王蘭花 狄超群 劉 琪

（1.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，蓬萊市 265600；2.山東蓬翔汽車有限公司，蓬萊 265600；3.臨沂市科學(xué)技術(shù)合作與應(yīng)用研究院，臨沂 276000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，促使貨物運(yùn)輸量持續(xù)增長(zhǎng)，在公路交通運(yùn)輸車輛中，自卸車所占的比例越來(lái)越大。由于自卸車車廂自身重量較大，對(duì)自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性造成較大影響，因此在保證自卸車車廂強(qiáng)度與剛度不變的情況下，減少自卸車車廂重量，從而提升自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性成為了近些年自卸車研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在具體研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅對(duì)自卸車車廂輕量化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，也要對(duì)自卸車整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，從而結(jié)合車廂主板結(jié)構(gòu)、整體布局等方面，不斷優(yōu)化自卸車車廂結(jié)構(gòu)。

1 自卸車車廂有限元建模

本文以某款自卸車車廂為例進(jìn)行分析，該自卸車車廂主要由車廂后欄板總成、車廂前欄板總成、右側(cè)邊板總成、左側(cè)邊板總成與底板總成5個(gè)部件組成，原車身材料均為結(jié)構(gòu)鋼Q235、Q345和B510L。同時(shí)該車廂屬于左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，為確保提升計(jì)算效率，僅選取自卸車車廂左側(cè)模型即可。將自卸車車廂左側(cè)劃分為網(wǎng)格形式，單元總數(shù)為626646個(gè)；在所有單元中，三角形單元數(shù)量需要為2184，使其能夠充分滿足有限元模型精度要求[1]。

2 自卸車的車廂輕量化設(shè)計(jì)

2.1 自卸車車廂靜態(tài)工作輕量化設(shè)計(jì)

該自卸車車廂在靜態(tài)工況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題數(shù)學(xué)描述如式（1）、式（2）所示。

式中，f（x1，x2，…，xn）為車廂的目標(biāo)函數(shù)；x1，x2，…，xn為車廂的設(shè)計(jì)變量；g.j（x1，x2，…，xn）為m車廂的約束條件。本文對(duì)自卸車車廂進(jìn)行的研究，主要選取車廂總成45個(gè)核心部件，不斷優(yōu)化自卸車車廂的輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)所設(shè)計(jì)的車廂強(qiáng)度的安全系數(shù)不低于1.2；前后板總成的變形量不高于10mm；底板總成的變形量不高于15mm；側(cè)板總成與底板總成的變形量不得高于30mm；板材的厚度不低于0.7mm，不高于25mm。結(jié)合可以選擇的材料，該車廂改的主體結(jié)構(gòu)材料選取QSTE700，其抗拉強(qiáng)度為970.8MPa，屈服強(qiáng)度為745MPa，延伸率為0.144。所以要想在保證不改變車廂零件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)重量減輕設(shè)計(jì)，不僅要分析自卸車在運(yùn)行過(guò)程中的工況，也要對(duì)自卸車剎車工況進(jìn)行充分的考慮，確保自卸車安全[2]。

2.2 自卸車車廂動(dòng)態(tài)情況下輕量化設(shè)計(jì)

雖然通過(guò)不斷優(yōu)化車廂靜態(tài)工況尺寸，能夠得到相應(yīng)的車廂板厚，但是無(wú)法滿足沖擊工況要求，因?yàn)椴粌H需要優(yōu)化設(shè)計(jì)車廂靜態(tài)工況，也需要對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊工況結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文主要通過(guò)運(yùn)用近似建模技術(shù)，對(duì)自卸車進(jìn)行有限元建模，并利用NLPQL梯度優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，對(duì)車廂動(dòng)態(tài)工況結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)利用Visual DOC計(jì)算軟件，對(duì)整個(gè)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行演算，在確保計(jì)算精度的前提下，建立相對(duì)復(fù)雜的仿真模型，并減少仿真模型分析次數(shù)，大幅度提高優(yōu)化效率[3]。

選用Kriging近似模型建立模型時(shí)，必須選取設(shè)計(jì)空間中樣本點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)，車廂設(shè)計(jì)變量X1、X2、X3分別為沖擊工況中車廂的底板厚度、內(nèi)縱梁厚度與內(nèi)橫梁厚度，利用最優(yōu)拉丁超立方法，選擇10個(gè)驗(yàn)證樣本點(diǎn)與30個(gè)建模樣本點(diǎn)，建立Kriging近似模型。通海還需要建立以車廂內(nèi)橫梁、內(nèi)縱梁與底板厚度為變量，以沖擊最大變形沖擊、最大應(yīng)力與模型質(zhì)量為函數(shù)的Kriging近似模型，進(jìn)行試驗(yàn)，確保3種近似模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證之后，均方根誤差分別為：0.13639，0.04124，0.04412，得知模型設(shè)計(jì)能夠充分滿足精度要求[4]。

最后，利用NLPQL對(duì)具有約束非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行解決，發(fā)揮NLPQL穩(wěn)定、收斂與易于得到全局最優(yōu)解等優(yōu)點(diǎn)。NLPQL中序列二次規(guī)劃法（SQP）屬于極其核心的一種計(jì)算方法，通過(guò)使用SQP計(jì)算方式，能夠?qū)⒛繕?biāo)函數(shù)以“二階泰勒級(jí)數(shù)”的方式展開(kāi)，不僅能夠轉(zhuǎn)變車廂設(shè)計(jì)約束條件，使其變?yōu)楦雍?jiǎn)單的線性化問(wèn)題，也能夠?qū)⒎蔷€性問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槎我?guī)劃問(wèn)題，確保求戒指最優(yōu)化。

2.3 評(píng)估輕量化設(shè)計(jì)自卸車的車廂強(qiáng)度與剛度

對(duì)自卸車車廂靜態(tài)與動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行充分評(píng)估，才能確保優(yōu)化車廂輕量化設(shè)計(jì)方案的可行性，而且通過(guò)選擇車廂荷載條件較差的工況，可以驗(yàn)證優(yōu)化方案荷載極限。車廂靜態(tài)工況最大變形量邊板為26.78mm，最大應(yīng)力為653.0MPa，底板為11.63mm，車廂的設(shè)計(jì)滿足性能要求。車廂動(dòng)態(tài)工況最大的變形為5.1mm，最大的應(yīng)力為744.64MPa，能夠確保車廂在沖擊工況中滿足性能要求。優(yōu)化后的將車廂整體質(zhì)量由2728kg減至2081kg，減重效果為23.72%。

3 結(jié)語(yǔ)

由于自卸車車廂自重過(guò)大，需要對(duì)之進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低其重量，確從而提高其燃油經(jīng)濟(jì)性。本文通過(guò)對(duì)某自卸車車廂進(jìn)行研究與分析，在不改變自卸車車廂原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將車廂部件的材料、板厚作為自卸車車廂優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方向，從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面，，進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了自卸車車廂減重的目標(biāo)，在保證車廂強(qiáng)度與剛度的基礎(chǔ)上，自卸車車廂減重效果達(dá)到23.72%。