某寬體自卸車駕駛室白車身的仿真分析

肖揚(yáng)國 張召春 唐 笑

(三一重工股份有限公司 車身研究所，湖南 長沙 410100)

0 前言

寬體自卸車具有價(jià)格低、裝載量大、整車重心低、適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)輸效率高、盈利性好，以及投資回報(bào)快等特點(diǎn)。近年來，寬體自卸車作為露天礦山的一種新的物料運(yùn)輸工具，得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，主要用于運(yùn)輸露天礦山土石方剝離和運(yùn)輸。寬體自卸車的主要目標(biāo)市場為露天煤礦，次要目標(biāo)市場為水電站等大型基建工程、有色金屬礦山，以及中小型鐵礦等[1]。

駕駛室作為寬體自卸車的非承載部件，其強(qiáng)度要求在車輛的設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常被忽視，但實(shí)際上駕駛室的固有頻率對(duì)駕乘人員的舒適性影響很大[2]。由于寬體自卸車的使用環(huán)境復(fù)雜多變，車輛承受著來自路面和裝載物品的各種復(fù)雜載荷作用，因此在駕駛室的設(shè)計(jì)開發(fā)中，需要足夠的強(qiáng)度和剛度使駕駛室部件的相對(duì)位置在行駛過程中不發(fā)生改變，并保證其可靠性和使用壽命[3]。如果駕駛室的剛度不足，容易激起駕駛室內(nèi)的振動(dòng)和噪聲，從而影響駕乘人員的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性；此外，振動(dòng)的幅值和頻率也會(huì)使部分零件的壽命縮短，可靠性下降。駕駛室易受到非平整路面、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒振動(dòng)等多個(gè)激勵(lì)源的激勵(lì)，從而發(fā)生受迫振動(dòng)。當(dāng)外界激勵(lì)與駕駛室固有頻率相近時(shí)，駕駛室會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，產(chǎn)生令駕乘人員極度不舒適的噪聲和振動(dòng)，影響駕乘人員的駕乘體驗(yàn)。因此，駕駛室設(shè)計(jì)還需要考慮主激勵(lì)源工作頻率的影響。

1 強(qiáng)度分析

對(duì)某寬體自卸車駕駛室白車身進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)有限元強(qiáng)度仿真分析。該白車身強(qiáng)度仿真模型的單元數(shù)為806 392，節(jié)點(diǎn)數(shù)為797 748，焊點(diǎn)采用ACM單元，膠粘類型為RBE3-HEXA-RBE3，約束駕駛室與懸架連接點(diǎn)，邊界載荷為車身硬點(diǎn)處載荷，采用慣性釋放法。白車身所用材料參數(shù)見表1。按照表2中9種典型工況(其中，g為重力加速度)進(jìn)行加載并分別進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析。

表1 白車身使用材料參數(shù)

表2 寬體自卸車載荷工況

各工況下白車身的最大應(yīng)力及位置見表3。通過計(jì)算求解，左轉(zhuǎn)彎、四輪垂跳、過坑沖擊、剎車右轉(zhuǎn)向等4種工況的最大應(yīng)力主要集中在前圍右側(cè)橫梁下部支架焊接處(圖1(a)中位置1)；右轉(zhuǎn)彎、1g對(duì)角懸空、向前制動(dòng)、反向制動(dòng)、剎車左轉(zhuǎn)向等5種工況的最大應(yīng)力主要集中在前圍左側(cè)鈑金與橫梁焊接處(圖1(b)中位置2)。

圖1 應(yīng)力云圖

由表3可知：位置1處所用材料為Q235B低碳鋼，該材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在四輪垂跳工況，為183.7 MPa，所用材料滿足強(qiáng)度要求；位置2處所用材料為DC04不銹鋼，該材料的屈服強(qiáng)度為150.0 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在右轉(zhuǎn)彎工況，為148.3 MPa，僅比材料屈服強(qiáng)度小1.7 MPa，因此需要進(jìn)行加強(qiáng)。鑒于材料成型性和材料成本的約束，建議不更改材料，采用增加加強(qiáng)板的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

表3 各工況最大應(yīng)力及位置

2 剛度分析

白車身剛度仿真模型的單元數(shù)為725 219，節(jié)點(diǎn)數(shù)為713 829，焊點(diǎn)采用ACM單元，膠粘類型為RBE3-HEXA-RBE3，螺栓采用RBE2單元。在后懸置處及前懸置處施加約束，在前后懸置中點(diǎn)對(duì)應(yīng)地板處分別施加向下10 000 N的Z軸向力，模擬計(jì)算白車身的彎曲剛度；在后懸置處施加約束，在前懸置處施加繞X軸5 000 N·m的力矩，模擬計(jì)算白車身的扭轉(zhuǎn)剛度。計(jì)算結(jié)果為：白車身的彎曲剛度為80 482.9 N/mm，遠(yuǎn)大于目標(biāo)值(20 000.0 N/mm)；白車身的扭轉(zhuǎn)剛度為60 975.6 N·m/(°)，大于目標(biāo)值(50 000.0 N·m/(°))，滿足剛度要求。

3 一階自由模態(tài)分析

白車身一階自由模態(tài)仿真模型的單元數(shù)為663 300，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 654 548，焊點(diǎn)采用ACM單元，膠粘類型為RBE3-HEXA-RBE3，螺栓采用RBE2單元，無約束、無載荷。白車身的一階自由模態(tài)分析如圖2所示。由圖2可知，白車身一階彎曲模態(tài)頻率為46.1 Hz，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為24.2 Hz。本文中駕駛室搭配6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速為(600±50)r/min，怠速頻率為27.5～32.5 Hz。白車身一階彎曲模態(tài)頻率及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率距離發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率區(qū)間均超過3.0 Hz，不會(huì)引起車身的低頻共振，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 白車身一階自由模態(tài)

4 結(jié)論

本文以某寬體自卸車駕駛室白車身作為研究對(duì)象，針對(duì)9種典型使用工況，對(duì)駕駛室白車身的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析研究；同時(shí)，對(duì)白車身的剛度及一階自由模態(tài)進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)論如下：

(1)通過CAE 分析發(fā)現(xiàn)，該駕駛室在左轉(zhuǎn)彎、四輪垂跳、過坑沖擊、剎車右轉(zhuǎn)向4種工況下的最大應(yīng)力主要集中在前圍右側(cè)橫梁下部支架焊接處，其材料強(qiáng)度滿足要求；右轉(zhuǎn)彎、1g對(duì)角懸空、向前制動(dòng)、反向制動(dòng)、剎車左轉(zhuǎn)向5種工況下，最大應(yīng)力主要集中在前圍左側(cè)鈑金與橫梁焊接處，且該處所受最大應(yīng)力基本接近材料的屈服強(qiáng)度，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以滿足強(qiáng)度要求。

(2)該駕駛室白車身的彎曲剛度和扭曲剛度相對(duì)目標(biāo)值有較大余量，說明該駕駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很好地滿足駕駛室的剛度要求。

(3)該駕駛室白車身的一階彎曲模態(tài)頻率為46.1 Hz，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為24.2 Hz，均距離發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率區(qū)間超過3.0 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。