王懷謙，焦學(xué)健，劉建磊，李一鳴，苗艷冰

（255049 山東省 淄博市 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院）

0 引言

在物流運(yùn)輸行業(yè)中，廂式運(yùn)輸車具有運(yùn)輸貨物安全性好、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的崛起，物流行業(yè)近些年一直保持了快速增長(zhǎng)，現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)具備了發(fā)展廂式運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境條件，具有良好運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)的廂式貨車在行業(yè)內(nèi)的需求量逐漸增大[2]。傳統(tǒng)廂式運(yùn)輸車貨箱多采用鋼材制成，導(dǎo)致貨箱質(zhì)量占整車質(zhì)量的比重較大，增大了油耗和排放，降低了貨物運(yùn)輸效率，因此研發(fā)質(zhì)量較輕且能滿足運(yùn)輸要求的新型材質(zhì)貨箱具有重要意義[3]。

鋁合金作為性能優(yōu)秀的輕量化材料常被用來(lái)替換汽車中原有的鋼制部件[4]。有研究顯示，在不降低零部件性能的前提下，采用鋁合金材料加工而成的零件可以實(shí)現(xiàn)30%以上的減重[5]。本文研究的廂式貨箱除門鎖及少部分零件之外其余結(jié)構(gòu)都采用鋁合金材質(zhì)，為驗(yàn)證其性能是否滿足要求，參照某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用HyperMesh 軟件對(duì)該貨箱進(jìn)行有限元分析，校核貨箱底板和箱板的強(qiáng)度、剛度，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的不合理之處并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

1 貨箱結(jié)構(gòu)及有限元模型的建立

1.1 貨箱結(jié)構(gòu)形式

該廂式貨箱主要由前圍、側(cè)圍、門板、框架、底板總成等幾部分組成，其整體幾何尺寸長(zhǎng)×寬×高為4 200 mm×2 300 mm×2 300 mm。貨箱的立柱、底板等大量等截面零部件都采用鋁合金擠壓成型工藝加工而成，各零部件間通過(guò)焊接、鉚接、螺栓連接和鉸接4 種連接關(guān)系裝配到一起，貨箱的三維模型如圖1 所示。箱板作為占貨箱整體質(zhì)量比重最大的部件其結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到貨箱的性能優(yōu)劣[6]，該貨箱的箱板由多塊鋁合金型材板拼接而成，其截面形狀和拼接方式如圖2 所示。

圖1 貨箱三維模型Fig.1 3D model of container

圖2 箱板截面形狀及拼接方式Fig.2 Section shape and splicing mode of box plate

1.2 有限元模型的建立

將貨箱三維模型導(dǎo)入HyperMesh 軟件中，刪除雨檐、擋泥板連接架等對(duì)貨箱性能影響較小的零部件。為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，保證分析的可行性，刪除尺寸小于3 mm 的翻邊、倒角、圓孔等幾何特征[7]。抽取薄板零件的中面，并用殼單元進(jìn)行離散，單元類型包括Quad4 和Tria3 兩種。為保證求解精度，其中Tria3 單元不超過(guò)總數(shù)的5%。對(duì)于無(wú)法抽取中面的零部件，采用實(shí)體單元進(jìn)行離散。各零件間的焊接、螺栓連接和鉚接部位統(tǒng)一用RBE2 單元進(jìn)行剛性連接，用beam 單元作為旋轉(zhuǎn)軸，放開(kāi)其轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度來(lái)模擬鉸接。建立的貨箱有限元模型總共包含5 100 450 個(gè)單元。

該貨箱除門鎖、加強(qiáng)墊板等少部分零件使用Q345 材料外，其余零部件均使用鋁合金材料，所涉及到的鋁合金材料牌號(hào)包括5083-O、6061-T6、6082-T6，材料的各項(xiàng)性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料各項(xiàng)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of material

在貨箱的實(shí)際使用中，一般通過(guò)U 型螺栓連接貨箱縱梁與車架縱梁，為了模擬貨箱實(shí)際的工作環(huán)境，添加2 根縱梁與貨箱縱梁裝配至一起，因?yàn)樾略隹v梁設(shè)置遠(yuǎn)大于貨箱縱梁的彈性模量，故忽略工作過(guò)程中車架縱梁變形對(duì)貨箱的影響。在U 型螺栓連接的部位設(shè)置接觸類型為Tie 的綁定接觸，其余部位設(shè)置摩擦系數(shù)為0.6 的摩擦接觸，最終建立的有限元模型如圖3 所示。

