肖開政

（福建省閩鋁輕量化汽車制造有限公司，南平354200）

0 前言

從裸露倉欄柵板半掛運(yùn)輸車到按統(tǒng)一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的新能源封閉式廂式運(yùn)輸車的出現(xiàn)是汽車發(fā)展史上的一個(gè)標(biāo)志性變革，這預(yù)示著公路運(yùn)輸正式步入安全、文明、高效的時(shí)代。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今歐美等發(fā)達(dá)國家?guī)杰囌嫉截涍\(yùn)汽車總量的90%以上[1]。相比之下，我國廂式車的起步較晚，技術(shù)薄弱，市場(chǎng)占有量不高，并且仍以模仿歐美專用汽車為主。

新能源車輛技術(shù)的越發(fā)成熟、基礎(chǔ)運(yùn)輸業(yè)的不斷完善以及各地方法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、政策的大力支持，廂式運(yùn)輸車將保持高速增長態(tài)勢(shì)。與此同時(shí)，國家對(duì)節(jié)能、環(huán)保日益重視，行業(yè)追求低碳綠色的輕量化設(shè)計(jì)已成為必然趨勢(shì)[2-3]。特別是近年來傳統(tǒng)鐵質(zhì)瓦楞車廂、鋼塑復(fù)合板車廂因自身重、裝載小、隔熱效果差等原因，逐步被各行業(yè)用戶所淘汰，而鋁合金輕量化車廂所帶來的后期節(jié)能效益倍受關(guān)注。鋁合金是實(shí)用金屬中最具輕量化設(shè)計(jì)理念的金屬，其密度僅為2.7，大約是鋼密度的三分之一。用鋁合金型材制造的廂式運(yùn)輸半掛車重量相較于鋼制廂式車，不僅具有20%～30%的減重優(yōu)勢(shì)，還具備強(qiáng)度高（如7××× 系高強(qiáng)鋁合金）、抗震減噪、材料回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)運(yùn)輸車領(lǐng)域的輕量化進(jìn)程有著重要的意義[4-5]，更符合當(dāng)今環(huán)保、安全、節(jié)能的節(jié)約型社會(huì)主題。

縱觀歐美廂式車的發(fā)展史，輕量化技術(shù)始終貫穿其中。改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)用先進(jìn)的工藝技術(shù)以及選用輕質(zhì)材料是現(xiàn)今車企探索的三大方向，其中最顯成效的應(yīng)屬廂體型材技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新。本文在調(diào)研國內(nèi)外廂式半掛車輕量化進(jìn)程的基礎(chǔ)上，以本公司某一全鋁箱式運(yùn)輸半掛車的研發(fā)產(chǎn)品為分析對(duì)象，基于有限元分析軟件ANSYS 對(duì)其可能出現(xiàn)的幾種典型工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得出最大應(yīng)力薄弱區(qū)域及強(qiáng)度校核方案。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 廂體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用鋁合金型材替代現(xiàn)行的鋼制廂式運(yùn)輸半掛車骨架結(jié)構(gòu)來建立有限元結(jié)構(gòu)模型，并遵循各項(xiàng)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)某鋁合金箱式運(yùn)輸半掛車結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[6-8]。

廂體主體結(jié)構(gòu)是由6 ×× × 系鋁合金底板總成、鋁合金側(cè)圍總成、前圍總成、門板以及5×× ×系鋁合金蒙皮組成。同時(shí)，局部加強(qiáng)件是由高強(qiáng)鋼（B510L）通過鉚接和焊接技術(shù)進(jìn)行連接。設(shè)定4組常見工況（彎曲、前墻、側(cè)墻、叉車）對(duì)廂式運(yùn)輸車進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1.1 鋼鋁混合掛車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到路況和超載問題，為了保證車架的可靠性，車架縱橫梁仍以B510L（Q345B）高強(qiáng)鋼材骨架為核心，其余部件采用比強(qiáng)度高的6×× ×系鋁合金。湖南大學(xué)謝鋒對(duì)類似鋁合金車架的不確定性建立了車架的不確定多目標(biāo)優(yōu)化模型，并且利用區(qū)間序關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為確定性多目標(biāo)優(yōu)化模型[9]；華南理工大學(xué)的周云郊等人對(duì)車身前端結(jié)構(gòu)鋼鋁混合材料進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，在綜合考慮總質(zhì)量、前縱梁后端峰值碰撞力等性能的鋼鋁混合材料與板厚組合多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型中，得到了較優(yōu)的鋼鋁試用比[10]。本文在綜合考慮鋼和鋁之間電化學(xué)效能不同、電極電位相差較大、易發(fā)生電化學(xué)腐蝕以及其他物理方面性能差異大等因素后，采用機(jī)械連接的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖1所示。

