礦用自卸車車廂輕量化與有限元模擬

韓妮丹，趙 陽，董現(xiàn)春，張 楠，楊建煒

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

0 引言

輕量化指在滿足車輛性能要求的前提下，通過使自卸車重量最輕，以達(dá)到降低鋼材成本的目的。實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的途徑有：采用輕型材料，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二者同時(shí)應(yīng)用或使用高強(qiáng)度材料替換原結(jié)構(gòu)材料。車輛輕量化包括輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化(包括拓?fù)鋬?yōu)化、集成優(yōu)化、模塊功能化、全新設(shè)計(jì)等)、新材料(高強(qiáng)鋼，鋁、鎂輕質(zhì)合金，高強(qiáng)高韌鑄造材料，先進(jìn)非金屬材料等)的使用、新工藝(熱沖壓成形、集成式鑄造、先進(jìn)連接技術(shù)、輥壓成型等)的使用。車輛輕量化體現(xiàn)在從工藝到技術(shù)、從原料到配件的各方面進(jìn)步。研究數(shù)據(jù)顯示，礦用自卸車的車架結(jié)構(gòu)體積龐大，自重占礦車整車整備質(zhì)量的15%～25%，車架結(jié)構(gòu)質(zhì)量每減輕10%，可減少燃油消耗 3%～7%左右。車輛的輕量化減少了對(duì)于車輛鋼材的消耗，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，增加了企業(yè)利潤(rùn)。對(duì)于自卸車的直接用戶，車輛的輕量化可提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。本文針對(duì)某礦用自卸車車廂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，原底板厚16 mm、側(cè)板厚10 mm，對(duì)其進(jìn)行輕量化優(yōu)化的目標(biāo)為車廂板使用板厚6 mm的Q960鋼板。

1 優(yōu)化目標(biāo)

本文所研究的對(duì)象為某公司礦用自卸車車廂。礦洞車廂主要用于金屬礦石的運(yùn)輸，從露天或者礦井下開采出來的塊狀礦石直徑在500 mm左右，車廂設(shè)計(jì)載荷25 t(1.2 m車廂高度)，若加高邊欄板為1.4 m車廂高度，實(shí)際承載約30多噸。 礦車運(yùn)載道路為礦洞，類似于鄉(xiāng)村泥土路，井下深度從幾十到幾百米不等，路程從井下至地面30 km。 目前車廂板材厚度為底板16 mm、邊板10 mm，材質(zhì)Q235B,焊接的部位主要是前板、后板與邊板和底板連接部位，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，特殊需求時(shí)也可使用混合氣體(氬氣+二氧化碳)保護(hù)焊接。

所研究的車廂為傳統(tǒng)基礎(chǔ)上的U型結(jié)構(gòu)車廂。傳統(tǒng)車廂為方型結(jié)構(gòu)，車廂組成部分為前板總成、后板總成、左右側(cè)板總成與底板總成，四部分使用同樣的鋼板材料。U型結(jié)構(gòu)車廂重心更低，其在行駛過彎道時(shí)更加平穩(wěn)。U型車廂承載貨物時(shí)貨物能基本保持在貨箱中間部位，此時(shí)重量可平均分配在車輪上，使得車輪不會(huì)由于載荷分配不均導(dǎo)致壽命縮短。

自卸車車廂輕量化模擬方案：根據(jù)車廂結(jié)構(gòu)特性，使用三維軟件SolidWorks建立三維模型，保證后續(xù)有限元分析時(shí)的計(jì)算規(guī)模與精度。 使用有限元分析軟件，導(dǎo)入模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置約束與工況受力情況，進(jìn)行車廂受力模擬計(jì)算，從而建立輕量化模型。修改模型材料參數(shù)與模型部件設(shè)置，進(jìn)行ANSYS有限元分析。

2 礦用自卸車車廂有限元分析

2.1 有限元幾何模型建立

本文使用SolidWorks建立車廂三維模型，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：①忽略對(duì)整體強(qiáng)度和剛度影響不大的孔、圓角、螺栓孔、倒角和過渡圓角；②車廂與副梁上的部件與板件很多是通過焊接連接在一起的，在分析中認(rèn)為焊接區(qū)域的材質(zhì)沒有變化，屬性與周圍材料相同，屬于理想焊接，將焊接連接起的部件認(rèn)為是一個(gè)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分與材料定義。模型修改后側(cè)板與底板厚度為6 mm。車廂完整SolidWorks三維模型如圖1所示。

