JDB2000A電動(dòng)垃圾車底盤結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化

強(qiáng)豪杰

摘? 要：JDB2000A型電動(dòng)垃圾清掃車已經(jīng)投入生產(chǎn)使用中，但是底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的并不是完全的合理，而且重量相對(duì)而言過(guò)重，需要進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。所以對(duì)底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并且用ANSYS分析軟件進(jìn)行應(yīng)力學(xué)分析，找出底盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力薄弱區(qū)和可以優(yōu)化的部分。進(jìn)行一定程度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣避免了底盤結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域破壞，并且在保證車輛正常使用功能的情況下，使得電動(dòng)垃圾清掃車實(shí)現(xiàn)了輕量化。減輕了整車的重量，加長(zhǎng)了電動(dòng)垃圾清掃車的工作時(shí)間。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)垃圾清掃車? 底盤? ANSYS? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0099-02

1? 內(nèi)清掃車的發(fā)展歷經(jīng)了3個(gè)階段

第一階段，在20世紀(jì)60年代，由德國(guó)率先研制出純掃式清掃車。但是其單位時(shí)間清掃性和效果均不太理想，同時(shí)由于地面條件的限制，從而導(dǎo)致只有少數(shù)大城市使用并沒(méi)有被大多數(shù)城市所接受。直到80年代末我國(guó)制造出了一臺(tái)吸掃一體式清掃車，其在單位時(shí)間內(nèi)的清掃效率有了明顯提升，并擁有極高的性價(jià)比，隨后才在各大中城市中得到了廣泛的認(rèn)可。

第二階段，0世紀(jì)末期，由于科技的發(fā)展，使得清掃車也得到了很快的迭代。清掃車不光在我國(guó)得到了普遍的應(yīng)用，也在全世界的各個(gè)國(guó)家出現(xiàn)。各種類型和各種規(guī)格的吸掃式清掃車也不斷涌現(xiàn)。清掃車多數(shù)為2～8t汽車底盤改裝，常用于城市主干道、城鄉(xiāng)結(jié)合部、高速公路的路面清掃作業(yè)。近年來(lái)，生產(chǎn)企業(yè)又開發(fā)了專用底盤、多種規(guī)格的中小型全液壓清掃車。

第三階段，2000年之后，清掃車市場(chǎng)依舊保持了快速發(fā)展的形式。目前清掃車的品種規(guī)格、使用性能已能基本滿足國(guó)內(nèi)的需求，產(chǎn)品線有2～10t各個(gè)型號(hào)。

由這3個(gè)階段也可以看出來(lái)，國(guó)內(nèi)的垃圾清掃車也經(jīng)歷了一個(gè)過(guò)程，它并不是一蹴而就的，而是慢慢地發(fā)展起來(lái)的。在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多的問(wèn)題，這些問(wèn)題，有些已經(jīng)很好地解決了，但是有些依然存在。并且，在發(fā)展的過(guò)程中，還會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新的問(wèn)題。

2? ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)基本過(guò)程

2.1 使用ANSYS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程

利用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)通常有兩種途徑：一是批量處理方法，二是通過(guò)GUI交互式進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中，通常需要根據(jù)對(duì)ANSYS的習(xí)慣和熟悉程度在這兩種方法間進(jìn)行選擇。如果對(duì)于ANSYS程序有一個(gè)深刻的認(rèn)知，可以用命令輸入全部需要優(yōu)化的文件并選擇第一種方法進(jìn)行優(yōu)化。第一種方法在應(yīng)對(duì)需用大量計(jì)算的分析任務(wù)例如非線性計(jì)算，其效率比較出眾。然而GUI交互方式就相對(duì)于批量處理方法有更好的靈活性，可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行循環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控。在使用第二種方法即GUI方式進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，關(guān)鍵的一步是要建立模型的分析文件，然后利用優(yōu)化處理器所提供的功能來(lái)進(jìn)行交互式操作。這些基礎(chǔ)的交互式的操作可以縮小設(shè)計(jì)空間的大小，從而提高優(yōu)化過(guò)程效率。

2.2 Solid186（3-D）實(shí)體單元

該文選取的建模單元為Solid186（3-D）實(shí)體單元。Solid186是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，SOLID186具有二次位移模式可以更好地模擬不規(guī)則的網(wǎng)（如通過(guò)不同的CAD/CAM系統(tǒng)建立的模型）。單元通過(guò)20個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著X-Y-Z方向平移的自由度。SOLID186可以具有任意的空間各向異性、單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變能力。還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。

3? 基于ANSYS的電動(dòng)垃圾清掃車底盤的優(yōu)化

優(yōu)化底盤的過(guò)程如下。

電動(dòng)垃圾清掃車采用的是Q235結(jié)構(gòu)材料，主要使用的是型材槽鋼。其具有的材料屬性為：楊氏模量E為210GPa;材料的密度是7.85g/cm3;泊松比為0.3。在ANSYS中的分析，從結(jié)果中可以看出來(lái)，這個(gè)底盤結(jié)構(gòu)的中間部分的受力最大，發(fā)生的變形非常明顯。而且中間的變形結(jié)果出現(xiàn)了紅色，這個(gè)就說(shuō)明了中間的變形過(guò)大，可能會(huì)直接導(dǎo)致底盤的崩壞。同時(shí)還有一個(gè)問(wèn)題，就是底盤前面的主縱梁變形過(guò)大，這個(gè)可能會(huì)存在問(wèn)題。

