張宏杰，周明春

(1.蘇州健雄職業(yè)技術學院 機電工程系，江蘇 太倉 215411；2.江蘇悅達專用車有限公司，江蘇 鹽城 224007)

基于ANSYS Workbench的后裝式壓縮垃圾車廂有限元分析

張宏杰1，周明春2

(1.蘇州健雄職業(yè)技術學院 機電工程系，江蘇 太倉 215411；2.江蘇悅達專用車有限公司，江蘇 鹽城 224007)

后裝式壓縮垃圾車廂是由鋼板焊接而成的空間結構，由于垃圾力學性質的不確定性以及結構本身、載荷工況的復雜性，對車廂進行有限元分析存在較大難度。通過強大的有限元分析軟件ANSYS Workbench對該結構進行有限元分析計算，獲得車廂在實際工況載荷下的變形、應力分布情況，為后裝式壓縮垃圾車結構的改進與優(yōu)化提供重要依據。

后裝式壓縮垃圾車廂;有限元分析;ANSYS Workbench;垃圾載荷

后裝式壓縮垃圾車由于裝卸方便、容量大、密封好、自動化程度高，獲到了廣泛的應用[1-2]。后裝式壓縮垃圾車的結構由汽車底盤、車廂、填料器等組成。其中，車廂分為箱體和推板，箱體包括頂板、底板和側板。后裝式垃圾車廂三維總裝如圖1所示。

垃圾是一種力學性質很不確定的混合物質，目前陳樹勛等[3]研究了垃圾載荷的作用機理，建立了垃圾形狀的曲面函數，采用應力測試與變參數法，給出了自重、慣性、壓縮、擠入、推出及其組合工況下壓縮垃圾對車廂與填料器作用載荷的數學函數。本文對垃圾力學性質與各種基本工況下壓縮垃圾載荷分布進行變參數基本假設，根據這些假設給出各種實際綜合工況壓縮垃圾載荷的數學表達，將其施加于車廂進行詳盡的結構有限元分析，獲得了該結構在以上工況下的變形與應力分布，為壓縮垃圾車廂的優(yōu)化設計提供了必要條件[4-5]。

圖1 垃圾車廂和填料器三維模型Fig.1 3D model of the garbage carriage

1 工況條件

由于垃圾力學性質的不確定性和垃圾車廂結構本身與垃圾載荷工況的復雜性，利用有限元精準模擬實際工況有較大難度。垃圾車共有4種滿負荷工況，包括：滿載靜態(tài)與平穩(wěn)行駛工況，滿載擠入工況(裝載)，滿載推出工況(卸載)和滿載顛簸行駛工況(運輸)，其中，工況最惡劣的是滿載顛簸行駛與剎車情況，其次是滿載擠入，再次是滿載推出，最后是滿載靜止與平穩(wěn)行駛。由于專用車在滿載顛簸行駛與剎車時，其工況載荷難以測量和計算，本次分析選取第二種工況作為有限元分析工況。

作用力的簡化：將垃圾的自重產生的壓力加載在廂體底板上；將推出板及其油缸產生的推力加載到導軌的作用面上；將滿載背壓時(壓力19.6MPa)，推出板油缸產生的力作用在導軌上；將填料器及其上下刮板、相關油缸產生的重力簡化成對后框架的壓力；將滿載時，上刮板帶動下刮板對垃圾產生的力假設成同時將這些力平均分配到廂體側板及底板上(有效作用面積)。

2 車廂有限元模型的建立

在建立模型過程中，為造型、分析方便，將零件進行簡化，并把各接縫處(如后框架與廂體、前板與廂體)處理成完全吻合，并假定各焊接處(包括分段焊)完全融合在一起，忽略焊接變形的影響，所有這些處理的結果是軟件模擬的零件剛度比實物大，在后期分析結果時應考慮這些因素。

