李 勇，李文超

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

近年來，隨著我國公路體系的逐步完善和現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，促使重型自卸車運輸效益大大提高。公路運輸市場也將逐步向集裝箱化、集約化、專用化發(fā)展，因此對于大馬力、大噸位的重型自卸車市場的需求越來越大。

目前，國內(nèi)重型自卸車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究已從單純依靠經(jīng)驗設(shè)計逐步發(fā)展到利用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法的階段。為了提高車輛的運輸效率，降低重型自卸車貨箱底板的質(zhì)量，減少運輸車輛的油耗，需要對運輸車輛進行輕量化設(shè)計。由于重型自卸車貨箱底板是貨物運輸?shù)闹苯虞d體，所以可對重型自卸車貨箱底板進行輕量化設(shè)計研究。馮艷秋等[1]采用ANSYS對煤礦卡車雙聯(lián)橋平衡軸支架進行了力學(xué)性能分析。逄明華等[2]對卡車燃油箱結(jié)構(gòu)強度進行了仿真分析。季有昌[3]對推土機平衡桿進行了有限元分析并對其進行了輕量化設(shè)計。但是通過研究發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)對重型自卸車貨箱底板有限元分析和輕量化設(shè)計研究成果較少，大部分有限元分析并未模擬工作狀態(tài)的應(yīng)力情況。

針對重型自卸車貨箱底板研究較少和有限元分析未模擬工作狀態(tài)應(yīng)力的問題，本文采用三維建模軟件PRO/E以貨箱底板作為研究對象，利用PRO/E繪出底板三維圖，將三維模型導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Workbench中，并對該模型進行有限元分析；根據(jù)有限元分析結(jié)果和輕量化要求，提出改進設(shè)計方案，對新型底板進行相同工況下有限元分析，最終驗證輕量化設(shè)計方案的合理性。

1 貨箱底板有限元分析模型

1.1 有限元模型的建立

通過PRO/E軟件建立重型自卸車貨箱底板的三維模型[4-5]，將10組零件進行裝配，并將貨箱底板模型參數(shù)化。本模型采用默認(rèn)接觸關(guān)系的有限元模型，最后無縫導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，共生成145個接觸對，得到如圖1所示的三維模型。

圖1 底板三維模型

該模型的材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量E=2.068×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.84×103kg/m3。重型自卸車貨箱底板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 重型自卸車貨箱底板結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

在重型自卸車貨箱底板三維模型的構(gòu)建過程中，不僅要考慮模型與實際的緊密結(jié)合，還要考慮模型計算的可行性。該底板所受載荷主要為垂直于底板平面的集中載荷，根據(jù)底板結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算模型的準(zhǔn)確性原則，在建立參數(shù)化模型時對其進行部分簡化，其簡化原則為：功能件和非承載件的應(yīng)力水平對計算結(jié)果影響小，對其忽略不計；構(gòu)件表面光順化，即對構(gòu)件表面上的孔、凸臺、凹部和翻邊盡量給予光順。

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

貨箱底板裝配關(guān)系復(fù)雜，建立好貨箱底板有限元模型有利于提高設(shè)計和數(shù)值模擬的精度和效率。在有限元網(wǎng)格的劃分中，對于變化平滑區(qū)域則可采用單元尺寸大、網(wǎng)格密度小的策略；對變化劇烈、圓角過渡和拐角處，要求單元的尺寸小、網(wǎng)格密度大。計算精度和計算效率要做到平衡，因為為提高計算精度需要增加單元數(shù)量，往往會導(dǎo)致計算效率的下降[6-7]。

ANSYS Workbench提供的網(wǎng)格劃分的方法與 ANSYS 經(jīng)典模式下的網(wǎng)格劃分方法不同。對于三維實體，ANSYS Workbench提供的劃分方法有自動劃分網(wǎng)格法(Automatic)、四面體劃分網(wǎng)格法(Tetraherons)、掃掠法(Swept Meshing)、多域法和 Hex Dominant法[5]。由于貨箱底板模型是由曲面薄板和加強結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，所以在劃分網(wǎng)格時采用自動劃分網(wǎng)格的方法。由于受到計算機配置的限制，考慮到計算的效率，設(shè)定網(wǎng)格單元的尺寸為 50 mm。

整個貨箱底板網(wǎng)格化模型如圖2 所示，網(wǎng)格單元數(shù)為109 634個，節(jié)點的個數(shù)為329 179個。

圖2 貨箱底板有限元模型

2 靜態(tài)應(yīng)力仿真

2.1 約束和載荷的施加

彎曲工況下的約束分別施加在貨箱底板與副車架的連接處，如圖3所示，圖中黃色長方形區(qū)域為約束部分，約束Y方向。載荷如圖4所示，在圖中紅色區(qū)域部分施加垂直載荷，沿Y軸的負(fù)方向，施加343 kN的力，此貨箱底板荷載貨物質(zhì)量為35 t，重力加速度取9.8 m/s2，方向向下。

