本刊記者 紀(jì)鵬飛整理

作為有效的節(jié)能手段，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要研究課題之一。汽車輕量化是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的緊迫需要，更成為廂式車研發(fā)中比較關(guān)注的問題。廂式車輕量化不僅可以降低油耗，而且可以顯著提高車輛的載荷。研究表明，汽車質(zhì)量每減少1000kg，油耗可降低6%～7%。油耗的下降，意味著二氧化碳、氮氧化物等有害氣體排放量的下降，而且會減小動力和動力傳動系統(tǒng)的負(fù)荷，在較低的牽引負(fù)荷下表現(xiàn)出同樣或更好的性能。

在2018廂式車技術(shù)研討會上，漢陽專用汽車研究所（以下簡稱漢陽所）科研技術(shù)部工程師伍麗娜采用CAE仿真分析對廂式車結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料替換兩種途徑進(jìn)行了對比分析。分析顯示：兩種優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)需求，均未發(fā)生塑性變形。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，箱體減重204kg，減重24.6%；箱體采用鋁材后，箱體減重374kg，減重45%。

圖1

圖2

廂式運(yùn)輸車分類

我國封閉式廂車僅占貨運(yùn)車輛保有量的7%～8%左右，以至于“裸露”貨運(yùn)大行其道，運(yùn)輸途中貨物缺損、粉塵飛揚(yáng)、滴漏拋灑等危及貨物和路人安全、嚴(yán)重污染環(huán)境的現(xiàn)象時有發(fā)生。既有損于市容市貌，也與現(xiàn)代物流“優(yōu)質(zhì)、高效、快捷”的目標(biāo)格格不入。因此，除了新能源物流車可以在城區(qū)使用不受限制外，無論是城市配送還是干線物流，廂式車進(jìn)城都有一定的限制。

與國內(nèi)不同，廂式車在國外運(yùn)輸市場中非常常見，公路運(yùn)輸上占比也非常大。在美國的大部分馬路，無論是華盛頓的國會、政府部門門前，還是紐約的第五大道（時代廣場旁邊），都能看到廂式車與轎車同路行駛。

目前國內(nèi)外比較流行四種型式的廂式運(yùn)輸車，即翼開啟、側(cè)簾式、中置軸以及交換箱。

翼開啟廂式車在日本比較流行，這種廂式車主要特點(diǎn)是裝卸方便，節(jié)省人力，頂板高度可調(diào)，方便大件物品裝卸（見圖1、圖2）。

側(cè)簾式廂式車在歐美市場非常常見，大噸位廂式車基本都采用側(cè)簾式（見圖3、圖4）。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是自重輕，可大幅度提高運(yùn)載能力；簾布可以完全打開，使多點(diǎn)貨源間的運(yùn)送更加高效;此外，頂部簾布可以升降，適用于大件貨物運(yùn)輸；側(cè)簾車的簾布面積大，適合印刷各種圖案，對于運(yùn)輸商的品牌形象有極好的宣傳作用。在歐洲國家，側(cè)簾車上的廣告已經(jīng)成為了一道道流動的風(fēng)景線。同時平整的簾布，不易藏污納垢，且方便清洗。

GB 1589-2016落地后，中置軸車輛在國內(nèi)正式合法化。隨著去年伊始治超力度的不斷加大，業(yè)內(nèi)幾乎將關(guān)注度集中在中置軸車輛運(yùn)輸車上，有關(guān)中置軸貨車列車的相關(guān)報道少之又少。然而在國外，中置軸貨運(yùn)列車非常常見。包括德國施密茨、德國克勞耐等知名企業(yè)都有該系列產(chǎn)品。其大多采用中置軸＋側(cè)簾或者中置軸＋翼開啟結(jié)構(gòu)，相比于一般的廂式運(yùn)輸車，這種結(jié)構(gòu)型式可大大增加運(yùn)載能力，運(yùn)輸更加高效（見圖5、圖6）。

圖3

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一般長途城際高效物流運(yùn)輸應(yīng)用較多的是甩掛運(yùn)輸，而中短途的省際運(yùn)輸通常需要的就是短小靈活的甩箱運(yùn)輸。交換箱體不僅在歐洲早已普遍應(yīng)用，而且還是歐洲城市物流中使用率最高的一種運(yùn)輸方式。實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向，交換箱體在這方面具有獨(dú)特優(yōu)勢（見圖7、圖8）。交換箱，也稱作甩箱運(yùn)輸，貨物可以“先裝后卸”，交換時間大幅縮短，大大提高了運(yùn)輸效率。此外，廂體還可作為臨時倉庫，減輕了場地壓力。

綜合這幾款廂式車的運(yùn)輸特點(diǎn)，國外的廂式車更加注重輕量化、通用化以及高效運(yùn)輸?shù)确矫?，隨著物流運(yùn)輸市場對廂式車產(chǎn)品要求的不斷提高，現(xiàn)階段我國廂式車制造企業(yè)的開發(fā)設(shè)計(jì)水平不斷加強(qiáng)，并且在輕量化、平臺化和高效化方面不斷吸收國外廂式車制造企業(yè)先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)理念。

兩種類型優(yōu)化方案分析

在此次會議上，伍麗娜以市場上一款廂式車的箱體結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)原型建立三維模型，廂體結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中廂體骨架由型鋼焊接而成，材料為普通碳鋼。借助于CAE仿真技術(shù)，分析廂體在靜載、動載工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以減少開發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率。