然后關(guān)于問(wèn)題已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，現(xiàn)在就是解決問(wèn)題，優(yōu)化方面了。首先，針對(duì)薄弱點(diǎn)，最直觀的方法是直接采用加厚處理，然后在變形最大的點(diǎn)采用更加厚的鋼板來(lái)進(jìn)行分析。首先是采用直接優(yōu)化的方式，當(dāng)薄弱點(diǎn)增加到10的時(shí)候，分析結(jié)果依然類似，當(dāng)時(shí)以為是加厚不夠。當(dāng)以為是厚度不夠的時(shí)候，采用厚度繼續(xù)增加的方式，可是當(dāng)厚度增加到30的時(shí)候，結(jié)構(gòu)變形依然如此。由此可以得出結(jié)論，最終的位移和這個(gè)薄弱點(diǎn)板的厚度相關(guān)度并不是太大，而是應(yīng)該和這個(gè)底盤的結(jié)構(gòu)有關(guān)，簡(jiǎn)支梁的結(jié)構(gòu)中間受力，兩邊支撐，這樣的結(jié)構(gòu)必然會(huì)導(dǎo)致底盤的中間部分受到最大的應(yīng)力和產(chǎn)生最大的撓度。這個(gè)時(shí)候的優(yōu)化就不再是一些參數(shù)的變化，而是結(jié)構(gòu)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，使得這個(gè)底盤的應(yīng)力承受能力更加強(qiáng)。

后來(lái)經(jīng)過(guò)分析，是結(jié)構(gòu)出了問(wèn)題，是否可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的方式來(lái)強(qiáng)化中間部分，因?yàn)橹骺v梁的斷開，中間沒(méi)有強(qiáng)有力的支撐，導(dǎo)致中間部分的應(yīng)力最大?，F(xiàn)在可否直接把主縱梁直接延伸到后面，這樣可以使得中間得到部分的支持，使結(jié)構(gòu)更加完善，中間變形撓度過(guò)小。不過(guò)這種解決方案存在一定的問(wèn)題，就是電動(dòng)垃圾清掃車的主刷機(jī)構(gòu)在中間部位，這樣就導(dǎo)致了這個(gè)結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，畢竟清掃車的最主要功能就是清掃。

當(dāng)延伸主縱梁的方案不能實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，又考慮是否可以使用把主縱梁之間的距離拉開的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，當(dāng)向公司的技術(shù)主管反應(yīng)這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，這個(gè)方案也遭到了反駁，如果改變了這個(gè)結(jié)構(gòu)，則底盤的車輪安裝將會(huì)受到影響，可能會(huì)直接導(dǎo)致到轉(zhuǎn)彎半徑等一系列問(wèn)題的更改。相當(dāng)于重新設(shè)計(jì)這個(gè)底盤，如果這樣的話，這個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)就沒(méi)有什么價(jià)值了。

這個(gè)處理方案也不行的時(shí)候，在結(jié)構(gòu)的更改方面沒(méi)有了更好的方案，于是另外一個(gè)思路，降低應(yīng)力這個(gè)方法。這個(gè)方案是不再改變底盤的結(jié)構(gòu)，而是在不影響電動(dòng)垃圾清掃車功能的情況下，改善清掃車的其他部分，降低底盤在工作過(guò)程中的工況，由此來(lái)達(dá)到降低底盤應(yīng)力的目的。這個(gè)優(yōu)化思路與開始的思路完全不同，但是卻一樣能很好地解決問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)分析以后發(fā)現(xiàn)，最方便的是在電動(dòng)垃圾清掃車電池上做改動(dòng)，對(duì)于電池采用的不同，重量是完全不同的，而采用電容電池，則可以做到施加的重量減輕一般，使得類似簡(jiǎn)支梁的結(jié)構(gòu)可以很好地承受住所需要的力。

在減輕重量的底盤優(yōu)化過(guò)程中，可以采用減小前后車頭和車尾處應(yīng)力不集中區(qū)鋼板厚度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。最方便的是直接將6mm厚的鋼板直接減薄到4mm，分析下來(lái)使用壽命依然完好。

4? 結(jié)語(yǔ)

在文中一開始討論了ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，其中對(duì)該研究采用的優(yōu)化方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)選用的建模單元進(jìn)行了介紹。然后是說(shuō)明了一下這次的優(yōu)化過(guò)程，當(dāng)然，最主要的是在分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)優(yōu)化并不是傳統(tǒng)的一些系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，因?yàn)檫@樣的優(yōu)化并不能解決問(wèn)題，其實(shí)初始的想法是針對(duì)底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變來(lái)達(dá)到優(yōu)化的效果，但是這種方式很難實(shí)現(xiàn)，于是采用了另外一種方式來(lái)達(dá)到優(yōu)化的目的。通過(guò)改變工況的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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