2.2 求解與結(jié)果

本步驟為靜態(tài)分析，時間參數(shù)無需設(shè)定。在求解部分選擇整體變形圖、單個方向變形圖，然后求解。結(jié)果如圖5、6所示。

最終結(jié)果如表2所示，最大整體變形量為11.634 mm，主梁的最大變形量為0.108 17 mm。

圖3 約束示意圖

圖4 載荷的施加示意圖

圖5 靜態(tài)工況下的整體變形云圖

整體變形/mm主梁變形/mmY方向變形/mm應(yīng)變應(yīng)力/MPa11.6340.108 1711.6340.004 12 882.39

3 動態(tài)應(yīng)力仿真

3.1 有限元模型

為了更貼近貨箱底板的實際工作過程，需進行貨箱底板動態(tài)應(yīng)力分析，模擬貨箱卸貨過程中底板受力情況。動態(tài)應(yīng)力分析所采用的模型與靜態(tài)應(yīng)力分析類似，與靜態(tài)應(yīng)力不同的是在貨箱底板的后尾梁部分添加軸，以便添加旋轉(zhuǎn)副。動態(tài)應(yīng)力貨箱底板有限元模型如圖7所示[8]。

圖7 動態(tài)工況下貨箱底板有限元模型

3.2 約束和載荷的施加

貨箱底板與副車架是通過旋轉(zhuǎn)軸連接，模擬動態(tài)過程所需施加的約束和載荷為：貨物的質(zhì)量35 t，如圖8所示紅色部分E；液壓缸作為動力源提供40 t的提升力，如圖8所示紅色部分B；旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)角度為45°，如圖8所示藍色部分；軸的兩端為完全約束，如圖8所示黃色部分C；加載重力加速度，如圖8所示黃色部分A。此貨箱底板荷載貨物質(zhì)量為35 t，重力加速度取9.8 m/s2，方向向下，支撐貨箱底板的液壓缸提供40 t的支撐力，貨箱底板升起傾斜角為45°。

圖8 動態(tài)工況下約束和載荷

3.3 求解與結(jié)果

在貨箱底板升起過程中，貨箱底板上的載荷是變化的。但是在ANSYS Workbench中變化是通過載荷步來設(shè)置，而實際運行工況中貨物的載荷是連續(xù)變化的，所以無法模擬這個可變載荷。本文采用另一種方案加載固定最大載荷，研究貨箱底板變形情況。在求解部分選擇整體變形圖和應(yīng)變圖，結(jié)果分別如圖9、10所示。

圖9 動態(tài)工況下整體變形

圖10 動態(tài)工況下應(yīng)變云圖

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 靜態(tài)應(yīng)力仿真

為了滿足卡車貨箱底板的輕量化需求，特別對此貨箱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，做出的結(jié)構(gòu)改進如下：將原貨箱底板厚度4 mm改為2 mm，材料不變；將底板中部中橫梁平行放置改成正三角形排布放置，數(shù)量為12根；為了確保底板的強度和剛度，在前橫梁和后尾梁處分別加上1根平行放置的中橫梁。三維實體如圖11所示。

改進前后貨箱底板的質(zhì)量發(fā)生了變化，改進前的貨箱底板的質(zhì)量為1.19 t，改進后的貨箱底板的質(zhì)量為0.94 t，減輕了0.25 t，如圖12所示。此次改進符合輕量化的需求，但是做出輕量化設(shè)計一定是保證在一定范圍內(nèi)變形為前提。

對改進后貨箱底板的分析與改進前貨箱底板的分析步驟一致，設(shè)置參數(shù)一致，這樣才能保證改進前后參照對比性。在求解部分選擇整體變形圖、單個方向變形圖，然后求解，結(jié)果如圖13、14所示，可見改進后最大整體變形量為44.846 mm，主梁的最大變形為0.251 44 mm，具體結(jié)果見表3。

圖11 改進后三維實體

圖12 改進前后質(zhì)量對比

圖13 改進后靜態(tài)工況下的整體變形云圖

圖14 改進后靜態(tài)工況下Y方向變形云圖

整體變形/mm主梁變形/mmY方向變形/mm應(yīng)變應(yīng)力/MPa44.8460.251 4444.8450.005 61 120.5

4.2 動態(tài)應(yīng)力仿真

改進后模型的動態(tài)應(yīng)力分析的載荷和約束條件與改進前載荷和約束條件一致，保證仿真前后結(jié)果的可比性。在求解部分選擇整體變形圖和應(yīng)變圖，分別如圖15、16所示。