圖3 貨箱有限元模型Fig.3 Finite element model of container

2 貨箱性能分析

2.1 約束和載荷的施加

企業(yè)提供的貨箱性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)中提出了各工況下貨箱側(cè)圍和底板所需承受的載荷大小，并以變形情況和最大應(yīng)力作為貨箱是否滿足要求的評(píng)判依據(jù)，具體內(nèi)容如表2 所示。表中涉及的X、Y、Z代表全局坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的方向，載荷為負(fù)值表示施加的載荷方向?yàn)閷?duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的反向。

表2 貨箱各工況性能要求Tab.2 Performance requirements of container under various working conditions

在實(shí)際工作中，車架的剛度遠(yuǎn)大于貨箱剛度，忽略車架變形對(duì)分析結(jié)果的影響，在有限元模型中新增了兩根遠(yuǎn)大于貨箱剛度的縱梁，在這兩根新增縱梁的前后端各取一段節(jié)點(diǎn)，約束其X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

2.2 結(jié)果分析

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定載荷以均布載荷的方式施加至底板上表面各節(jié)點(diǎn)及箱板內(nèi)側(cè)面各節(jié)點(diǎn)[8]，在OptiStruct 求解器中提交計(jì)算，得到底板、箱板在各工況下的變形云圖如圖4 所示。將計(jì)算結(jié)果與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行對(duì)比可知，貨箱底板在垂向沖擊工況的變形量為3.68 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；貨箱右側(cè)圍、左側(cè)圍、前圍和后門在不同工況下的變形量分別為44.36，63.19，98.45，31.51 mm。箱板和門板的變形皆大于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，存在剛度不足的現(xiàn)象。

圖4 貨箱底板和箱板各工況變形云圖Fig.4 Deformation cloud diagram of container bottom plate and panel

底板總成和箱板在各工況下的應(yīng)力分布云圖如圖5 所示。底板總成在垂向沖擊工況時(shí)最大應(yīng)力為319.8 MPa，底板總成所用鋁合金牌號(hào)為6061-T6，其屈服極限為240 MPa，垂向沖擊工況最大應(yīng)力超出材料屈服極限，底板將發(fā)生失效。貨箱右側(cè)圍、左側(cè)圍、前圍和后門在其余各工況下的最大應(yīng)力分別為198.7，152.8，327.1，442.2 MPa,箱板總成所用鋁合金牌號(hào)同為6061-T6，可知在緊急制動(dòng)工況和急加速工況時(shí)前圍箱板和后門將發(fā)生失效，其強(qiáng)度不符合要求。

圖5 貨箱底板和箱板各工況應(yīng)力分布云圖Fig.5 Stress cloud diagram of container bottom and plate

3 貨箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 底板總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)觀察沖擊工況時(shí)底板總成的應(yīng)力分布狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在地板型材最前端和最后端的立筋處，并位于最前側(cè)和最后側(cè)橫梁的正上方，地板型材其余部位以及橫縱梁等零部件上應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料屈服極限。地板型材前端和橫梁、縱梁的裝配關(guān)系如圖6（a）所示，應(yīng)力集中的出現(xiàn)主要是由于地板前端在橫梁之外懸伸距離較長(zhǎng)，地板與橫梁接觸部位承受彎矩太大而造成。

底板總成結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法如下：保持地板型材截面形狀不變并將最前端橫梁位置前移；考慮到地板型材的截面厚度較小且與橫梁的焊接部位容易因?yàn)閺?qiáng)度不足而失效，所以將最前側(cè)橫梁設(shè)計(jì)成如圖6（b）所示結(jié)構(gòu)形式，將地板型材懸伸出的部位插入新式橫梁的卡槽中來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。底板總成最后側(cè)橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法與前側(cè)基本一致，不贅述。

圖6 地板與橫梁裝配關(guān)系Fig.6 Assembly relationship between floor and beam

底板總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，垂向沖擊工況下的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖7 所示，其最大變形量2.787 mm，最大應(yīng)力125.3 MPa?？梢钥闯?，應(yīng)力分布趨于均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后底板總成的剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后底板總成變形及應(yīng)力分布云圖Fig.7 Deformation and stress cloud diagram of floor after optimization

