鄒震 鄭文標

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 福建龍巖 364000

1 前言

隨著城市化建設的不斷加快和全球資源的日益緊張，對后裝壓縮式垃圾車的輕量化設計提出了更高的設計要求[1]。

輕量化設計是指在滿足結構性能的前提下，盡可能地減輕質量，從而減少制作材料，降低生產(chǎn)成本。后裝壓縮式垃圾車集垃圾上料、壓縮、轉運、自卸為一體，刮板工作頻繁、受力集中且結構笨重，其動、靜態(tài)性能的好壞直接影響到整車的壓裝性能，如何在確保刮板具有良好的動、靜態(tài)性能的基礎上進行輕量化設計是設計人員面臨的主要技術難題之一[2]。

本文以輕量化設計為目標，利用ANSYS Workbench軟件對刮板進行動、靜態(tài)分析和關鍵設計尺寸的靈敏度分析，在保證強度的前提下，對刮板性能影響較大的尺寸進行優(yōu)化取值，篩選出最優(yōu)方案，能夠最大限度地減輕刮板質量，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，基于此方法，可復制推廣到后裝壓縮式垃圾車的其他零部件，具有重要的指導意義。

2 建立刮板有限元模型

2.1 刮板工作原理簡介

壓縮機構總成如圖1所示，在孔1處，刮板通過銷軸與油缸相連，在孔2處通過銷軸與滑板相連；當壓縮垃圾時，油缸伸出，推動刮板繞孔2旋轉，實現(xiàn)刮板壓下的動作，刮板壓下到位后，滑板上行，將垃圾壓入箱體；經(jīng)多次循環(huán)后，將垃圾壓實壓滿。

圖1 壓縮機構總成圖

2.2 刮板的建模與網(wǎng)格劃分

利用Inventor軟件對刮板進行參數(shù)化建模，Inventor軟件與ANSYS Workbench可很好地實現(xiàn)無縫連接，這為刮板有限元模型的建立和修改提供了很好的基礎。由于刮板內(nèi)部結構較復雜，且含有許多細小的螺栓孔、倒角、圓角，如果不對模型做適當簡化，網(wǎng)格劃分時容易生成畸變網(wǎng)格，畸變網(wǎng)格極有可能會導致計算結果出現(xiàn)虛假的局部應力集中，同時也增加了不必要的計算工作量和復雜度，為此有必要對刮板做如下處理：

a. 去除小的倒角、圓角；

b. 忽略對結構無影響的小螺栓孔[3]。

簡化后，將其導入ANSYS Workbench中，泊松比設置為0.3，彈性模型設置為210 GPa，選擇四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小為10 mm，設置好相關物理參數(shù)后，即可對刮板進行網(wǎng)格劃分，最終得到模型的節(jié)點數(shù)為110 001,單元數(shù)為56 066，刮板的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

2.3 刮板載荷計算

圖2 刮板有限元網(wǎng)格模型

刮板在作業(yè)過程中，主要受到垃圾的壓力、刮板與面板間的摩擦力、油缸的推力F1、刮板與滑板的鉸點力F2，為便于加載，本文用等效力F代替垃圾對刮板的壓力和刮板與面板之間的摩擦力[4]。當刮板壓下，滑板上行到位時，刮板處于極限工況，此時，刮板的位置和受力如圖3所示，其中：α=29°， α1=51°，L=435 mm，L12=221 mm。對鉸點O2，由力矩平衡和力平衡可列如下方程：

把相關參數(shù)帶入式(1)～(3)，計算可得：F1=70 817 N，F(xiàn)2X= 66 194 N，F(xiàn)2y=63 425 N。

圖3 刮板受力分析示意圖

3 刮板靜力學分析

在刮板的孔2處限制其3個平動自由度和2個旋轉自由度，以此來模擬實際約束[5]。由于本文主要考慮輕量化后對強度、剛度、模態(tài)頻率的影響，因此在ANSYS靜力學分析中選擇位移和應力進行求解，刮板的位移、應力云圖如圖4、5所示。

分析可知，在極限工況下，刮板的最大變形為1.055 mm，位于刮板的底端位置；最大應力為172.6 MPa，小于Q235A材料的屈極限235 MPa，剛度和強度均滿足設計要求。

4 刮板的模態(tài)分析

圖4 刮板位移云圖

圖5 刮板應力云圖

模態(tài)分析是確定機械零部件薄弱環(huán)節(jié)和故障診斷的重要手段[6]，由于低階頻率對結構的影響較大，所以本文只取刮板的前3階模態(tài)頻率和振型進行分析，刮板的前3階模態(tài)頻率和振型如圖6(a)～(c)所示。