2.2 材料性能與網(wǎng)格劃分

本文所建立的模型材料為 Q960e鋼，模擬中使用的材料性能參數(shù)見表1。

實(shí)際模擬中在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，去除了后板與部分不影響計(jì)算結(jié)果的連接件。將簡(jiǎn)化的車廂模型作為整體導(dǎo)入ANSYS中。在劃分網(wǎng)格時(shí)需設(shè)置合理的網(wǎng)格尺寸,本文分析中設(shè)置網(wǎng)格尺寸為50 mm。 車廂網(wǎng)格劃分后的單元總數(shù)為137 742，節(jié)點(diǎn)數(shù)為324 375。車廂網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

表1 Q960e性能參數(shù)

2.3 載荷分布與約束條件

模擬自卸車車廂滿載貨物后在平直的馬路上平穩(wěn)行駛時(shí)車架的受載情形。 車廂滿載貨物時(shí)相當(dāng)于載重30 t的靜載工況，對(duì)有限元模型設(shè)置邊界條件，施加載荷，將裝載貨物的重量(包括車廂自重)平均分布到貨車車廂與車架接觸節(jié)點(diǎn)上。

由參考文獻(xiàn)[1]可知,自卸車車廂在傾翻自卸開始狀態(tài)(即傾斜角大于0°)時(shí)所受力最復(fù)雜，貨箱與副梁及其貨物的重量由貨箱翻轉(zhuǎn)支座承受,簡(jiǎn)化受力分析，將貨物視同液體陳放在器皿中，設(shè)定為車廂承受靜水壓力,壓力為：

P=ρgh.

其中：ρ為轉(zhuǎn)載貨物的密度，取ρ為土石方密度3 750 kg/m3；g為重力加速度，取 9.8 m/s2;h為貨物的高度，模型中為車廂兩側(cè)高度。選定車廂兩側(cè)板、底板與車頭內(nèi)側(cè)表面設(shè)定靜水壓力。圖3為設(shè)置車廂承載受力與固定約束。

圖2 車廂網(wǎng)格劃分

圖3 設(shè)置車廂承載受力與固定約束

3 模擬結(jié)果與輕量化方案可行性分析

圖4為車廂整體模型的等效應(yīng)力云圖。由圖4可知：靜載工況下最大應(yīng)力為1 140.1 MPa，出現(xiàn)在后板與底板的連接件處。

圖5為模擬得到的各部件應(yīng)力分布云圖。由圖5可知 ：車廂底板最大應(yīng)力為179.48 MPa, 出現(xiàn)在靠近后板處、底部支撐板的兩側(cè)；側(cè)板最大應(yīng)力為613.36 MPa,位于與后板的連接處；前擋板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與側(cè)板連接處，最大值為210.43 MPa。車架材料的抗拉強(qiáng)度為1 150 MPa，大于其最大應(yīng)力值，故車架的靜態(tài)強(qiáng)度滿足要求。

圖4 車廂整體模型等效應(yīng)力云圖

圖5 模擬得到的各部件應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

本文通過有限元分析軟件對(duì)某礦車車廂進(jìn)行了有限元模擬，得出如下結(jié)論：

(1) 對(duì)礦用自卸車車廂SolidWorks模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立U型車廂三維模型，導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格，設(shè)定約束、受力，模擬結(jié)果可進(jìn)行車廂輕量化方案可行性分析。

(2) 通過模擬結(jié)果對(duì)車廂及各部件應(yīng)力云圖分析得出：材料由Q235改為Q960，將底板厚16 mm、側(cè)板厚10 mm改為板厚6 mm，車廂各部件最大應(yīng)力小于材料的抗拉強(qiáng)度，說明輕量化方案可行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 石文偉.基于有限元分析的煤礦自卸車輕量化研究設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué),2014:1-10.

[2] 郭年琴,胡明振,李文斌.礦用電動(dòng)輪汽車使用壽命周期內(nèi)停機(jī)損失規(guī)律研究[J].礦山機(jī)械,2008,36(9):22-26.