基于ANSYS仿真分析的攪拌車后防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

饒偉強(qiáng)，楊力博，寧航

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 前言

后防護(hù)裝置是載貨汽車在發(fā)生追尾事故時，對追尾車輛（主要指乘用車）起到一定的防止鉆入的被動安全措施。其除了防止鉆入的功能，還具有一定的緩沖吸振的能力，對追尾車輛乘員有一定的保護(hù)作用。但是這兩種功能在本質(zhì)上是相互矛盾、此消彼長的關(guān)系。即相同材料相同碰撞條件下，不同結(jié)構(gòu)形式的后防護(hù)發(fā)生碰撞后，鉆入量越大（后防護(hù)剛度小，變形量大），吸能性越高，但其防止鉆入的能力就越低，載貨汽車對乘員的傷害越高；另一方面，鉆入量越?。ê蠓雷o(hù)剛度大，變形量小），吸能性越低，但其防止鉆入的能力高，追尾車輛的壓縮變形大，追尾車輛自身對乘員的傷害越高。因此目前國內(nèi)外學(xué)者對后防護(hù)的研究主要集中在碰撞相容性的優(yōu)化設(shè)計[1]。本文基于這種理論，在充分考慮攪拌車尾部結(jié)構(gòu)和后防護(hù)成本、制造、功能、安全的前提下，提出了一種簡潔的后防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并做了大量的仿真分析驗證和實車碰撞驗證。

1 法規(guī)要求

國家法規(guī) GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》中對后下部防護(hù)裝置有明確的、強(qiáng)制性的技術(shù)要求，對于攪拌車而言，主要有以下幾點(diǎn)需要滿足：

（1）橫梁截面高度≥120mm；

（2）橫梁兩端倒圓≥2.5mm；

（3）空載下邊緣離地高度≤500mm；

（ 4 ） 橫梁兩端距后軸車輪最外端水平距離≤100mm；

（5）距車輛尾端距離（指整車距離地面 2m 以下部分的最后端）＋試驗變形量≤400mm；

（6）靜態(tài)加載試驗中 P2加載點(diǎn)受力 100kN；P1、P3加載點(diǎn)受力 50kN（見圖1）。

圖1 加載點(diǎn)位置示意圖

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 離地高度

依據(jù)朱西產(chǎn)等學(xué)者[2]所做的后防護(hù)離地高度與剛度的關(guān)系（圖2），離地高度在 300～450mm 之間，與追尾車輛的車身變形量基本呈線性關(guān)系，且比例最小，因此離地高度應(yīng)該在此范圍內(nèi)。但考慮到攪拌車出入施工現(xiàn)場的工況十分惡劣，對整車的通過性能要求比較高，而后防護(hù)本身會大幅降低車輛的離去角，因此離地高度應(yīng)盡量高。故選擇 450mm 作為后防護(hù)的離地高度。

圖2 車身變形量—離地高度曲線

2.2 橫向構(gòu)件材料與截面

依據(jù)安炎彬?qū)W者[3]所做的后防護(hù)仿真實驗，其采用 Q235 槽鋼 10#，截面 100mm×100mm×5mm，傾斜 45 度安裝，得到的靜加載試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，可以看出其最大變形量在 P2點(diǎn)處，160mm 左右?？紤]到碰撞相容性設(shè)計，需要保證一定的碰撞變形量，本文整體后防護(hù)厚度調(diào)整為 4mm。其他初始參數(shù)如下：（1）材料：Q345B 槽鋼；（2）橫梁截面：60mm×120mm×4mm；（3）橫梁長：2388mm；（4）離地高度：450mm；（5）距底盤大梁尾端：500mm，即距離整車 2m 以下最后端：345mm （換言之后防護(hù)的最大變形量低于 55mm）；（6）斜支撐梁板厚：4mm。