3.2 底板總成尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)貨箱底板總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，其應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，最大變形量和最大應(yīng)力值完全滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并留有較大的余量，具備進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的條件[9]。在OptiStruct 軟件中，以底板總成各零件的厚度作為設(shè)計(jì)變量，以底板總成在垂向沖擊工況下的最大變形量不超過(guò)5 mm 和最大應(yīng)力值不超過(guò)240 MPa 作為約束條件，以貨箱質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)底板總成進(jìn)行尺寸優(yōu)化[10]。經(jīng)過(guò)4次迭代計(jì)算，并根據(jù)工程需要對(duì)優(yōu)化后的尺寸進(jìn)行取整，得到各零件的最終厚度值如表3 所示。

表3 尺寸優(yōu)化前后各零件厚度變化Tab.3 Thickness changes of each part before and after size optimization

經(jīng)過(guò)一輪尺寸優(yōu)化，貨箱底板總成9 種零件的厚度均得到了不同程度的減小，底板總成的質(zhì)量也由原有的120 kg 減少為82 kg，質(zhì)量減輕31.7%，材料冗余現(xiàn)象得到改善。

3.3 貨箱側(cè)圍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)分析各側(cè)向工況的仿真結(jié)果可知，貨箱前圍、側(cè)圍和后門板存在剛度不足的情況；前圍箱板和后門板存在強(qiáng)度不足的情況。

為提高箱板的剛度和強(qiáng)度，在左側(cè)圍箱板內(nèi)側(cè)和前圍箱板內(nèi)側(cè)沿豎直方向均勻布置截面尺寸為100 mm×50 mm×2 mm 的U 型加強(qiáng)梁，其中左側(cè)圍布置數(shù)量為3 根，前圍布置數(shù)量為2 根。在后門變形較大的中間部位橫向布置一根截面尺寸為100 mm×25 mm×2 mm 的U 型加強(qiáng)梁；為了消除后門的應(yīng)力集中問(wèn)題，在中間鉸鏈與門板的連接部位以及門鎖鋼管與門板的耦合部位各增加一塊邊長(zhǎng)為150 mm×100 mm 厚度為5 mm 的矩形鋁合金加強(qiáng)板；在側(cè)門左右立柱附近及兩側(cè)門鉸鏈內(nèi)側(cè)各增加一根U 型加強(qiáng)梁，截面尺寸與前圍和左側(cè)圍增設(shè)的加強(qiáng)梁相同，增加的加強(qiáng)梁和加強(qiáng)板所使用的鋁合金牌號(hào)都為6061-T6。

4 優(yōu)化方案分析驗(yàn)證

根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果重新調(diào)整底板總成各零件的厚度，并在側(cè)圍及門板指定位置增設(shè)加強(qiáng)梁和加強(qiáng)板，對(duì)貨箱重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，驗(yàn)證貨箱性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

貨箱底板總成和箱板在各工況下的變形云圖如圖8 所示。貨箱底板總成在垂向沖擊工況的變形量為4.178 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。貨箱右側(cè)圍、左側(cè)圍、前圍和后門在不同工況下的變形量分別為23.73，27.67，33.93，24.53 mm，箱板和門板的變形皆滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 優(yōu)化后底板總成和箱板各工況變形云圖Fig.8 Deformation cloud diagram of optimized bottom and plate

優(yōu)化設(shè)計(jì)后貨箱底板和箱板在各工況下的應(yīng)力分布云圖如圖9 所示。貨箱底板在垂向沖擊工況時(shí)最大應(yīng)力為201.5 MPa，小于材料屈服極限值240 MPa，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。貨箱右側(cè)圍、左側(cè)圍、前圍和后門在其余各工況下的最大應(yīng)力分別為181.6，114.2，175.9，218.2 MPa，均小于材料屈服極限，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 優(yōu)化后底板總成和箱板各工況應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of optimized bottom and plate

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某鋁合金廂式貨箱作為研究對(duì)象，以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為參考依據(jù)，利用HyperMesh 對(duì)貨箱進(jìn)行多工況有限元分析，發(fā)現(xiàn)了貨箱結(jié)構(gòu)不合理之處，對(duì)貨箱底板總成和箱板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除了底板總成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并使貨箱底板總成質(zhì)量減輕31.7%，增大了箱板剛度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了一定提升，貨箱各項(xiàng)性能均可滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。