張宏杰，周明春

(1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 太倉(cāng) 215411；2.江蘇悅達(dá)專用車有限公司，江蘇 鹽城 224007)

基于ANSYS Workbench的后裝式壓縮垃圾車廂有限元分析

張宏杰1，周明春2

(1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 太倉(cāng) 215411；2.江蘇悅達(dá)專用車有限公司，江蘇 鹽城 224007)

后裝式壓縮垃圾車廂是由鋼板焊接而成的空間結(jié)構(gòu)，由于垃圾力學(xué)性質(zhì)的不確定性以及結(jié)構(gòu)本身、載荷工況的復(fù)雜性，對(duì)車廂進(jìn)行有限元分析存在較大難度。通過強(qiáng)大的有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，獲得車廂在實(shí)際工況載荷下的變形、應(yīng)力分布情況，為后裝式壓縮垃圾車結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化提供重要依據(jù)。

后裝式壓縮垃圾車廂;有限元分析;ANSYS Workbench;垃圾載荷

后裝式壓縮垃圾車由于裝卸方便、容量大、密封好、自動(dòng)化程度高，獲到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。后裝式壓縮垃圾車的結(jié)構(gòu)由汽車底盤、車廂、填料器等組成。其中，車廂分為箱體和推板，箱體包括頂板、底板和側(cè)板。后裝式垃圾車廂三維總裝如圖1所示。

垃圾是一種力學(xué)性質(zhì)很不確定的混合物質(zhì)，目前陳樹勛等[3]研究了垃圾載荷的作用機(jī)理，建立了垃圾形狀的曲面函數(shù)，采用應(yīng)力測(cè)試與變參數(shù)法，給出了自重、慣性、壓縮、擠入、推出及其組合工況下壓縮垃圾對(duì)車廂與填料器作用載荷的數(shù)學(xué)函數(shù)。本文對(duì)垃圾力學(xué)性質(zhì)與各種基本工況下壓縮垃圾載荷分布進(jìn)行變參數(shù)基本假設(shè)，根據(jù)這些假設(shè)給出各種實(shí)際綜合工況壓縮垃圾載荷的數(shù)學(xué)表達(dá)，將其施加于車廂進(jìn)行詳盡的結(jié)構(gòu)有限元分析，獲得了該結(jié)構(gòu)在以上工況下的變形與應(yīng)力分布，為壓縮垃圾車廂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了必要條件[4-5]。

圖1 垃圾車廂和填料器三維模型Fig.1 3D model of the garbage carriage

1 工況條件

由于垃圾力學(xué)性質(zhì)的不確定性和垃圾車廂結(jié)構(gòu)本身與垃圾載荷工況的復(fù)雜性，利用有限元精準(zhǔn)模擬實(shí)際工況有較大難度。垃圾車共有4種滿負(fù)荷工況，包括：滿載靜態(tài)與平穩(wěn)行駛工況，滿載擠入工況(裝載)，滿載推出工況(卸載)和滿載顛簸行駛工況(運(yùn)輸)，其中，工況最惡劣的是滿載顛簸行駛與剎車情況，其次是滿載擠入，再次是滿載推出，最后是滿載靜止與平穩(wěn)行駛。由于專用車在滿載顛簸行駛與剎車時(shí)，其工況載荷難以測(cè)量和計(jì)算，本次分析選取第二種工況作為有限元分析工況。

作用力的簡(jiǎn)化：將垃圾的自重產(chǎn)生的壓力加載在廂體底板上；將推出板及其油缸產(chǎn)生的推力加載到導(dǎo)軌的作用面上；將滿載背壓時(shí)(壓力19.6MPa)，推出板油缸產(chǎn)生的力作用在導(dǎo)軌上；將填料器及其上下刮板、相關(guān)油缸產(chǎn)生的重力簡(jiǎn)化成對(duì)后框架的壓力；將滿載時(shí)，上刮板帶動(dòng)下刮板對(duì)垃圾產(chǎn)生的力假設(shè)成同時(shí)將這些力平均分配到廂體側(cè)板及底板上(有效作用面積)。

