周文海黃貴東

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 1545006；2.柳州博實(shí)唯汽車(chē)科技有限公司，廣西 柳州 545005）

某自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

周文海1黃貴東2

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 1545006；2.柳州博實(shí)唯汽車(chē)科技有限公司，廣西 柳州 545005）

為研究某船型自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)，對(duì)車(chē)廂滿載舉升典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了車(chē)廂的變形和應(yīng)力狀況。針對(duì)該類(lèi)車(chē)廂結(jié)構(gòu)易受疲勞和強(qiáng)度破壞的薄弱環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)的車(chē)廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。將改進(jìn)前后的分析結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示通過(guò)改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)有效的提高了此車(chē)廂的強(qiáng)度和剛度，對(duì)此類(lèi)自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有實(shí)用的參考意義。

自卸車(chē)；車(chē)廂；改進(jìn)設(shè)計(jì)

自卸車(chē)是應(yīng)用最廣泛的商用車(chē)之一。車(chē)廂是自卸車(chē)用于裝載和傾卸貨物的構(gòu)件，通常由前欄板，左、右側(cè)欄板，后欄板和底板組成。車(chē)廂承受著繁重的載荷，尤其是汽車(chē)在通過(guò)不平路面時(shí)，車(chē)廂容易接收地面激勵(lì)而產(chǎn)生沖擊載荷。通常自卸車(chē)的工作環(huán)境比較惡劣，這無(wú)疑對(duì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提出了更高的要求。當(dāng)車(chē)廂設(shè)計(jì)或制造工藝存在缺陷時(shí)，就容易引起車(chē)廂局部斷裂或變形，從而影響使用同時(shí)局部結(jié)構(gòu)的不同，會(huì)影響到自卸車(chē)車(chē)廂的受力及變形。因此，自卸車(chē)車(chē)廂應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度和合理的結(jié)構(gòu)。合理地改進(jìn)自卸車(chē)車(chē)廂的結(jié)構(gòu)，是降低應(yīng)力、減小變形的重要手段。[1]

本文針對(duì)某款重型自卸車(chē)車(chē)型的車(chē)廂進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，找出車(chē)廂相對(duì)薄弱的部分并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過(guò)合理優(yōu)化原有車(chē)廂，使其具備足夠的強(qiáng)度和剛度，有效的提高該自卸車(chē)車(chē)廂工作的可靠性。與以往僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)的方式相比，將CAE融入到自卸車(chē)車(chē)廂的設(shè)計(jì)當(dāng)中，能有效地縮短研發(fā)周期，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。從而達(dá)到減少開(kāi)支，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力目的。

1 車(chē)廂模型工況描述

圖1為典型的底板橫剖面呈矩形的后傾式車(chē)廂結(jié)構(gòu)。圖1中所示1為車(chē)廂總成，2為后欄板，3和4為鉸鏈座，5為車(chē)廂鉸支座，6為側(cè)欄板，7為防護(hù)擋板，8為底板。為避免裝載時(shí)物料下落碰壞駕駛室頂孟，通常車(chē)廂前欄板加做向上前方延伸的防護(hù)擋板。車(chē)廂底板固定在車(chē)廂底架之上。車(chē)廂的側(cè)欄板、前后欄板外側(cè)面通常布置有加強(qiáng)筋。

圖1　車(chē)廂結(jié)構(gòu)意圖

車(chē)廂是自卸車(chē)的載貨構(gòu)件，因其存在相當(dāng)數(shù)量的橫縱梁及加強(qiáng)筋，形狀顯復(fù)雜。而汽車(chē)行駛狀況千變?nèi)f化，道路狀況、載貨種類(lèi)與重量、氣候條件、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等等都是不定的。因此，要確切知道車(chē)廂各點(diǎn)的受力情況很困難，簡(jiǎn)化其力學(xué)模型就成為車(chē)廂有限元分析必要進(jìn)行的工作。[2]

圖2　兩種工況簡(jiǎn)化力學(xué)模型

圖3　車(chē)廂三維模型

2 車(chē)廂靜力學(xué)分析及結(jié)果討論

車(chē)廂在滿載時(shí)，貨物對(duì)底部的壓力可簡(jiǎn)化為均布載荷。滿載靜態(tài)工況下，其底板縱梁與車(chē)架接觸，可簡(jiǎn)化為車(chē)架對(duì)車(chē)廂的作用力是與貨物對(duì)車(chē)廂底板壓力等大反向的均布載荷；滿載舉升工況下，車(chē)廂在離開(kāi)車(chē)架的時(shí)刻，車(chē)架對(duì)車(chē)廂底部除鉸接點(diǎn)之外不再有作用力，與貨物對(duì)底板的平衡力來(lái)自于舉升機(jī)構(gòu)的舉升力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以將自卸車(chē)車(chē)廂受力模型簡(jiǎn)化如圖2-b所示。[3]

由于舉升工況車(chē)廂所受力遠(yuǎn)大于靜態(tài)工況，故只需分析滿載舉升工況時(shí)車(chē)廂受力情況即可。因?yàn)樵谛敦浀倪^(guò)程，隨著貨物的傾卸，載荷會(huì)隨之減少，故只要此時(shí)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求，舉升過(guò)程其他時(shí)刻也會(huì)滿足強(qiáng)度要求。載荷的施加情況如表1所示。

表1　車(chē)廂載荷情況

本文選取殼單元離散，包括4節(jié)點(diǎn)四邊形單元和3節(jié)點(diǎn)三角形單元，焊接、液壓缸座及后欄板鎖扣用 1D單元 rbe2連接。本次的模型中以10mm邊長(zhǎng)的三角和四邊形網(wǎng)格劃分了總共92萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，如圖4所示。