通過模態(tài)分析可知，刮板的前2階模態(tài)頻率均高于100 Hz，振型均為單一的擺動和扭動，但在第3階的時候，刮板的左右兩端出現(xiàn)擺動和扭動的復合振型，說明刮板的左右兩端是相對薄弱的部位，可通過改變筋板的結構和尺寸來提高刮板動態(tài)性能。

5 刮板的輕量化設計

刮板輕量化設計的主要目標是保證強度、剛度、動態(tài)性能良好的前提下，盡可能地使質量減輕；而靈敏度分析可準確地判定關鍵設計尺寸對目標函數(shù)（質量、應力、變形、模態(tài)頻率）的影響[7]，從而對影響較大的尺寸進行優(yōu)化取值，選取最優(yōu)方案。

5.1 關鍵尺寸參數(shù)的靈敏度分析

刮板的內(nèi)部布有2根橫向筋板，外側布有4根縱向筋板，根據(jù)動、靜態(tài)分析結果和刮板的結構特點，可對刮板的壁厚和筋板厚度進行尺寸優(yōu)化[8]，關鍵設計尺寸如圖7所示，初始值和優(yōu)化區(qū)間如表1所示。其中，P1為上面板的壁厚，P2為縱向加強筋的厚度，P3為支座的壁厚，P4為下面板的壁厚。

圖6 刮板前3階模態(tài)振型

圖7 刮板關鍵設計尺寸

設置好刮板關鍵尺寸的初值和優(yōu)化區(qū)間后，在ANSYS Workbench中進行靈敏度分析，判定它們對質量、應力和模態(tài)頻率的影響程度[9]，分析結果如圖8(a)～(c)所示。

從靈敏度分析結果可知，上面板的壁厚P1與下面板的壁厚P4對質量、應力以及模態(tài)頻率均有較大的影響，在輕量化設計時應重點優(yōu)化，P2對質量、應力以及模態(tài)頻率的影響較小，在輕量化設計時，也可作為優(yōu)化對象，支座的壁厚P3對質量影響最小，但對應力和模態(tài)頻率有一定的影響，因此保留這個優(yōu)化尺寸。

表1 設計尺寸的初值與優(yōu)化區(qū)間

圖8 關鍵尺寸靈敏度分析圖

5.2 刮板輕量設計及結果分析

由于優(yōu)化的主要目標是對刮板進行減重，同時保證刮板的強度、剛度以及動態(tài)性能，因此在ANSYS Workbench中需對目標函數(shù)設置相應的優(yōu)先級，將刮板的質量設置為“High”，應力設置為“Default”，模態(tài)頻率設置為“Lower”，經(jīng)過相應的迭代計算，基于優(yōu)先級的高低刷選出一組以輕量化為主要目標的最優(yōu)解[10]，并進行圓整，如表2所示。

根據(jù)輕量化設計后的尺寸結果對刮板進行重新建模，并在相同的極限工況下對刮板進行靜力學和模態(tài)分析，刮板輕量化后的應力云圖和1階振型如圖9、10所示。刮板優(yōu)化前后的結果比較如表3所示。

表2 設計尺寸優(yōu)化前后比較

圖9 優(yōu)化后刮板應力云圖

圖10 優(yōu)化后刮板1階振型（107.48 HZ）

表3 刮板優(yōu)化前后對比

由刮板優(yōu)化前后對比表可知，刮板的質量減輕了17 kg（9.5%），應力減小了3.6%，最大變形減小了2.7%，總體來說，刮板輕量化設計后，除了第三階模態(tài)頻率有一定降低，刮板的強度、剛度、以及前2階模態(tài)頻率均有不同程度的提高，實現(xiàn)了輕量化設計的目標。

刮板輕量化后，每臺車降低成本約17 kg×6.3元/kg=107.1元，按年產(chǎn)量1 000臺計算，企業(yè)每年可降低生產(chǎn)成本約10.7 萬元。

6 結語

a. 由于垃圾成分的不同，其力學性質難以確定，目前尚未找到關于壓縮式垃圾車結構載荷的系統(tǒng)資料；本文采用等效力的方法，很好地處理了刮板所受的外界載荷，保證了有限元分析的準確性；

b. 通過對刮板的靜力學、模態(tài)以及靈敏度分析，找出了刮板的薄弱環(huán)節(jié)和可優(yōu)化空間，為輕量化設計提供了依據(jù)；

c. 利用高效實用的結構優(yōu)化方法對刮板進行輕量化設計，減重達17 kg（9.5%），其強度、剛度、以及前2階模態(tài)頻率均有不同程度的提高。基于此方法，企業(yè)每年可降低生產(chǎn)成本約10.7萬元，并可推廣到壓縮式垃圾車的其他零部件，為整車的優(yōu)化提供指導。