2 車廂有限元模型的建立

在建立模型過程中，為造型、分析方便，將零件進(jìn)行簡(jiǎn)化，并把各接縫處(如后框架與廂體、前板與廂體)處理成完全吻合，并假定各焊接處(包括分段焊)完全融合在一起，忽略焊接變形的影響，所有這些處理的結(jié)果是軟件模擬的零件剛度比實(shí)物大，在后期分析結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮這些因素。

為提高分析效率、改善網(wǎng)格劃分質(zhì)量，需要簡(jiǎn)化或去除模型中對(duì)分析結(jié)果影響較小的零部件或細(xì)節(jié)特征。采用Siemens NX 8.5，通過提升體、同步建模等操作去除CAD模型中的小孔、倒角及圓角等細(xì)小特性，完成簡(jiǎn)化車廂三維裝配模型的建立，最后運(yùn)用NX與ANSYS的接口直接將其導(dǎo)入ANSYS Workbench(以下簡(jiǎn)稱AWB)的DM模塊中，運(yùn)用AWB的取中面(Mid-Surface)操作，將體單元轉(zhuǎn)換為面單元[6-7]。

垃圾車車廂零部件主要采用Q235-A和Q390材料，由于其材料相關(guān)參數(shù)很相近，為方便分析，這里取車廂材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。車廂盡量采用多體部件體(From New Part)，實(shí)現(xiàn)零件間的節(jié)點(diǎn)共享。對(duì)于分散零件間的結(jié)合面采用綁定接觸，而未能直接生成結(jié)合面的零件采用手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)接觸。

垃圾車廂體由一個(gè)個(gè)薄板組成，因此采用四邊形殼體單元對(duì)廂體進(jìn)行分析。根據(jù)模型大小將網(wǎng)格尺寸設(shè)置40.0 mm，網(wǎng)格高級(jí)大小功能選取Curvature，劃分完成后節(jié)點(diǎn)為70 965，單元為66 924。有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 車廂有限元模型Fig.2 FEM of the garbage carriage

對(duì)于有限元模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，AWB常通過網(wǎng)格檢查(Mesh Metric)中的單元質(zhì)量檢驗(yàn)(Element Quality)來衡量。Element Quality是基于給定單元的體積與邊長(zhǎng)的比值計(jì)算模型的單元質(zhì)量因子，范圍0～1，0為最差，1為最好。單元質(zhì)量檢驗(yàn)如圖3所示，由圖3可知四邊形單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于三角形單元，且單元質(zhì)量因子平均值為0.83 127，接近1，網(wǎng)格劃分質(zhì)量很好[8]。

圖3 單元質(zhì)量檢驗(yàn)Fig.3 Element quality inspection

3 車廂有限元分析

3.1 載荷與約束

3.1.1 裝載垃圾重量及其產(chǎn)生的壓力[9]

根據(jù)同類型、同尺寸垃圾車廂所裝載垃圾重量，這里取垃圾重量為8 t，假設(shè)垃圾平均作用在地板上，則底板所受力約為80 000 N。

3.1.2 推出板及其油缸作用在導(dǎo)軌上[10]

(1)自重產(chǎn)生的作用力

推出板總質(zhì)量為224 kg、推出板油缸質(zhì)量76 kg，則總質(zhì)量為224+76=300 kg，排出板重力作用在車廂內(nèi)導(dǎo)軌上，則每個(gè)導(dǎo)軌面受到的壓力約為3 000÷2 =1 500 N。

(2)因背壓產(chǎn)生的作用力

排出板油缸背壓壓力為19.6 MPa，作用面積為π(602-522)=2 813 .4 mm2，則排出板油缸推力為F=(19.6×106)×(2 813.4×10-6) =55 142.6 N。

所以綜合兩種情況，導(dǎo)軌單個(gè)作用面積總作用力為1 500+21 148.4=22 648.4 N。

3.1.3 后框架受力

填料器與油缸合計(jì)質(zhì)量為1 393.5 kg，則作用在后框架上的重力約為13 935 N。

3.1.4 垃圾作用在側(cè)板和底板上的壓力

刮板對(duì)垃圾產(chǎn)生壓力，壓力通過垃圾傳遞到廂體側(cè)板與底板上。單根上刮板提升油缸產(chǎn)生的壓強(qiáng)為1 764 N /cm2，油缸的作用面積為38.48 cm2，則單根上刮板提升油缸提升力為1 764 N/cm2×38.48 cm2=67 874.8 N ，兩根油缸力為67 874.8×2=135 749.6 N。

