新材料与工艺手册

[轻量化自卸车] 自卸车货箱的结构强度分析及轻量化设计

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发表于 2020-9-9 19:15:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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自卸车货箱的结构强度分析及轻量化设计
李石金
(一汽红塔云南汽车制造有限公司,曲靖 655000)
摘 要:为降低自卸车质量及油耗,提高自卸车运输效率,本文以某自卸车货箱为研究对象,利用HyperMesh对现状态自卸车货箱进行了两个典型工况的结构强度分析;在此基础上本文将货箱材料替换为高强度钢,以货箱各零部件厚度作为设计变量,以材料许用应力为约束条件,货箱质量最小为设计目标,在OptiStruct中进行尺寸优化分析并确定轻量化设计方案;最后再次利用HyperMesh对轻量化方案进行结构强度分析。结果显示优化后货箱结构强度得到一定提升,轻量化设计货箱质量降低了20.7%,成本降低387元,轻量化效果显著。
关键词:自卸车货箱;结构强度;轻量化;尺寸优化
前 言

随着科学技术的快速发展,人们的环保意识逐渐增强,“节能减排”的问题越来越受到人们的重视。有关试验资料表明,车辆减轻自身质量10%,可降低油耗6%~8%[1]。对载货汽车来说,减轻自身质量还提高了有效载重质量,即增加质量利用系数,从而提高运输效率,降低运输成本,这相对来说也是降低燃油费用。因此,在保证汽车的整体强度和使用可靠性的前提下,汽车轻量化是达到节能减排的重要途径之一。货箱作为自卸车上体积最大的部件,它的轻量化可为整车轻量化做出突出贡献。

本文以某自卸车货箱为研究对象,利用HyperMesh首先对现状态货箱进行结构强度分析,再在此基础上进行优化分析并对分析结果进行圆整确定货箱优化方案,通过利用HyperMesh对优化后货箱进行结构强度分析验证,结果显示轻量化方案货箱不仅结构强度得到一定提升,而且轻量化效果显著。

2 现状态货箱强度/刚度分析2.1 分析模型

某自卸车样车货箱UG三维结构模型如图1所示,主要由前围、侧围、后围、地板等组成,其结构尺寸长×宽×高为4350mm×2200mm×1200mm,货箱材料均为Q235,屈服强度为235MPa,弹性模量E=2.1×105 Mpa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.8g/cm3,货箱质量为1077kg,承载25000kg。

图1 货箱三维模型

考虑货箱结构及载荷的对称性,为提高解算效率,故通过截取货箱的一半进行分析[2]。利用UG软件将货箱模型截取一半并导入有限元前处理软件Hypermesh中抽取中面,然后进行几何清理,去除不重要的圆角、倒角,并建立如图2所示的有限元模型。其中货箱主体采用壳单元进行离散,单元形态以Quad4单元为主,少量Tria3单元,单元尺寸大小设为10 mm;焊缝采用SEAM单元模拟,螺栓采用RB2进行刚性连接,最终整个货箱模型被离散为653428个单元,其中三角形单元2569个,约占单元总数的0.4%。

图2 货箱有限元模型

2.2 边界条件

根据自卸车用途,主要对货箱两个典型工况进行分析,即运输过程满载工况、举升时的卸载工况,其约束及加载方式如下:

(1)约束:满载工况约束货箱与车架连接处X、Y、Z方向移动自由度,卸载工况约束除货箱与车架连接处Y方向扭转之外的其余5个自由度及货箱与举升油缸连接处的六个安装孔Z方向位移。

(2)加载:将货物对货箱的作用力简化为货箱内表面的线性压强,其中货物对地板作用力简化为静水压力,货物对前围、侧围、后围的压力依据朗肯土压力理论计算,计算模型如下:

①货物对地板压力:P1=ρgh,式中ρ为货物密度,取1.826×109 t/mm3,g为重力加速度,取9.8m/s2,h为货箱侧板顶部到底板内表面的距离为1200mm。