表1 靜態(tài)加載試驗結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)法規(guī)要求及以上參數(shù)確定，本文提出如圖3 所示的后防護(hù)結(jié)構(gòu)形式。本裝置由橫梁、堵板、斜支撐梁三部分組成。橫梁采用槽鋼形式減少成本、降低剛度，使其有效吸收碰撞能量；堵板作用增加受力截面，避免應(yīng)力過于集中；斜支撐梁采用折彎板形式，增加剛度，使其有效阻擋追尾車輛鉆入貨車底部。

圖3 后防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

4 有限元模型建立與仿真分析

由于 Hypermesh 強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，在 Hypermesh 中對模型進(jìn)行簡化，忽略圓孔、圓角等細(xì)節(jié)（如圖4）。導(dǎo)入到 ANSYS 中進(jìn)行靜態(tài)加載試驗，如圖5 所示。試驗結(jié)果（表2）表明該結(jié)構(gòu)形式，在初始參數(shù)確定后，不能滿足法規(guī)要求的 55mm 以下的變形量。因此通過局部加強(qiáng)的形式優(yōu)化后防護(hù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式和實驗結(jié)果如表3 和圖6 所示。

圖4 Hypermesh 網(wǎng)格劃分

圖5 結(jié)構(gòu)形式仿真結(jié)果

表2 初始結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

表3 各加強(qiáng)形式實驗結(jié)果

5 實驗結(jié)果分析

（1）伴隨加強(qiáng)材料的增加，重點(diǎn)關(guān)心問題（P1點(diǎn)的變形量）有所改善，但達(dá)到初始設(shè)計要求（允許變形量 55mm）時，增加材料 57.9%（此時橫梁已改為矩形梁），成本大幅提高，考慮其他方案。

（2）嘗試減少矩形梁局部（對結(jié)果影響不大的地方：橫梁中部和端部）材料，以減少材料，然表3 中序號 9 的仿真結(jié)果說明，由于材料的減少，變形又進(jìn)一步變大，不能滿足法規(guī)要求。

（3）若后防護(hù)設(shè)計尺寸向后移 45mm（距大梁尾端 545mm），結(jié)構(gòu)變化并不大，則允許變形量達(dá)到 100mm，根據(jù)表3 中序號 4 的仿真結(jié)果，預(yù)估可以滿足要求，進(jìn)一步驗證，表3 中序號 10 的仿真結(jié)果說明：設(shè)計符合要求，但由于板厚提高 1mm，材料增加 28.48%。

（4）若后防護(hù)設(shè)計尺寸向后移 65mm（距大梁尾端 565mm），結(jié)構(gòu)變化仍然不大，則允許變形量可達(dá)到 120mm，且板厚仍為 4mm，根據(jù)表2 的仿真結(jié)果，預(yù)估可以滿足要求，進(jìn)一步驗證，表3 中序號 11 的仿真結(jié)果說明：設(shè)計符合要求，且材料增加只有 4.48%。

圖6 不同加強(qiáng)形式后防護(hù)仿真結(jié)果局部視圖及實車靜態(tài)加載試驗

6 結(jié)束語

上述仿真結(jié)果說明初始確定的參數(shù)第（5）條稍作調(diào)整，即可滿足要求。經(jīng)過實車靜態(tài)加載試驗（圖7(a)），試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相差無幾。但由于初始設(shè)計本身離去角小，尺寸后移進(jìn)一步降低了離去角，影響整車的通過性能；另一方面后防護(hù)太靠后，在給泵車卸料時，易與泵車料斗發(fā)生碰撞。因此國外一些企業(yè)將后防護(hù)做成折疊形式的，有效解決這個問題，但成本大幅提高。所以在本文所提結(jié)構(gòu)形式在根部連接方式上稍作整改，改為可旋轉(zhuǎn)式的更經(jīng)濟(jì)實用的后防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，也可以解決該問題，但需要考慮連接形式的可靠性，在以后的工作中需要進(jìn)行更深入的研究。