上刮板油缸軸線與水平面所成夾角42.7°,下刮板壓垃圾受力面積1 m2，廂體可作用最大表面積為15.76 m2。

則提升力水平分量為135 749.6 N×cos42.7°=99 764 N，總作用面積為1+15.76=16.76 m2。

所以對(duì)側(cè)板與底板造成的壓強(qiáng)為99 764÷16.76=5 952.5 Pa。

對(duì)廂體底部進(jìn)行固定約束，加載與約束如圖4所示。

圖4 車廂載荷與約束Fig.4 Load and constraint of the garbage carriage

3.2 有限元分析結(jié)果與討論

車廂變形云圖如圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn)底板與側(cè)板發(fā)生較大尺寸位移，且位移部位云圖呈橢圓形。雖然整個(gè)廂體大部分呈現(xiàn)藍(lán)白色，即變形量小于5.8 mm，但局部變形較大，尤其是側(cè)板部分，若長(zhǎng)時(shí)期使用，會(huì)導(dǎo)致車廂發(fā)生永久大變形。

車廂應(yīng)力云圖見圖6。圖6中深色表示應(yīng)力小于120 MPa部分，淺色表示大于235 MPa部分?？梢钥闯稣麄€(gè)廂體應(yīng)力不超過235 MPa，局部高于235 MPa(材料許用應(yīng)力[σ]=235 MPa)，最大應(yīng)力發(fā)生在底板與其支撐板接縫處，若長(zhǎng)期使用會(huì)從接縫處產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。另外底板部分是大應(yīng)力集中分布區(qū)域，這是因?yàn)榈装宄休d較大(壓強(qiáng)與重力)所致。

圖5 車廂變形云圖Fig.5 Nephogram of the garbage carriage deformation

圖6 車廂應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of the garbage carriage stress

另外，從整個(gè)應(yīng)力云圖中也可以看出，廂體整體顯藍(lán)色，較均勻，而且絕大部分應(yīng)力值在179 MPa以內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)符合要求，但底板厚度有待增加,接縫處連接質(zhì)量有待增強(qiáng)。

4 結(jié)論

對(duì)實(shí)際工況下壓縮垃圾載荷分布進(jìn)行基本假設(shè)，將其施加于車廂進(jìn)行詳盡的結(jié)構(gòu)有限元分析，獲得了車廂在以上工況下的變形與應(yīng)力分布，為壓縮垃圾車廂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了必要條件。結(jié)果表明，廂體底板與側(cè)板有可能由于長(zhǎng)期使用過早發(fā)生永久變形。因此適當(dāng)增加底板與側(cè)板的厚度，同時(shí)保證薄板接縫處的連接質(zhì)量非常重要。

[1] 丁繼斌.后裝壓縮式垃圾車機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與研究,2003(6):10-13.

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(責(zé)任編輯：李華云)

Finite Element Analysis of a Rear Loaded Compressing Garbage Carriage Based on ANSYS Workbench

ZHANG Hongjie1,ZHOU Mingchun2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering of CSI, Taicang Jiangsu 215411， China;2.Jiangsu Yueda Special Vehicle Co., Ltd., Yancheng Jiangsu 224007, China)

The rear loaded compressing garbage carriage is a spatial structure welded together by steel plate. Due to the uncertainty of mechanical property for garbage and the complexity of the structure itself and loading conditions, it is difficult to carry out the analysis of carriage. Through powerful finite element analysis software ANSYS Workbench to have the finite element analysis and calculation for this structure, the deformation and stress distribution of carriage is achieved in the actual working condition, which provides a important basis for the improvement and optimization of the rear loaded compressing garbage carriage.

the rear loaded compressing garbage carriage; finite element analysis; ANSYS Workbench; garbage loading

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201504009

2015-10-12

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015B188)

張宏杰 (1969-)， 男， 江蘇東臺(tái)人， 副教授， 碩士， 主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分析、控制工程。

TP391.7

A

1671-5322(2015)04-0037-05