9.6m廂式貨車鋁合金廂體的輕量化設計和剛度研究

摘"要：交通領域作為最大排放源之一，汽車輕量化成為實現雙碳目標的有效途徑。將9.6m中型廂式貨車廂體設計變更為鋁合金材料，建立該車廂的三維模型及有限元模型，針對廂體不同構件特點劃分不同網格，并在國家及行業標準的測試工況下進行結構分析，確保廂體所受應力及殘余變形滿足標準。仿真結果表明：該車廂既滿足原有安全可靠的要求，也具有更小體積質量、更耐腐蝕、更大沖壓塑性等特點。

關鍵字：廂式貨車；鋁合金；有限元分析；剛度分析

中圖分類號：TH122""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0056-04

Lightweight Design and Stiffness Research Based on Aluminum Alloy Body of 9.6m Van

XIA Yuexiang， XIN Zhou

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：As one of the largest sources of emissions in the transportation sector， vehicle lightweight has become an effective way to achieve the goal of dual carbon. A 9.6-meter medium-sized van body is substituted with aluminum alloy material， a three-dimensional model and a finite element model of the carriage are established. According to the characteristics of different components of the cabin， different grids are divided， and their structures analyzed under the test conditions of national and industry standards to ensure that the stress and residual deformation of the cabin meet the standards. The simulation results show that the carriage not only meets the original requirements of safety and reliability， but also has the characteristics of smaller specific gravity， more corrosion resistance and greater stamping plasticity.

Keywords：van; aluminum alloy; finite element analysis; stiffness analysis

0"引言

伴隨著我國經濟發展，各個行業物質材料調配需求快速增長。在物流運輸的途徑中，公路運輸以快捷靈活特性占據重要地位。根據《2020年交通運輸行業發展統計公報》顯示，2020年年底，我國共有1 171.54萬輛道路運營車輛。其中：載貨車輛1 110.28萬輛、15 784.17萬噸位，分別為普通貨車414.14萬輛、4 660.76萬噸位；專用車輛50.67萬輛、596.60萬噸位；特種牽引車310.84萬輛、掛車334.63萬輛［1］。相較于裸露運輸，廂式貨車避免了下雨刮風等天氣變化對貨物的損傷，減少了貨物在運輸途中遭遇盜竊的情況，提高了貨物的安全性。此外，廂式車有一系列統一的設計制造標準，可以控制貨車超載的情況，保證不會對道路或者橋梁等交通基礎設施產生破壞［2］。

汽車質量和能耗有直接關系，在相同行駛速度下，汽車整體越重能耗越大，而車體越輕能耗越小。通過有關調查顯示，車體質量減輕1 kg，1 L汽油就可以多行駛 0.011 km， 也就是減輕100 kg，可以多行駛 1 km［3］。減輕車輛質量，不但降低了燃料消耗，還降低空氣中的CO2，車輛降低50%的質量，可以降低13%的CO2排放，而且還能降低氮化物、硫化物等其他危險污染物的排放量，對改善生態環境具有重要意義［4］。降低車輛的質量，還能改善車輛的行駛性能。美國鋁業協會提出，車輛質量每降低25%，其加速到96.56km·h-1的時間將由10s縮短至6s；在減少車輛質量的前提下，還可以減少車輛的動力和動力系統負荷，使得車輛在低牽引負荷行駛的情況下也可以達到相同的性能效果［5］。

目前國內大量廂式車車廂材料以普通鋼型材為主，而就輕量化方面的改進優化，已沒有太多的改進空間。技術較成熟的輕質材料主要有超高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料、夾層材料、塑料等。先進的高強度鋼成本低廉，技術成熟度較高，但其減載作用受到限制；而工程塑料的強度和對環境的適應性較低，使其在汽車上的使用受到限制，不能得到很好的應用；鎂合金和碳纖維的應用價格昂貴，供應鏈和技術成熟度較差，僅限于少數零部件和型號。而鋁合金具有較高的輕質性能和較低的價格，適合于大部分的車身結構，所以鋁合金是整車進一步輕量化的首選材料［6］。鋁合金密度為2.7g/cm3 ，同樣體積的鋁合金幾乎只有鋼的1/3質量。鋁合金也具有相當的強度和剛度，用鋁合金替代鋼材可減少20%的質量，節約12%～16%的燃油［7］。

本文針對9.6m中型廂式貨車廂體進行輕量化改進設計，采用鋁合金材料替代車廂普通鋼材，再對廂體薄弱部分進行加強，冗余部分進行改善，并對車廂結構進行有限元分析，在不同工況下進行結構強度校核分析，得出應力薄弱的區域以及強度校核方案。

1"廂體及車架結構設計

以鋁合金型材取代目前的鋼制型材廂式運輸半掛車車廂，并按照有關的安全規范標準進行了輕量化設計的廂式貨車貨廂模型如圖1所示。

廂體框架及蒙皮均由6XXX系鋁合金構成，車架為高強度鋼材Q345B構成，局部加強件通過鉚接和焊接方式連接。車廂框架由薄壁方形管構成，蒙皮為梯形瓦楞板，結構如圖2所示。

