涂艷豐 楊 兵 高永生 張 文

(1.寶鋼股份有限公司中央研究院汽車(chē)用鋼研究所，中國(guó) 上海201900；2.汽車(chē)用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〈寶鋼〉，中國(guó) 上海201900）

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)及節(jié)能環(huán)保相關(guān)法律的深度落實(shí)[1]，市場(chǎng)對(duì)自卸車(chē)的未來(lái)的需求又一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí): 輕量化是自卸車(chē)發(fā)展的方向；國(guó)家對(duì)超載的治理將實(shí)行常態(tài)化管理。同時(shí)，原油價(jià)格不斷攀升，加重了運(yùn)輸業(yè)的成本壓力。由此催化了市場(chǎng)對(duì)車(chē)輛輕量化。使用高等級(jí)材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要手段[2]。同時(shí)，高等級(jí)材料可以降低材料的投入量，降低材料生產(chǎn)過(guò)程的碳排放。本文通過(guò)有限元仿真，使用具有高強(qiáng)度、高耐磨性的耐磨板設(shè)計(jì)制作了一款自卸車(chē)車(chē)廂。 經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，該車(chē)廂重量下降接近40%，使用壽命提高了5 倍以上。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

圖1 典型自卸車(chē)車(chē)廂Fig.1 typical dumper car-body

表1 寶鋼耐磨鋼板力學(xué)性能（交貨狀態(tài)）Tab.1 The mechanical property of the baosteel wear-resistant steel (deliver condition)

車(chē)廂是自卸車(chē)的重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)自卸車(chē)車(chē)廂當(dāng)前還采用低強(qiáng)度等級(jí)材料，例如Q345。 自卸車(chē)長(zhǎng)度約5 米~6 米，寬度2 米~4米，單個(gè)車(chē)廂重量約10 噸左右。 采用傳統(tǒng)材料的車(chē)體，車(chē)身重，磨損快、質(zhì)量利用系數(shù)低，無(wú)法滿(mǎn)足日益嚴(yán)重的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及低排放的要求。 隨著高強(qiáng)耐磨鋼產(chǎn)品的出現(xiàn)，為自卸車(chē)車(chē)廂的減重帶來(lái)了機(jī)遇，但是國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這類(lèi)材料的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn),自卸車(chē)的輕量化與國(guó)外存在較大差距。

1.2 寶鋼耐磨鋼板介紹

近年來(lái)，瑞典﹑德國(guó)和日本等國(guó)家通過(guò)改進(jìn)成分設(shè)計(jì)﹑應(yīng)用DQ（直接淬火）技術(shù)，相繼開(kāi)發(fā)了強(qiáng)韌性和焊接性?xún)?yōu)良的HB400﹑HB500 甚至HB600 系列耐磨鋼產(chǎn)品。

目前寶鋼已具備生產(chǎn)布氏硬度為360HB、400HB、450HB 和500HB 等不同級(jí)別耐磨鋼板的能力。 寶鋼耐磨鋼厚板不僅硬度高，同時(shí)還具有優(yōu)良的拉伸性能、沖擊性能、耐磨性能和焊接性能，適用于各種磨損條件，產(chǎn)品質(zhì)量處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位[3]。寶鋼耐磨鋼板的力學(xué)性能如表1 所示。

圖2 各牌號(hào)鋼板相對(duì)使用壽命比較圖Fig.2 The relevent wear life of different steel

硬度是表征耐磨性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，硬度越高，耐磨性越好。 圖2所示的是不同牌號(hào)鋼材之間耐磨性能的相對(duì)使用壽命比較。 以Q345材料的耐磨性為基礎(chǔ),定為耐磨指數(shù)1。 從圖中可以看出，BW450 材料與Q345 材料相比，其硬度提高3 倍，在同等工況條件下平均使用壽命提高6-8 倍。

1.3 耐磨板車(chē)廂設(shè)計(jì)