為提高分析效率、改善網格劃分質量，需要簡化或去除模型中對分析結果影響較小的零部件或細節(jié)特征。采用Siemens NX 8.5，通過提升體、同步建模等操作去除CAD模型中的小孔、倒角及圓角等細小特性，完成簡化車廂三維裝配模型的建立，最后運用NX與ANSYS的接口直接將其導入ANSYS Workbench(以下簡稱AWB)的DM模塊中，運用AWB的取中面(Mid-Surface)操作，將體單元轉換為面單元[6-7]。

垃圾車車廂零部件主要采用Q235-A和Q390材料，由于其材料相關參數很相近，為方便分析，這里取車廂材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。車廂盡量采用多體部件體(From New Part)，實現零件間的節(jié)點共享。對于分散零件間的結合面采用綁定接觸，而未能直接生成結合面的零件采用手動方式實現接觸。

垃圾車廂體由一個個薄板組成，因此采用四邊形殼體單元對廂體進行分析。根據模型大小將網格尺寸設置40.0 mm，網格高級大小功能選取Curvature，劃分完成后節(jié)點為70 965，單元為66 924。有限元網格模型如圖2所示。

圖2 車廂有限元模型Fig.2 FEM of the garbage carriage

對于有限元模型的網格劃分質量，AWB常通過網格檢查(Mesh Metric)中的單元質量檢驗(Element Quality)來衡量。Element Quality是基于給定單元的體積與邊長的比值計算模型的單元質量因子，范圍0～1，0為最差，1為最好。單元質量檢驗如圖3所示，由圖3可知四邊形單元遠遠多于三角形單元，且單元質量因子平均值為0.83 127，接近1，網格劃分質量很好[8]。

圖3 單元質量檢驗Fig.3 Element quality inspection

3 車廂有限元分析

3.1 載荷與約束

3.1.1 裝載垃圾重量及其產生的壓力[9]

根據同類型、同尺寸垃圾車廂所裝載垃圾重量，這里取垃圾重量為8 t，假設垃圾平均作用在地板上，則底板所受力約為80 000 N。

3.1.2 推出板及其油缸作用在導軌上[10]

(1)自重產生的作用力

推出板總質量為224 kg、推出板油缸質量76 kg，則總質量為224+76=300 kg，排出板重力作用在車廂內導軌上，則每個導軌面受到的壓力約為3 000÷2 =1 500 N。

(2)因背壓產生的作用力

排出板油缸背壓壓力為19.6 MPa，作用面積為π(602-522)=2 813 .4 mm2，則排出板油缸推力為F=(19.6×106)×(2 813.4×10-6) =55 142.6 N。

所以綜合兩種情況，導軌單個作用面積總作用力為1 500+21 148.4=22 648.4 N。

3.1.3 后框架受力

填料器與油缸合計質量為1 393.5 kg，則作用在后框架上的重力約為13 935 N。

3.1.4 垃圾作用在側板和底板上的壓力

刮板對垃圾產生壓力，壓力通過垃圾傳遞到廂體側板與底板上。單根上刮板提升油缸產生的壓強為1 764 N /cm2，油缸的作用面積為38.48 cm2，則單根上刮板提升油缸提升力為1 764 N/cm2×38.48 cm2=67 874.8 N ，兩根油缸力為67 874.8×2=135 749.6 N。

上刮板油缸軸線與水平面所成夾角42.7°,下刮板壓垃圾受力面積1 m2，廂體可作用最大表面積為15.76 m2。

則提升力水平分量為135 749.6 N×cos42.7°=99 764 N，總作用面積為1+15.76=16.76 m2。

所以對側板與底板造成的壓強為99 764÷16.76=5 952.5 Pa。

對廂體底部進行固定約束，加載與約束如圖4所示。

圖4 車廂載荷與約束Fig.4 Load and constraint of the garbage carriage

3.2 有限元分析結果與討論

車廂變形云圖如圖5。由圖5可以發(fā)現底板與側板發(fā)生較大尺寸位移，且位移部位云圖呈橢圓形。雖然整個廂體大部分呈現藍白色，即變形量小于5.8 mm，但局部變形較大，尤其是側板部分，若長時期使用，會導致車廂發(fā)生永久大變形。