圖10

建立三維模型后，利用HyperMesh軟件對廂體骨架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Abaqus進(jìn)行求解骨架剛度、強(qiáng)度，并進(jìn)行后處理，有限元網(wǎng)格模型如圖10所示。

根據(jù)實(shí)際靜載工況建立有限元模型，施加邊界條件與載荷，并且根據(jù)實(shí)際情況將副車架進(jìn)行固定。箱體部件之間鏈接方式為焊接，箱體材料采用普通碳鋼，分析利用大梁單元進(jìn)行模擬焊接。

分析結(jié)果顯示：車廂整體及部件應(yīng)力均未達(dá)到材料的屈服極限；整體變形最大處發(fā)生在車廂頂部框架位置，變形量為1.9mm，但屬于彈性變形階段，載荷撤銷即可恢復(fù)，通過分析證明所建立的箱體結(jié)構(gòu)模型存在很大優(yōu)化空間。

為了進(jìn)一步解決廂式車輕量化，伍麗娜提出了兩種優(yōu)化方案。方案一是在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小箱體骨架型材尺寸以及減少骨架型材數(shù)量，箱體材料仍為普通碳鋼；方案二是保持原結(jié)構(gòu)型式，將箱體材料由普通碳鋼更換為鋁合金，底部副車架材料仍為普通碳鋼。

為驗(yàn)證所提出的優(yōu)化方案在強(qiáng)度剛度方面是否滿足設(shè)計(jì)需求，將兩個優(yōu)化方案按照原分析思路進(jìn)行靜載分析，其分析結(jié)果表明：兩種優(yōu)化方案都滿足設(shè)計(jì)需求，應(yīng)力及變形都在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，對比結(jié)果見圖11。

圖11

從結(jié)果來看，兩種優(yōu)化方案箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度基本都滿足設(shè)計(jì)需求，變形量極小，均未發(fā)生塑性變形，滿足靜載工況。也就是說，優(yōu)化方案一通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化對箱體重量減重204kg后，車廂的性能不會受到影響（見圖12）。優(yōu)化方案二減重最多，用鋁材代替鋼材后對箱體重量減重374kg后，車廂的性能也不會受到影響（見圖13）。

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度是否合理，針對優(yōu)化方案二，在動載工況下對模型進(jìn)行分析。

動載分析從模態(tài)和碰撞兩個方面進(jìn)行。首先是模態(tài)分析，預(yù)測箱體與其它部件如路面、發(fā)動機(jī)等之間的動態(tài)干擾的可能性。提取模態(tài)分析中的前6階模態(tài)值，發(fā)動機(jī)怠速時的振動頻率為26.67HZ，經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)箱體前6階段固有頻率避開了激勵頻率及其倍頻，因此優(yōu)化后箱體與整車不會發(fā)生共振；對優(yōu)化后箱體進(jìn)行碰撞分析，通過模擬車輛在急剎車時貨物對箱體產(chǎn)生的碰撞，分析結(jié)果顯示優(yōu)化后箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足要求，證明在箱體采用全鋁結(jié)構(gòu)，比全鋼結(jié)構(gòu)箱體整體減重45%情況下，整個結(jié)構(gòu)仍然滿足各種模擬工況要求。

圖12

圖13

在輕量化設(shè)計(jì)過程中，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)近些年備受青睞，伍麗娜此次以廂式車作為具體案例介紹拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

據(jù)伍麗娜介紹，拓?fù)鋬?yōu)化是指在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布，或最佳傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計(jì)方法。拓?fù)鋬?yōu)化中最常用的材料插值模型方法為密度法（SIM P），即將有限元模型設(shè)計(jì)空間的每個單元的“單元密度（Density）”作為設(shè)計(jì)變量。該“單元密度”同結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)有關(guān)（單元密度與材料彈性模量E之間具有某種函數(shù)關(guān)系)，0～1之間連續(xù)取值，優(yōu)化求解后單元密度為1(或靠近1)表示該單元位置處的材料很重要，需要保留；單元密度為0（或靠近0）表示該單元處的材料不重要，可以去除，從而達(dá)到材料的高效率利用，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化方法采用變密度算法，其核心是在設(shè)計(jì)空間將材料重新分布，找到最佳的力學(xué)傳遞路徑，以達(dá)到減重及改善力學(xué)性能的目的。在整個車廂結(jié)構(gòu)中，由于對副車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，目前一般采用的是碳鋼材料，其在車廂總重中占比較高，因此，選擇副車架為拓?fù)鋬?yōu)化對象。定義優(yōu)化三要素即：變量、約束及目標(biāo)，變量為材料的分布密度，將設(shè)定安全系數(shù)為1.3，安全范圍內(nèi)所允許的最大應(yīng)力為180Mpa，優(yōu)化的目標(biāo)是體積最小化。

圖14

圖15

圖14 藍(lán)色區(qū)域?yàn)閮?yōu)化結(jié)果建議去除的部分，并且對部分區(qū)域進(jìn)行了鏤空設(shè)計(jì)。然后通過對拓?fù)鋬?yōu)化后的副車架重新進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果：最大等效應(yīng)力為111Mpa，未超過材料安全系數(shù)范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力180Mpa，拓?fù)鋬?yōu)化后的副車架質(zhì)量減輕8.6%。其強(qiáng)度及剛度也都滿足要求，證明拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)合理（見圖15）。