車廂底部由2根縱梁、11根橫梁及花紋地板構成。車架為鋼板焊接而成，結構如圖3所示。

車架及廂體用高強度螺栓連接。其他構件尺寸如表1所示。

2"有限元模型的建立

2.1"模型結構

以廂式貨車貨廂的結構為對象，通過有限元分析軟件，對其進行了簡單的建模，以減少計算工作量，提高計算效率［8］。

1） 忽略非承載結構。對于廂體不承受載荷或承受載荷較小的構件，如后門板、鉸鏈板及車架墊片等附件都省略。

2） 簡化孔結構。車架的螺栓孔、線路孔、吊環孔、加工孔等都是為了達到裝配功能性的目的而設計的，對結構力學性能的作用不大，所以都可以忽略。

3）去除倒角、圓角。不在應力集中的區域附近的圓弧都可簡化為直角，在工藝中所要求的倒角、拔模斜度和倒圓角對車架的結構應力沒有明顯的作用，可以忽略。

滿足以上條件建立的車廂及車架有限元模型如圖4、圖5所示。

2.2"網格劃分

在有限元計算中，是由整體到零散，由零散再到整體的轉化過程，利用分析軟件將目標劃分為若干個小的單元格，這些單元格表示當前位置的受力和變形，如果單元格足夠小，就能反映出這一點的受力，然后再由各個單元格上的受力和形變進行疊加計算，從而得出整體受力［9］。因此對單元格劃分顯得至關重要。本文根據三維數模的幾何模型，綜合考慮了相關規范和標準，采取多區域網格劃分，對于結構不復雜，面積較大的區域采取多區域6面體30mm網格劃分，對于細節部位采取補丁適形4面體20mm網格劃分。由此建立的箱式運輸車模型包括402 625個單元、801 892個節點。

3"廂體在典型工況下的強度校核

廂式半掛車運輸方式多種多樣，道路狀況多變，所以必須具備一定的剛性以抵御其變形，從而確保其正常運行。故根據 JT/T 389—2010 要求對前墻和側墻進行載荷施加，試驗載荷作用于試驗部件上的時間不小于5min。本文采用廂體最大載重16t。

3.1"前墻工況

在發生緊急剎車等情況下，車廂內部的載重會對汽車的前墻造成較大的撞擊。按國家標準規定，將0.4乘以額定載荷施加于前墻并進行卸載。仿真分析結果如圖6所示。

由結果可知前墻在施加載荷時，最大應力為705 MPa，位于前墻底部框架連接處；最大位移為86.91 mm，位于前墻中央部分。載荷卸載后，前墻最大殘余變形為0.026 mm，符合JT /T 389—2010中殘余變形不超過12 mm標準。

3.2"側墻工況

當滿載的半掛車在轉向時，其內部裝載的貨物會對其側面造成撞擊。按國家標準規定，將0.4乘以額定載荷施加于側墻并進行卸載。仿真分析結果如圖7所示。

由結果可知側墻在施加載荷時，最大應力為182 MPa，位于側墻底部框架連接處；最大位移為27.72 mm，位于側墻中央部分。載荷卸載后，側墻最大殘余變形為0.148 mm，符合JT /T 389—2010中殘余變形不超過12 mm標準。

3.3"結果對比

材料替換對比結果如表2所示，有效減質量結果達48.66%。

4"車架在彎曲工況下的強度校核

彎曲工況主要考慮半掛車在路面靜止或以恒定速度行駛在路面上時，車體的受力及變形情況。當路面不平整而顛簸時，在車體滿載的情況下，加載2g的加速度［10］，以保證結構的安全系數。仿真分析結果如圖8所示。

5"結語

本文以有限元方法用計算機模擬仿真鋁合金設計車廂在不同工況下，檢驗是否滿足強度要求，以仿真結果證明，該鋁合金車廂設計相較于原來鋼結構車廂不僅滿足了強度要求，而且同時有效減質量結果達 48.66%。這大幅度減少了車輛油耗和碳排放，降低了動力和動力傳動系統的負荷，增加了車輛的行駛性能。該設計方案及有限元仿真方法對同類廂式貨車的輕量化研究有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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［7］ 倪元，王春陽. 鋁型材在客車和專用汽車（掛車）上的應用［J］. 商用汽車，2011（24）：76-82.

［8］ 翟正錕，崔俊杰，鄭偉茂，等. 某鵝頸式半掛車車架有限元靜態分析［J］. 中國農機化學報，2014，35（2）：175-178.

［9］ 楊成明. 倉柵式半掛車車架有限元分析及輕量化設計［D］. 濟南：山東大學，2019.

［10］ 祝哮，李冰，徐鑫，等. 鋁合金廂式半掛車有限元分析［J］. 熱處理技術與裝備，2021，42（1）：30-32.

收稿日期：20220922