張智峰Zhang Zhifeng

某物流車地板支架結構的設計與優(yōu)化

張智峰
Zhang Zhifeng

（江西昌河汽車有限責任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

以某款物流車地板支架作為研究對象，采用有限元分析方法對車輛滿載狀態(tài)下地板支架在不同工況下的受力進行分析，提出優(yōu)化方案，使地板支架滿足設計要求。

地板支架；結構優(yōu)化；有限元分析

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速增長和人民生活水平的日益提高，電商經(jīng)濟得到繁榮發(fā)展，網(wǎng)購成為生活中常用消費方式，隨之物流運輸量持續(xù)增長，物流車輛在貨物配送中發(fā)揮著重要作用。為快速響應市場物流行業(yè)對物流車輛的需求，以某款乘用車為基礎車型，快速開發(fā)一款小型物流車。

為配合此款乘用車改裝為物流車，重新設計開發(fā)地板支架，通過有限元分析與優(yōu)化方法，使產(chǎn)品結構滿足性能要求。

1 設計要求

目標物流車是通過乘用車改裝實現(xiàn)，在原有乘用車上拆除后排座椅，后排不平整地板面上增加一個地板支架，然后鋪設一塊平整地板，并在前后排之間增加一個隔板。此種改裝方式開發(fā)周期短，能夠快速響應市場需求，同時最大程度地實現(xiàn)零部件通用化。新設計的地板支架須滿足各種工況下的設計要求，并盡可能少地增加整車整備質(zhì)量，賦予改裝后車輛更大載貨能力。

物流車地板及地板支架用于承載各種貨物重量，是主要的受力部件。地板直接與貨物接觸，并將貨物重量均勻地傳遞給地板支架和車身[1]。在運輸過程中，地板支架不僅承受貨物的重量載荷，還承受車輛運行過程受到的各種沖擊載荷[2]，是確保車輛行駛安全和運輸物品安全的重要部件。因此，要求地板支架結構在車輛滿載狀態(tài)的不同工況下，最大應力值均在材料許用應力范圍內(nèi)，且變形量控制在2 mm以內(nèi)。

2 模型創(chuàng)建

2.1 模型描述

基礎車型的地板支架由2根橫梁、7根縱梁和下方6根豎梁焊接而成，各梁為槽型截面，如圖1所示。所建模型的其他部件包括白車身、橋、輪胎、懸架等。地板支架厚度尺寸遠小于高度和寬度尺寸，運用前處理軟件采用殼單元對地板支架建模，網(wǎng)格尺寸為5～10 mm。點焊選用梁單元模擬，焊點類型為MAT100。螺栓和燒焊連接采用RBE2單元模擬，如圖2所示。

圖1 地板支架模型

圖2 有限元模型

2.2 材料屬性

地板支架材料選用Q345，厚度為1.5 mm，槽型結構截面。所用材料是低合金結構鋼，綜合性能良好，塑性和焊接性良好，廣泛應用于各種金屬結構中。材料屈服強度為345 MPa，安全系數(shù)取值1.5，則材料許用應力為230 MPa。所用材料各參數(shù)值見表1。

表1 材料參數(shù)表

2.3 加載描述與邊界條件

車輛滿載狀態(tài)質(zhì)量為1 480 kg，其中載貨質(zhì)量390 kg，滿載狀態(tài)下地板支架所受載荷主要包括貨物質(zhì)量和不同工況下的沖擊載荷。載貨質(zhì)量以質(zhì)量點代替，使用RBE3連接至地板上[3]，質(zhì)量點由貨箱結構和整車質(zhì)心位置確定，沖擊載荷加載采用重力加速度形式。主要有4種加載工況，見表2。

表2 地板支架的加載工況

注：為重力加速度；a、a、a分別為、、3個方向上的加載加速度值。

分別在車輪中心點位置對車輪進行約束設置，約束左前輪、向平動自由度，右前輪向平動自由度，左后輪、、向平動自由度，右后輪、向平動自由度，如圖3所示。

注：SPC（Single Point Constraint，單點約束，指定自由度約束）。

3 CAE分析及優(yōu)化

3.1 CAE仿真結果

滿載狀態(tài)下對地板支架進行靜態(tài)分析，上跳、下跳、加速、轉(zhuǎn)彎4種工況下有限元分析的應力云圖如圖4～7所示。

工況1中地板支架的最大應力值為578 MPa，應力集中在中間第4縱梁上，如圖4所示，第1橫梁和第4、第5、第6縱梁上的最大應力值均超過材料的屈服極限。地板支架的最大變形量為2.460 mm，位于地板支架第4縱梁上，變形量從中間到周邊階梯性減小。