圖15 改進后動態(tài)工況下整體變形

圖16 改進后動態(tài)工況下應(yīng)變云圖

5 結(jié)果分析

5.1 靜態(tài)應(yīng)力結(jié)果分析

為了更加明顯地表現(xiàn)2根縱梁之間的應(yīng)力變化情況和更加清楚地顯示貨箱底板結(jié)構(gòu)改進前后的關(guān)系和對比，采用應(yīng)力線圖來觀察，計算的結(jié)果也可以以圖表的形式顯示。選擇一條改進前后模型中的相同路徑，總體變形路徑曲線如圖17、18所示，該路徑的整體變形歷程如圖19、20所示[9-10]。

分析圖17～20，比較模型改進前后的最大值，可見改進前變形的最大值為0.108 17 mm，改進后變形的最大值為0.251 44 mm，兩者相差較小，改進后模型的變形值在允許范圍之內(nèi)。圖19路徑變形歷程曲線圖較規(guī)律，呈周期分布，因為改進前模型底板中部中橫梁平行放置，最高點都是出現(xiàn)在中橫梁和底板縱梁的連接部位；而改進后的模型由于底板中部橫梁是正三角形布置，所以變化起伏較大，最高點仍然出現(xiàn)在中橫梁與底板縱梁的連接部位，因為此處容易存在應(yīng)力集中。

圖17 改進前模型靜態(tài)工況總體變形路徑曲線

圖18 改進后模型靜態(tài)工況總體變形路徑曲線

圖19 改進前模型靜態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

圖20 改進后模型靜態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

5.2 動態(tài)應(yīng)力結(jié)果分析

貨箱底板在運動狀態(tài)變形數(shù)據(jù)分析不等同于靜態(tài)狀況下的數(shù)據(jù)分析，在靜態(tài)中Total Deformation指的就是模型的變形量，而在動態(tài)中Total Deformation指的是剛度位移，所以在動態(tài)數(shù)據(jù)處理中，Total Deformation不具備分析變形的參考價值，在動態(tài)分析中應(yīng)該采用Equivalent Elastic Strain來考察模型是否有變形。應(yīng)變是考察自身內(nèi)部的變形，所以此項能作為研究模型變形的參考依據(jù)[11-12]。本模型的材料采用結(jié)構(gòu)鋼Q235，應(yīng)力和應(yīng)變公式為

δ=E·ε

(1)

式中：δ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。根據(jù)此公式算得結(jié)構(gòu)鋼Q235的彈性變形值為0.117 5 mm，而改進前后的模型的最大變形值分別為0.185 6 mm和0.193 38 mm，觀察最大變形的位置為貨箱底板連接處，因為在模型建立時零件之間的裝配關(guān)系是默認(rèn)的關(guān)系，而在實際生產(chǎn)過程中零件之間都是通過焊接裝配的，所以在連接處的變形不是本課題研究的重點，而貨箱底板主縱梁的變形才是重點，據(jù)此在模型中主梁上的一條線作為分析對象，得到的改進前后路徑曲線和路徑位移變形歷程曲線，分別如圖21～24所示[13-14]。

圖21 改進前模型動態(tài)工況應(yīng)變變形路徑曲線

圖22 改進后模型動態(tài)工況應(yīng)變變形路徑曲線

圖23 改進前模型動態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

圖24 改進后模型動態(tài)工況路徑位移變形歷程曲線

改進前的主梁總變形量為0.432 72 mm，改進后主梁總變形量為0.452 17 mm，改進前后總變形量大體相等，所以改進后結(jié)構(gòu)是合理的。由于結(jié)構(gòu)鋼的彈性變形量為0.117 5 mm，所以改進前后塑性變形量分別為0.315 22 mm和0.334 67 mm，因此整個貨箱底板的改進前后變形分別為24.1 mm和25.5 mm。

將靜態(tài)工況下與動態(tài)工況下仿真結(jié)果進行比較，本文所提出的輕量化設(shè)計方案符合應(yīng)力和強度要求，車廂底板質(zhì)量從原有1.19 t降低到0.94 t，變形量相差1.4 mm，在可控范圍以內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文以有限元的基本理論為基礎(chǔ)，采用三維軟件PRO/E建立重型自卸車貨箱底板的應(yīng)力分析有限元模型,并導(dǎo)入ANSYS Workbench中。利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件，計算得到靜態(tài)工況與動態(tài)工況下貨箱底板的應(yīng)力分布和變形量。基于有限元分析結(jié)果，對貨箱底板進行正三角布置重型自卸車貨箱底板中部橫梁的輕量化設(shè)計，貨箱底板總質(zhì)量降低了20.88%，變形量相差1.4 mm，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)符合變形和強度要求，輕量化設(shè)計效果明顯，驗證了輕量化設(shè)計方案的合理性，實現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。