②货物对前围、侧围、后围的压力:P2=P0×tan2(45。-),式中p0=ρgh1,h1为货箱侧板顶部到侧板上某点距离,Ф为货物的安息角,取40。。

按照以上模型建立以Z方向为变量的压强函数,施加在货箱内表面。

2.3 分析结果

2.3.1 满载工况

1)位移分布云图

在满载工况下货箱各个部分的位移云图如图3所示,其中前围的最大位移为2.6mm,集中在前围板中部;侧围的最大位移为7.3mm,位于侧围中部;后围的最大位移为17.8mm,集中在后围中部;地板的最大位移为4.7mm,集中在地板中部。

2)应力分布云图

满载工况下货箱各部分的Mises应力云图如图4所示,前围的最大应力为:

图3 满载工况位移分布云图

156.3 MPa,主要集中在货箱与地板连接处;侧围的最大应力为337.3MPa,主要分布在两侧以及侧围与地板连接处;后围的最大应力为485.9MPa,主要集中在后围与侧围连接部分;地板的最大应力为308MPa,主要集中在地板中部横梁与纵梁连接部位。

图4 满载工况应力分布云图

2.3.2 卸载工况

1)位移分布云图

在卸载工况下,货箱各部分位移分布如图5所示,前围的最大位移为2.5mm,位于前围中部;侧围的最大位移为7.3mm,位于侧围中部;后围的最大位移为17.8mm,位于后围中部;地板的最大位移为5.3mm,位于地板中部。

图5 卸载工况位移分布云图

2)应力分布云图

卸载工况下,货箱各部分的Mises应力云图如图6所示,前围的最大应力为154.1MPa,集中分布在前围中下部;侧围的最大应力为337MPa,主要分布在铰链的连接部位;后围的最大应力为485.9MPa,主要集中分布在侧围与后围的连接处加强板;地板的最大应力为405.3MPa,集中分布在地板中部。

由上述分析结果可知,该货箱在满载及卸载两个工况下,侧围、后围和地板三部分的局部最大应力均大于Q235材料的屈服强度,不满足强度要求,可靠性及耐久性差。为提高货箱结构强度及实现货箱轻量化,需对该货箱进行轻量化设计。

3 轻量化设计

汽车轻量化实施途径主要从采用高强度轻量化材料,进行结构优化,运用轻量化制造工艺三方面来实现轻量化[3]。目前对于卡车主机厂最快捷的方式为采用高强度材料及结构优化,故本文对货箱轻量化采取方式为材料替换及结构优化。

(1)材料替换

将货箱材料全部替换为P700XT,材料屈服强度为700MPa,弹性模量E=2.12×105 Mpa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7.9g/cm3。

图6 卸载工况应力分布云图

(2)结构优化

结构优化方法目前主要分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化三种。本文在不改变货箱零部件形状及结构的前提下利用OPTISTRUCT求解器以货箱各部件厚度为设计变量,以各部件Von Mises应力低于材料许用应力500MPa为约束条件,以质量最小为优化目标对货箱进行尺寸优化。

优化分析完成后,货箱各个部件的厚度均发生了变化,其分析结果如图7所示。

图7 尺寸优化结果

针对优化分析结果,对各部件的厚度进行圆整后结果如表1所示,经过优化后货箱质量由1077kg降至854kg,减少20.7%,成本降低387元。

表1 货箱尺寸优化方案

4 轻量化方案结构强度分析验证

按照圆整后货箱各部分零件厚度重新调整模型后,进行货箱结构强度分析,验证货箱轻量化方案的可行性。

4.1 满载工况

1)满载工况位移分布云图

优化后货箱在满载工况下各部分的位移云图如图8所示,前围的最大位移为1mm,侧围的最大位移为6.2mm,后围的最大位移为11.7mm,地板的最大位移为2.9mm,均满足刚度变形要求。

2)满载工况应力分布云图

优化后货箱在满载工况下各部分的Mises应力分布云图如图9所示,前围的最大应力为68.7MPa,侧围的最大应力为257.3MPa,后围的最大应力为:

图8 货箱优化后满载工况位移分布云图

473.1 MPa,地板的最大应力为272.6MPa,均小于材料许用应力500MPa,满足强度要求。

图9 货箱优化后满载工况应力分布云图

4.2 卸载工况

1)卸载工况位移分布云图

优化后货箱在卸载工况下各部分的位移云图如图10所示,前围的最大位移是0.9mm,侧围的最大位移是6.2mm,后围的最大位移是11.7mm,地板的最大位移是3.6mm,均满足刚度变形要求。