圖4　網(wǎng)格劃分模型

將前處理好的模型提交有限元分析軟件計(jì)算，得到等效應(yīng)力如圖5所示、位移云圖如圖6所示。分析結(jié)果表明車(chē)廂底板中部橫縱梁連接區(qū)域最大應(yīng)力為540.6Mpa；底板中部最大位移為17.63mm；側(cè)欄板中部最大位移為0.26mm。底板中部第三到第九根橫梁與中縱梁連接處應(yīng)力過(guò)大，第四到第八根縱梁之間位移量過(guò)大。雖然此應(yīng)力值在材料屈服應(yīng)力范圍之內(nèi)，舉升時(shí)位移也在材料剛度允許范圍。但考慮到超載、動(dòng)荷、沖擊等情況，此計(jì)算結(jié)果下底板的強(qiáng)度及剛度是不夠的。這也是此車(chē)廂容易出現(xiàn)變形、撕裂的主要原因。

圖5　改進(jìn)前滿載舉升應(yīng)力云圖

圖6　改進(jìn)前滿載舉升位移云圖

3 車(chē)廂改進(jìn)設(shè)計(jì)及對(duì)比分析

針對(duì)以上對(duì)車(chē)廂靜力學(xué)分析結(jié)果，通?？刹捎脤?duì)底板加厚1mm以及在底板橫梁縱梁間加三角加強(qiáng)筋兩種改進(jìn)方案。

兩種方案達(dá)到車(chē)廂底部的應(yīng)力及位移效果基本一致，但考慮到加厚底板會(huì)大大增加自卸車(chē)自重，底板厚度增加1mm則自卸車(chē)自重將增加 126KG，不符合輕量化設(shè)計(jì)主流；在底板橫梁縱梁間焊接加強(qiáng)筋方案共需增加36塊三角加強(qiáng)筋，總共約重33KG，相比之下故而采取此改進(jìn)方案更為合理。

對(duì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)有如下四點(diǎn)要求：（1）在原基礎(chǔ)上改進(jìn)，不能大范圍破壞原結(jié)構(gòu)。（2）改進(jìn)操作簡(jiǎn)單、工藝性好。（3）要求改進(jìn)后能有效降低關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力，減小關(guān)鍵區(qū)域位移。（4）改進(jìn)結(jié)構(gòu)后不能影響外觀。改進(jìn)后的模型如圖7。

圖7　改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

改進(jìn)方案等效應(yīng)力如圖8所示，位移云圖如圖9所示。分析結(jié)果表明車(chē)廂底板中部橫縱梁連接區(qū)域最大應(yīng)力為320.2Mpa；底板中部最大位移為 11.62mm；側(cè)欄板中部最大位移為11.04mm。對(duì)車(chē)廂強(qiáng)度及剛度分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表2所示。

圖8　改進(jìn)后滿載舉升應(yīng)力云圖

圖9　改進(jìn)后滿載舉升位移云圖

表2　改進(jìn)前后分析比較

從表 2可看出，對(duì)車(chē)廂進(jìn)行局部改進(jìn)后，底板橫縱梁連接處最大應(yīng)力可有效降低到材料屈服強(qiáng)度以下；底板最大位移有效減小，車(chē)廂剛度更好。同時(shí)應(yīng)當(dāng)看出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，滿載舉升工況下側(cè)欄板位移有所增大，但在可以接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）分析了自卸車(chē)車(chē)廂的結(jié)構(gòu)形式及車(chē)廂各種工況的受力情況，針對(duì)滿載舉升工況進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到了其應(yīng)力分布及位移云圖。

（2）對(duì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)易受疲勞和強(qiáng)度破壞的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)的車(chē)廂滿載舉升工況進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明改進(jìn)結(jié)構(gòu)后車(chē)廂底部應(yīng)力值降低，車(chē)廂底部的位移減小，剛度增強(qiáng)，可更有效抵車(chē)廂抗變形。

（3）利用 CAE技術(shù)指導(dǎo)自卸車(chē)車(chē)廂的設(shè)計(jì)，通過(guò)局部改進(jìn)可以達(dá)到整體性能提升的目的，對(duì)延長(zhǎng)此自卸車(chē)使用壽命，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有很大幫助。

[1] 石金鵬,楊祖一.SGA3723礦用汽車(chē)貨箱輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)[J].金屬礦山,2009,(8):111-113.

[2] 伍浩明.一種自卸車(chē)貨箱輕量化方案的可行性探討[J].專(zhuān)用汽車(chē),2008,(3):25.

[3] 朱曉晶,籍慶輝,朱平.基于多種工況下的自卸車(chē)車(chē)廂輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2014,(5):47-52.

A dump truck car structure analysis and design improvements

To study the structure of one ship type dump truck carriage, stress and displacement distribution analysis is conducted for static full load lifting.It is provided the basis for the improvement and optimum of the structure,and some corresponding improvement plans were proposed. Compared the analysis results before and after improvement, the results show that the strength and stiffness of the carriage is improved after improving the local structure, the research and practice of this paper possess certain practical significance and referential value in the design of such a dump truck carriage structure.

Dumper; carriage; improved design

S-3

A

1008-1151(2015)07-0069-03

2015-06-13

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃“整車(chē)與零部件輕量化共性應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)建設(shè)”（2012E010102）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題“整車(chē)及零部件可靠性與輕量化共性應(yīng)用技術(shù)引進(jìn)”（2012DA37002）。

周文海（1958－），男，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)系主任，教授。