圖4 工況1（上跳工況）的應力云圖

圖5 工況2（下跳工況）的應力云圖

圖6 工況3（加速工況）的應力云圖

圖7 工況4（轉(zhuǎn)向工況）的應力云圖

工況2中地板支架的最大應力值為665 MPa，應力集中在中間第4縱梁上，如圖5所示，應力值已超過材料屈服極限。第4縱梁處的最大變形量為3.954 mm。縱梁和橫梁的應力均大于材料屈服極限。

工況3中地板支架最大應力值為310 MPa，應力集中在第4縱梁上，如圖6所示，最大應力值小于材料屈服極限，但超過材料許用應力（230 MPa）。第4縱梁上的最大變形量為1.236 mm。

工況4中車輛轉(zhuǎn)彎，縱梁承受較大貨物慣性載荷，地板支架最大應力值為258 MPa，位于第6縱梁上，如圖7所示，最大應力值小于材料屈服極限，但超過材料許用應力。第6縱梁上的最大變形量為0.812 mm。

綜上分析，在工況1和工況2中地板支架的應力值和變形量均較大，其中最大應力值均超過材料屈服強度。在工況3和工況4中，地板支架的應力值均小于材料屈服強度，但最大應力值均超過許用應力，不滿足設計要求，需進一步優(yōu)化結構。

3.2 優(yōu)化方案

結合上述仿真分析結果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生過大應力的主要原因是地板支架材料厚度薄，梁截面為槽型開口結構?？梢酝ㄟ^改變材料屬性（材質(zhì)、厚度等）、結構型式和結構件布置位置等手段進行優(yōu)化，優(yōu)化措施如下：（1）截面由槽型改為矩形；（2）梁規(guī)格由35 mm×20 mm×1.5 mm調(diào)整為40 mm×20 mm×2.5 mm，60 mm×20 mm×1.5 mm調(diào)整為60 mm×20 mm×2.5 mm；（3）綜合輕量化考慮，取消前部第2豎梁和第3豎梁。具體措施見表3。

表3 截面與尺寸優(yōu)化方案

4 優(yōu)化效果

更新CAE模型，采用與原地板支架相同的邊界條件進行加載計算，優(yōu)化后各工況應力如圖8～11所示。

圖8 工況1（上跳工況）優(yōu)化后的應力云圖

圖9 工況2（下跳工況）優(yōu)化后的應力云圖

圖8工況1中，優(yōu)化后地板支架第4縱梁處的最大應力為174 MPa，位置在縱梁中間部分，較優(yōu)化前最大應力值578 MPa已明顯改善，且低于材料許用應力230 MPa，滿足設計要求。優(yōu)化后地板支架的最大變形量由優(yōu)化前2.460 mm減小為1.251 mm。

圖9工況2中，優(yōu)化后地板支架的最大應力為217 MPa，出現(xiàn)在第4縱梁中間位置，較優(yōu)化前最大應力值665 MPa已明顯改善，且在材料許用應力范圍之內(nèi)。優(yōu)化后地板支架的最大變形量由優(yōu)化前3.954 mm減小為1.858 mm。

圖10 工況3（加速工況）優(yōu)化后的應力云圖

圖11 工況4（轉(zhuǎn)向工況）優(yōu)化后的應力云圖

圖10工況3中，下地板支架的最大應力為86 MPa，出現(xiàn)在第4縱梁位置。圖11工況4中，下地板支架的最大應力為62 MPa，出現(xiàn)在第6縱梁位置。

通過對比優(yōu)化前、后地板支架不同工況下的受力結果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后地板支架各工況應力得到明顯改善，最大應力值均小于材料許用應力，滿足設計要求。

5 結束語

本文利用有限元仿真技術對某物流車的地板支架結構強度進行分析，提出優(yōu)化思路和方案，明確改進方向，減少工作量，縮短開發(fā)周期。優(yōu)化后的地板支架不僅結構強度滿足設計要求，而且減少了材料規(guī)格，節(jié)約了管理成本，提高了產(chǎn)品競爭力。采用有限元分析計算，保證產(chǎn)品設計的可行性，為產(chǎn)品設計提供理論依據(jù)。

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2022-05-09

1002-4581（2022）06-0024-04

U463.83+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2022.06.007