車廂應力云圖見圖6。圖6中深色表示應力小于120 MPa部分，淺色表示大于235 MPa部分。可以看出整個廂體應力不超過235 MPa，局部高于235 MPa(材料許用應力[σ]=235 MPa)，最大應力發(fā)生在底板與其支撐板接縫處，若長期使用會從接縫處產生撕裂現象。另外底板部分是大應力集中分布區(qū)域，這是因為底板承載較大(壓強與重力)所致。

圖5 車廂變形云圖Fig.5 Nephogram of the garbage carriage deformation

圖6 車廂應力云圖Fig.6 Nephogram of the garbage carriage stress

另外，從整個應力云圖中也可以看出，廂體整體顯藍色，較均勻，而且絕大部分應力值在179 MPa以內，整體結構符合要求，但底板厚度有待增加,接縫處連接質量有待增強。

4 結論

對實際工況下壓縮垃圾載荷分布進行基本假設，將其施加于車廂進行詳盡的結構有限元分析，獲得了車廂在以上工況下的變形與應力分布，為壓縮垃圾車廂的優(yōu)化設計提供了必要條件。結果表明，廂體底板與側板有可能由于長期使用過早發(fā)生永久變形。因此適當增加底板與側板的厚度，同時保證薄板接縫處的連接質量非常重要。

[1] 丁繼斌.后裝壓縮式垃圾車機構優(yōu)化設計[J].機械制造與研究,2003(6):10-13.

[2] CHEN S X, Shanghui Y E. A guide-weight criterion method for the optimal design of antenna structures[J].Engineering Optimization, 1986,10(3):199-216.

[3] 陳樹勛,應鴻烈.壓縮垃圾車結構載荷的函數表達[J].裝備制造技術,2006(4):61-63.

[4] Mahdavinejad R. Finite element analysis of machine and workpiece instability in turning[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005,45(7):753-760.

[5] 李初曄,王海濤,馮長征.高速數控龍門銑床有限元分析[J].制造技術與機床,2013(2):75-79.

[6] 喻永巽.ANSYS Workbench的應用現狀及分析[J].機電工程技術,2014,43(9):138-140.

[7] SCOTT D R, PETER M W, CHRISTOPHER J B. On modeling of the weld line in finite element analysis of tailor-welded blank forming operations[J].Mater. Process. Technol., 2004,147(1):28-37.

[8] ZHAO K M, CHUN B K, LEE J K. Finite element analysis of tailor-welded blanks[J].Finite Elements in Analysis and Design, 2001,37:117-130.

[9] 陳樹勛,王海波,應鴻烈.拉臂式壓縮垃圾車車廂結構的有限元分析與優(yōu)化設計[J].裝備制造技術, 2008(4):47-49.

[10] 陳樹勛,楊照剛,湯勇.后裝式壓縮垃圾車結構有限元分析[J].機械設計, 2007,24(5):58-62.

(責任編輯：李華云)

Finite Element Analysis of a Rear Loaded Compressing Garbage Carriage Based on ANSYS Workbench

ZHANG Hongjie1,ZHOU Mingchun2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering of CSI, Taicang Jiangsu 215411， China;2.Jiangsu Yueda Special Vehicle Co., Ltd., Yancheng Jiangsu 224007, China)

The rear loaded compressing garbage carriage is a spatial structure welded together by steel plate. Due to the uncertainty of mechanical property for garbage and the complexity of the structure itself and loading conditions, it is difficult to carry out the analysis of carriage. Through powerful finite element analysis software ANSYS Workbench to have the finite element analysis and calculation for this structure, the deformation and stress distribution of carriage is achieved in the actual working condition, which provides a important basis for the improvement and optimization of the rear loaded compressing garbage carriage.

the rear loaded compressing garbage carriage; finite element analysis; ANSYS Workbench; garbage loading

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201504009

2015-10-12

江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目(PPZY2015B188)

張宏杰 (1969-)， 男， 江蘇東臺人， 副教授， 碩士， 主要研究方向為結構分析、控制工程。

TP391.7

A

1671-5322(2015)04-0037-05