2)卸载工况应力分布云图

优化后货箱在卸载工况下各部分的Mises应力分布如图11所示,其中前围的最大应力为67.6MPa,侧围的最大应力为329MPa,后围的最大应力为473.2MPa,地板的最大应力为360.1MPa,也均小于材料许用应力500MPa,满足强度要求。


图10 货箱优化后卸载工况位移分布云图

图11 货箱优化后卸载工况应力分布云图

将货箱优化前后在满载工况及卸载工况下的分析结果分别汇总如表2、表3所示,由结果可知优化后货箱各面板位移均降低,最大应力下降,结构强度得到一定提升。

表2 货箱优化前后满载工况的结构强度对比

表3 货箱优化前后卸载工况的结构强度对比

为进一步验证货箱轻量化方案可行性,按轻量化方案制作货箱装车后,加载25000kg进行10000km可靠性道路试验及3000次举升试验,在试验过程中未出现任何问题。截至目前,按该轻量化方案执行的自卸车累计销售3000余台,经过市场售后跟踪,该轻量化货箱结构安全可靠,未出现任何问题。

5 结论

本文以某自卸车样车货箱为研究对象,利用HyperMesh对货箱满载及卸载两个典型工况进行结构强度分析,并在此基础上通过采用高强度钢材料借助OptiStruct软件对货箱进行轻量化设计后,货箱质量在原来基础上降低20.7%,成本降低387元,结构强度得到一定提升,轻量化效果显著。

专家推荐

康明:

本文利用HyperMesh对现状态自卸车货箱进行了结构强度分析,并在此基础上通过更换货箱材料,以货箱各部件厚度作为设计变量,以材料许用应力为约束条件,以货箱质量最小为设计目标,利用OptiStruct和HyperMesh进行优化设计及结构强度分析。结果显示优化后货箱结构强度得到一定提升,实现货箱轻量化和降成本双重效果,具有很强的实用性和科学性。

参考文献:

[1]陈吉清,兰凤崇.汽车结构轻量化设计与分析方法 [M].北京:北京理工大学出版社,2017.

[2]刘彦成.自卸车结构强度分析与试验研究 [D].重庆:重庆大学,2014.

[3]周伟,苏世荣等.汽车轻量化研究 [J].汽车工程师,2019(1):21-22.

[4]黄登峰,闫晓磊,钟勇.基于拓扑和尺寸优化的汽车C型梁结构轻量化设计[J].福建工程学院学报,2018,16(6):526-529

[5]吴二娟,张代胜,谭继锦.基于刚度灵敏度分析的宽体货箱优化设计 [J].汽车科技,2018(2):100-103.

[6]程耿东.工程结构优化设计基础 [M].大连:大连理工大学出版社,2012.

[7]Cheng Y.Predictive analysis on maintenance of mining dump truck[J].Applied Mechanics &Materials,2013(340):848-851.

[8]Wu Y Q,Wang Z J,Hu X Z.Simulation and optimization of mining dump truck steering mechanism[J].Key Engineering Materials,2013,58(10):439-445.


[size=1.8em]Structural strength analysis and lightweight design of dumper box
LI Shi-jin
(FAW hongta yunnan automobile manufacturing co.,LTD.,Qu jing 655000 China)

Abstract:In order to reduce the quality,fuel consumption and improve the transportation efficiency of dump truck,the HyperMesh has been used to analyze the structure strength of the container of a dump truck under two typical working conditions.On this basis,the container material was replaced with high-strength steel,and the thickness of each component of the container was taken as the design variable,the allowable stress of the material was taken as the constraint condition,and the minimum weight of the container was taken as the design objective.Finally,HyperMesh was used to analyze the structural strength of the lightweight scheme,and the results showed that the structural strength of the optimized container was improved to some extent.After light weight design,the quality of the container has been reduced by 20.7%,and the cost has been reduced by ¥387,light weight effect is significant.





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