圖1 鋼鋁混合車架有限元模型

2 有限元模型的建立

汽車在行駛過程中，不允許出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂或塑性變形以及表面損壞等狀況，其強(qiáng)度是車架滿足基本要求的前提和保證。車架強(qiáng)度分析方法主要有經(jīng)典的近似解法以及數(shù)值法（數(shù)值法含能量法、邊界元法、有限元法），目前常用的主要是有限元分析方法。有限元分析是一種集計(jì)算機(jī)科學(xué)、理論力學(xué)、離散數(shù)學(xué)等為一體的數(shù)值求解分析方法，也是目前專用車領(lǐng)域進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用較為廣泛的工具。通過該方法可以得到該模型結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而對(duì)車架強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，以保證結(jié)構(gòu)安全。

本文根據(jù)三維數(shù)模的幾何模型，綜合考慮了相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)而建立了某廂式運(yùn)輸半掛車有限元模型，所有規(guī)則的型材均用殼單元模擬。殼單元基本尺寸30 mm，翹曲度＜15°，傾斜度＜60°，長寬比＜5，四邊形最小內(nèi)角45°，最大內(nèi)角135°，三角形最小內(nèi)角20°，最大120°。不僅如此，模型還充分考慮了焊接質(zhì)量的規(guī)范要求。由此建立的箱式運(yùn)輸車模型包括1 267 653 個(gè)單元、2 104 448 個(gè)節(jié)點(diǎn)和70 847個(gè)焊點(diǎn)單元。

載荷處理方面，以GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中的相關(guān)規(guī)定作為參考指標(biāo)，在半掛車有限元模型中進(jìn)行重量加載，即貨物重量以質(zhì)量點(diǎn)形式均勻分布到相應(yīng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)上，鵝頸式底架及箱式車身自重按所給密度和結(jié)構(gòu)尺寸均由程序自動(dòng)施加上。

3 典型工況下的強(qiáng)度校核

設(shè)定彎曲、前墻、側(cè)墻、叉車4組工況對(duì)箱式運(yùn)輸車進(jìn)行靜力學(xué)分析。車輛在行駛中由于路面不平整，可能會(huì)引起不同程度的顛簸，進(jìn)而對(duì)車身產(chǎn)生一定的沖擊載荷，因此在計(jì)算彎曲工況時(shí)考慮了一定的動(dòng)載系數(shù)，一般在1.5～2.5 之間（本文設(shè)定彎曲工況動(dòng)載荷系數(shù)為2.0）。前墻工況、側(cè)墻工況、叉車工況根據(jù)廂式貨車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T389 2010《廂式貨車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行設(shè)置。

3.1 水平彎曲工況

彎曲工況計(jì)算主要模擬箱式運(yùn)輸車在良好路面下勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，是對(duì)箱式運(yùn)輸車在滿載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。根據(jù)GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形的規(guī)定，對(duì)箱式運(yùn)輸車底板施加32 t的均布載荷。

其約束條件為：對(duì)牽引銷XYZ 向的平動(dòng)自由度及X 向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。有限元分析結(jié)果如表1所示：箱式車身鋼制部分最大應(yīng)力值為317.4 MPa；鵝頸式底架部分的最大應(yīng)力值為262.8 MPa；鋁地板最大應(yīng)力值為175.3 MPa。相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖2所示。

表1 失效區(qū)域應(yīng)力最大值

圖2 彎曲工況下的應(yīng)力云圖

圖3 設(shè)計(jì)方案的變更及優(yōu)化

根據(jù)表1 所示，我們對(duì)該結(jié)構(gòu)做了必要的優(yōu)化，對(duì)有一定強(qiáng)度冗余的區(qū)域進(jìn)行輕量化的改進(jìn)，對(duì)存在安全隱患的部位進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償。如圖3 所示，于底架鵝頸處安裝基座上增加了一塊6 mm 的角鋼進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)前端梁與前鎖座的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化——增大焊縫的設(shè)計(jì)長度以達(dá)到提高抗撕裂性的目的。

3.2 前墻工況

前墻工況的有限元分析主要在于考慮箱式運(yùn)輸車在滿載狀態(tài)下出現(xiàn)緊急制動(dòng)時(shí)，貨物對(duì)箱式車身前墻結(jié)構(gòu)的影響。文中對(duì)箱式運(yùn)輸車前墻施加12.8 t 的均布載荷。邊界約束條件為：對(duì)牽引銷XYZ向的平動(dòng)自由度、X向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z 方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。其整體等效應(yīng)力及位移云圖如圖4 所示。

由前墻工況下骨架應(yīng)力云圖和變形情況可知，前墻工況最大應(yīng)力值為187.6 MPa，出現(xiàn)在前墻底部橫梁與鋁底板焊縫上，符合強(qiáng)度要求；前墻工況最大變形量為78.22 mm，出現(xiàn)在前墻型材中心上。

