與試驗(yàn)工況保持一致。

圖4 欄板式貨箱剛度分析的約束及加載

圖4 中SPC 為（Single Point Constraint，單點(diǎn)約束），SPC 后數(shù)字1～6 表示約束方向，分別為x向平動(dòng)、y向平動(dòng)、z向平動(dòng)、x向轉(zhuǎn)動(dòng)、y向轉(zhuǎn)動(dòng)、z向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 剛度分析

3.1 仿真結(jié)果

欄板式貨箱的邊板厚為1.2 mm，材料為Q235，其仿真結(jié)果如圖5 所示，邊板最大變形量為13.1 mm，超過最大允許變形量（＜12 mm），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不滿足要求，需進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 欄板式貨箱邊板仿真位移

剛度計(jì)算式為

式中：F為加載力，取值1 960 N；S為位移，mm。優(yōu)化前S取值為13.1 mm，計(jì)算得到優(yōu)化前邊板剛度為149.6 N/mm，當(dāng)S取值為12 mm 時(shí)，計(jì)算得到邊板最大允許變形量所對(duì)應(yīng)的最小剛度為163.4 N/mm。

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

貨箱實(shí)際質(zhì)量為335.8 kg，仿真貨箱質(zhì)量為332.5 kg，二者誤差低于1%。在邊板剛度臺(tái)架試驗(yàn)中，剛度測(cè)試加載位置與仿真模型一致，如圖6所示。

圖6 欄板式貨箱邊板剛度臺(tái)架試驗(yàn)

邊板剛度的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果為12 mm，仿真結(jié)果為13.1 mm，較臺(tái)架試驗(yàn)偏大。仿真與試驗(yàn)結(jié)果的差異率小于10%，說明仿真分析有效可行。

3.3 優(yōu)化方案

為提高貨箱邊板剛度，可以采用加強(qiáng)截面、采用優(yōu)質(zhì)材料、增加支撐等方法，從經(jīng)濟(jì)性和可行性方面考慮，最終選擇增加邊板厚度和在大變形區(qū)域增加加強(qiáng)板方法。

確定邊板材料仍選用Q235，具體優(yōu)化方案如下。

（1）方案1：保持邊板厚度為1.2 mm，在邊板中心增加一個(gè)與現(xiàn)邊板加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)相同的筋，如圖7所示。

圖7 欄板式貨箱邊板優(yōu)化方案1

（2）方案2：保持邊板厚度為1.2 mm，在邊板中間增加一個(gè)厚為1.2 mm的板，材料為Q235，如圖8所示。

圖8 欄板式貨箱邊板優(yōu)化方案2

（3）方案3：將邊板厚度由1.2 mm增至1.3 mm。

對(duì)方案1～3 分別進(jìn)行仿真計(jì)算，最大位移分別為13.0、12.9、11.9 mm，如圖9～11所示。

圖10 欄板式貨箱邊板仿真位移（優(yōu)化方案2）

圖11 欄板式貨箱邊板仿真位移（優(yōu)化方案3）

由式（1）計(jì)算得到優(yōu)化方案1～3 的邊板剛度，結(jié)果見表2。

表2 各優(yōu)化方案的剛度計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，方案3 為最優(yōu)改進(jìn)方案，通過增加邊板厚度滿足剛度目標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文對(duì)某輕卡欄板式貨箱剛度進(jìn)行分析及優(yōu)化。通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)貨箱邊板剛度不滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)比加筋、加板、邊板加厚3種改進(jìn)方案，確定方案3滿足剛度目標(biāo)要求，應(yīng)優(yōu)先采用增加邊板厚度方式提高剛度。通過介紹貨箱剛度優(yōu)化過程為同行提供一定經(jīng)驗(yàn)借鑒。