1.3.1 耐磨板車(chē)廂車(chē)廂板厚度選擇

在承載能力不變，結(jié)構(gòu)形式不變時(shí)，通過(guò)高強(qiáng)度材料替換低強(qiáng)度材料，兩者的厚度可以可以按照下式進(jìn)行計(jì)算[2,4]。

式中：σ0——低強(qiáng)度材料屈服強(qiáng)度

t0——低強(qiáng)度材料的厚度

tx——高強(qiáng)度材料的厚度

表2 自卸車(chē)車(chē)廂板用材厚度表Table2 The thickness of the car-body parts

傳統(tǒng)自卸車(chē)車(chē)廂主要采用Q345 材料作為車(chē)廂板的主要材料。 表2 是傳統(tǒng)使用Q345 材料的車(chē)廂板厚度和通過(guò)公式1 計(jì)算出的BW450 材料的車(chē)廂板厚度并向上圓整。 表中的數(shù)據(jù)作為后續(xù)仿真模擬的初始輸入條件。

表3 網(wǎng)格單元質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Mesh quality criterion for the FEM model

1.3.2 車(chē)廂有限元模型處理

有限元分析，網(wǎng)格質(zhì)量是分析結(jié)果準(zhǔn)確的重要保證。但是，過(guò)高的單元質(zhì)量不但消耗過(guò)多的前處理時(shí)間， 同時(shí)造成過(guò)大的計(jì)算時(shí)間消耗。過(guò)低的質(zhì)量要求容易造成計(jì)算結(jié)果精度差、計(jì)算出錯(cuò)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致模型無(wú)法計(jì)算。由于自卸車(chē)車(chē)廂整體尺寸大，通常長(zhǎng)約5-8 米，為兼顧計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果精度，對(duì)于自卸車(chē)結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析，網(wǎng)格質(zhì)量一般按照表3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。 自卸車(chē)車(chē)廂模型極大，需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的前處理軟件進(jìn)行處理。 本文通過(guò)HYPERMESH 前處理軟件對(duì)車(chē)廂進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。 模擬采用三角形縮減積分單元和四邊形縮減積分單元的殼單元。

圖2 自卸車(chē)車(chē)廂有限元模型Fig.2 FEM model of the dumper car-body

自卸車(chē)車(chē)廂組成（前、后、底、邊等板，每塊板的組成），各部件之間及組成部件的零件主要采用焊接裝配。焊縫一般采用焊接單元進(jìn)行建模。但是，為了降低建模的復(fù)雜度且保證仿真的結(jié)果精度，本文采用共節(jié)點(diǎn)處理方法。

1.3.3 車(chē)廂約束加載

自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，模擬采用1/2 模型進(jìn)行。 自卸車(chē)車(chē)廂在舉升瞬間，其受力條件最為惡劣。 因此，模擬采用該工況進(jìn)行。 舉升狀態(tài)下（車(chē)廂處于脫離車(chē)架支撐的瞬間），整個(gè)車(chē)廂只受到翻轉(zhuǎn)座與舉升油缸的約束。 翻轉(zhuǎn)座與舉升油缸只有一個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此模擬需要約束翻轉(zhuǎn)座、油缸舉升處的平動(dòng)自由度及除轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向外的其他兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

1.3.4 載荷的加載

圖3 車(chē)廂后板壓力分布圖Fig.3 Press distribution of the car-body rail blank

自卸車(chē)主要應(yīng)有于礦石、煤炭、沙土、沙石等的運(yùn)輸，其壓力值的大小與所載物的密度有關(guān)，而且與實(shí)際裝載狀態(tài)有關(guān)。 計(jì)算采用最危險(xiǎn)工況（即滿(mǎn)載狀態(tài)）進(jìn)行分析。載荷近似處理為靜水壓力分布規(guī)律作用于內(nèi)板上，按照以下公式計(jì)算：