圖4 前墻工況下的應(yīng)力及變形云圖

圖5 箱式車身前墻三角板調(diào)整示意圖

考慮到前墻的局部應(yīng)力偏高，對(duì)相應(yīng)的地方做了調(diào)整，如圖5中方框示意處：將箱式車身前墻頂蓋三角板材料由鋼調(diào)整為厚度為4 mm的6682鋁合金，這樣可避免材料突變引起應(yīng)力集中現(xiàn)象；將前墻板厚度由原來的1.6 mm 調(diào)整為1.8 mm。雖然每片型材將增重2.01 kg，整個(gè)前墻將增重16.36 kg，但是整體強(qiáng)度及最大變形量（下降到42.37 mm）得到了有效控制，在制動(dòng)工況下，具有更強(qiáng)的抗沖擊能力。

3.3 側(cè)墻工況

側(cè)墻工況的有限元分析主要在于考慮箱式運(yùn)輸車在滿載狀態(tài)下出現(xiàn)緊急轉(zhuǎn)彎時(shí)，貨物對(duì)箱式車身側(cè)墻結(jié)構(gòu)的影響。轉(zhuǎn)彎時(shí)箱式運(yùn)輸車車身除承受貨物及車輛重力作用外，還受到側(cè)向慣性力的作用。當(dāng)箱式運(yùn)輸車向左轉(zhuǎn)時(shí)，側(cè)向慣性力向右；當(dāng)箱式運(yùn)輸車向右轉(zhuǎn)時(shí)，側(cè)向慣性力向左。文中對(duì)箱式運(yùn)輸車側(cè)墻施加12 t 的均布載荷。邊界約束條件為：對(duì)牽引銷XYZ 向的平動(dòng)自由度、X 向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z 方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。其整體等效應(yīng)力及位移云圖如圖6和圖7所示。其最大應(yīng)力值為215.2 MPa，出現(xiàn)在側(cè)墻第二道門鎖桿上方上，最大變形量為16.69 mm，出現(xiàn)在右側(cè)墻門上，完全符合相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 側(cè)墻工況下運(yùn)輸車應(yīng)力云圖

圖7 側(cè)墻工況下鋁型材變形云圖（放大30倍）

對(duì)于側(cè)墻工況變形較大處的補(bǔ)強(qiáng)方式，本文采取的是在鋁合金廂車前懸鵝頸下邊梁處添加一塊加強(qiáng)版，以增加整體架構(gòu)的強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 側(cè)墻工況下廂車（放大30倍）

3.4 叉車工況

叉車工況模擬箱式運(yùn)輸車在裝載貨物時(shí)出現(xiàn)的集中載荷對(duì)箱式底板結(jié)構(gòu)的影響。叉車位置如圖8所示。對(duì)箱式運(yùn)輸車底板局部區(qū)域施加4.5 t的集中載荷，其約束條件為：對(duì)牽引銷XYZ 向的平動(dòng)自由度、X 向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z方向的平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

圖8 叉車工況叉車位置示意圖

等效應(yīng)力及位移云圖如圖9 所示。叉車1 位置最大應(yīng)力值為171.9 MPa，出現(xiàn)在叉車位置1 鋁合金底板上；叉車2 位置最大應(yīng)力值為174.5 MPa，出現(xiàn)在叉車位置2 鋁合金底板上；叉車3 位置最大應(yīng)力值為138.0 MPa，出現(xiàn)在叉車位置3 鋁合金底板上；叉車4 位置最大應(yīng)力值為158.6 MPa，出現(xiàn)在叉車位置4鋁合金底板上。

圖9 叉車工況下箱式運(yùn)輸車不同叉車位置應(yīng)力云圖

根據(jù)上述對(duì)叉車工況的有限元分析結(jié)果可知，叉車的行駛軌跡會(huì)承受較大的載荷應(yīng)力及變形，而相應(yīng)的應(yīng)力集中反應(yīng)在鋁合金底板與底板縱、橫梁連接處。在該車型的路試（頻繁的上下叉車）過程中，局部出現(xiàn)了底橫梁與底板焊縫開裂的情況（疲勞開裂），這也直接驗(yàn)證了此處結(jié)構(gòu)的薄弱性[11-13]。由于該區(qū)域的最大應(yīng)力并無超過材料的許用應(yīng)力值，則最佳的解決措施在于提高焊縫結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。本文一方面增加了底板型材與橫梁的接觸面，相應(yīng)增加了連接處的焊縫長度，另一方面也優(yōu)化了相關(guān)的焊接工藝，有效提高了該處的承載情況。

4 結(jié)束語

以我公司某鋁合金廂式運(yùn)輸半掛車主體骨架為研究對(duì)象，采用有限元模型分析了應(yīng)力分布狀況，根據(jù)不同工況下各個(gè)部位的不同受力特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)校核及優(yōu)化，對(duì)應(yīng)力集中過大處進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)非承重部位進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)果證明，該車型結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)有效減重達(dá)26.33%（相較于原鋼結(jié)構(gòu)），對(duì)同類箱式運(yùn)輸半掛車的輕量化研究有一定的借鑒意義。