車(chē)廂側(cè)板最頂端的壓力為0MPa，因此壓力分布公式可以表示為：

其中:K=Pmax/h

X——加載點(diǎn)離底板的垂直距離

h——車(chē)廂板最高點(diǎn)相對(duì)底板的垂直距離

1.4 有限元仿真結(jié)果及分析

圖4 整體應(yīng)力分布云圖Fig.4 Total car-body stress distribution

圖4 是分別采用兩種材質(zhì)的車(chē)廂應(yīng)力分布云圖。從a 圖是采用耐磨板BW450 設(shè)計(jì)的車(chē)廂，b 圖是采用Q345 材質(zhì)設(shè)計(jì)的車(chē)廂。 從圖中可以看出，BW450 車(chē)廂的最大應(yīng)力值為648MPa，采用Q345 車(chē)廂的最大應(yīng)力水平為440MPa。

圖5 整體應(yīng)變分布云圖Fig.5 total strain distribution

圖5 是分別采用兩種材質(zhì)的車(chē)廂位移分布云圖。 從圖中可以看出，采用BW450 材質(zhì)的車(chē)廂(a)，整體最大變形為4.68mm，大于采用Q345 材質(zhì)車(chē)廂(b)的3.37mm，變形量差距不大。表4 是根據(jù)仿真結(jié)果，考察各部分應(yīng)力集中點(diǎn)的材料安全情況。

表4 兩種材質(zhì)車(chē)廂各部位安全系數(shù)比較Tab.4 Safety factor of each part of car-bodys used tow different materials

從表4、 表5 中可以看出， 車(chē)廂板在采用更薄的BW450 材料以后，整體的安全系數(shù)由于材質(zhì)本身強(qiáng)度的上升而上升。 但是車(chē)廂的各部件剛度略低于Q345 材質(zhì)的車(chē)廂，但是其總體變形量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)控制變形量。

表5 兩種材質(zhì)車(chē)廂各部位變形量的比較Tab.5 Deformation of each part of car-bodys used tow different materials

2 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

本文對(duì)同期投入使用3 個(gè)月的耐磨板車(chē)廂與Q345 材質(zhì)車(chē)廂進(jìn)行了跟蹤。 采用BW450 鋼板厚度減薄量最大僅0.19mm，而同期投入使用的普通車(chē)型Q345B 鋼板的減薄量約為2mm，是耐磨鋼的十倍。但是車(chē)廂局部在使用過(guò)程中，由于礦石的沖擊，出現(xiàn)過(guò)多過(guò)深的凹坑。這些問(wèn)題都需要在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)一步考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

3.1 輕量化是汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展方向，耐磨鋼具有高強(qiáng)度、高耐磨性，是自卸車(chē)廂板材的理想選擇，是自卸車(chē)領(lǐng)域推進(jìn)節(jié)能減排的重要選擇。

3.2 本文基于針對(duì)傳統(tǒng)自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)， 采用耐磨鋼進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)研究。 設(shè)計(jì)表明，使用耐磨板材料可以有效實(shí)現(xiàn)自卸車(chē)車(chē)廂的輕量化，車(chē)廂板的使用量可以下降40%以上，其強(qiáng)度安全系數(shù)至少可以提升10%，其剛度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

3.3 工程實(shí)踐表明采用耐磨板及有限元仿真設(shè)計(jì)方法可以滿(mǎn)足自卸車(chē)車(chē)廂實(shí)際使用需求，研究結(jié)果可應(yīng)用于自卸車(chē)車(chē)廂的設(shè)計(jì)。

［1］施欲亮，朱平，林忠欽.利用拼焊板結(jié)構(gòu)改進(jìn)車(chē)門(mén)內(nèi)板的輕量化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(5)：178－181.

［2］范世斌,馬力,高金玲.專(zhuān)用車(chē)構(gòu)件高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度等代設(shè)計(jì)中的板厚計(jì)算[J].專(zhuān)用汽車(chē),2009,1:54-57.

［3］寶山鋼鐵股份有限公司.熱軋耐磨板鋼產(chǎn)品手冊(cè)[M].產(chǎn)品手冊(cè),2013:1-2.

［4］梁沖，黃忠賢，蘇雄波.高強(qiáng)度鋼板在自卸車(chē)輕量化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用研究[J]裝備制造技術(shù),2010,9:55-57

［5］王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperMesh&HyperView 應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.