廂式貨車不銹鋼夾層材料貨柜輕量化設(shè)計(jì)

黃仁貴 皮子豐趙宗光

摘 要：介紹了廂式貨車不銹鋼夾層材料貨柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化效果，并通過有限元分析法對(duì)貨柜進(jìn)行了靜強(qiáng)度、模態(tài)計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不銹鋼夾層材料貨柜的強(qiáng)度、剛度能夠滿足廂式貨車貨柜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：不銹鋼夾層材料;貨柜;輕量化設(shè)計(jì)

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貨車成為城市物流的重要運(yùn)輸工具，鑒于汽車排放法規(guī)要求日益嚴(yán)苛，汽車節(jié)能減排越來越受到人們的重視。根據(jù)研究表明，如果貨車重量減輕10%，其燃油效率可提高6%～8%，重量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L～0.6L，二氧化碳排放可減少約5g/km。由此可見，對(duì)貨柜進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，減輕貨車重量，將給貨車制造商和社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。因此廂式貨車貨柜輕量化設(shè)計(jì)凸顯越來越重要。

廂式貨車的貨柜結(jié)構(gòu)形式、性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要取決于貨柜材料。不銹鋼夾層材料是一種新型夾層結(jié)構(gòu)材料，由采用奧氏體型不銹鋼材質(zhì)的上下面板和夾在中間的圓管組成，其圓管由薄壁圓管按照一定間距陣列而成，上下面板和圓管采用銅釬焊連接。不銹鋼夾層材料與普通夾層結(jié)構(gòu)材料區(qū)別較大，除材質(zhì)本身不同外，制造工藝及屬性也完全不同。不銹鋼夾層材料的輕量化程度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于其他夾層結(jié)構(gòu)材料，且無需涂裝，更加環(huán)保。

1 貨柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 貨柜總體

廂式貨車貨柜通常是由柜體、柜門、電器件、附件等零部件組成，而柜體是廂式貨車貨運(yùn)的主要承載體，柜體結(jié)構(gòu)決定了廂式貨車行駛安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，直接影響到運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。不銹鋼夾層材料貨柜柜體結(jié)構(gòu)采用整體承載全焊接結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度滿足廂式掛車技術(shù)要求（JT/T 389-2010）標(biāo)準(zhǔn)：約100KN載荷垂直作用于貨柜墻體上的時(shí)間不小于5min，卸載后不允許有大于12mm的殘余變形，并且柜體的變形不應(yīng)影響其正常使用功能。

貨柜由柜體和柜門組成，其中柜體主要由底板、側(cè)墻、前墻、頂蓋和門框五部分構(gòu)成（見圖1）。柜門通過兩側(cè)的鉸鏈用螺栓固定在柜體上，底板、側(cè)墻、前墻、頂蓋和門框在內(nèi)外兩側(cè)均采用激光焊接連接，減少了焊接種類，有效的提升了生產(chǎn)效率。門框是由兩種不同規(guī)格型號(hào)的矩形管材拼焊而成的框架承載結(jié)構(gòu)，提供了柜門安裝所需的剛性承載面，改善了力流的傳遞路徑，同步加強(qiáng)了貨柜結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度，提升了貨柜整體的貨運(yùn)承載能力。

本文設(shè)計(jì)的一種輕量化不銹鋼夾層材料貨柜，輕量化結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：①整個(gè)貨柜結(jié)構(gòu)除去門框、封板和連接支架外的主體結(jié)構(gòu)均采用不銹鋼夾層材料，其質(zhì)量密度大約為0.2×103kg/m?，遠(yuǎn)低于其他夾層結(jié)構(gòu)材料;②貨柜所屬零件的原材料均采用SUS304DL不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)500MPa，延伸率高達(dá)50%，滿足貨柜整體強(qiáng)度和剛度的同時(shí)又確保有足夠的韌性抵抗沖擊;③柜體的底板、側(cè)墻、前墻和頂蓋以及柜門均取消了內(nèi)部加強(qiáng)橫梁或縱梁，這樣既大幅度減輕了貨柜重量又極大減少了焊接工作量，提高了生產(chǎn)效率和外觀質(zhì)量;④貨柜不銹鋼材料取代碳鋼材料后，省去了電泳和涂裝等制造工序，控制了生產(chǎn)成本的同時(shí)還有效的保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

1.2 貨柜底板

貨柜底板是由兩種不等尺寸寬度的等厚不銹鋼夾層材料相互激光拼焊連接而成的本體和通過激光焊接在本體上的不銹鋼支架組成，其中不銹鋼夾層材料規(guī)格為B0.7-60（夾層材料厚度60mm，上下面板厚度各0.7mm），①標(biāo)準(zhǔn)寬度尺寸1220mm的三塊;②非標(biāo)寬度尺寸418mm的一塊，四塊夾層材料拼焊組成了貨柜底板本體。焊接在底板本體上的不銹鋼支架有：③用來螺栓連接在貨車車架上的底板縱梁兩件;④用來安裝側(cè)防護(hù)欄的支架共四件;⑤用來安裝后輪罩的支架共四件;⑥提供尾燈安裝孔位的支架共兩件;⑦提供后牌照安裝支架固定孔位的支架一件。整個(gè)不銹鋼夾層材料底板上表面積約為10㎡，能滿足貨車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10噸重量均布荷載要求。

1.3 貨柜前墻、側(cè)墻和頂蓋

貨柜前墻、側(cè)墻和頂蓋等三部分貨柜結(jié)構(gòu)均由兩種不等尺寸寬度的等厚不銹鋼夾層材料相互激光拼焊連接而成，采用的不銹鋼夾層材料規(guī)格為B0.4-40（夾層材料厚度40mm，上下面板厚度各0.4mm），其中前墻由①標(biāo)準(zhǔn)寬度尺寸1220mm和②非標(biāo)寬度尺寸1080mm的不銹鋼夾層材料各一塊縱向激光拼焊而成，并且在示廓燈安裝區(qū)域焊接有③不銹鋼加強(qiáng)板共兩件;側(cè)墻由④標(biāo)準(zhǔn)寬度尺寸1220mm和⑤非標(biāo)寬度尺寸1006mm的不銹鋼夾層材料各一塊橫向激光拼焊而成，且在風(fēng)鉤安裝區(qū)域焊接有⑥不銹鋼加強(qiáng)板各一件（左右對(duì)稱制作）。頂蓋由⑦標(biāo)準(zhǔn)寬度尺寸1220mm和⑧非標(biāo)寬度尺寸1167mm的不銹鋼夾層材料各一塊橫向激光拼焊而成。貨柜前墻和側(cè)墻的中心區(qū)域（1m×1m）能滿足貨車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1000N均布荷載要求（貨柜頂蓋無對(duì)應(yīng)法規(guī)要求）。

1.4 貨柜門框

門框設(shè)計(jì)為整體框架結(jié)構(gòu)，包括①上方一根不銹鋼矩形管（60mm×40mm×1.5mm）和②下方一根不銹鋼方管（60mm×60mm×1.5mm）作為橫梁，另外③不銹鋼方管（60mm×60mm×1.5mm）共兩根分別作為兩側(cè)的豎梁，四根型材通過激光焊接形成一個(gè)整體的門框結(jié)構(gòu)，并且在示廓燈安裝區(qū)域焊接有④不銹鋼加強(qiáng)板共兩件。由于柜門是通過鉸鏈用螺栓固定在門框?qū)?yīng)區(qū)域，為了提高貨柜門框?qū)?yīng)區(qū)域的強(qiáng)度，采用⑤不銹鋼內(nèi)螺紋鋼套穿透型材后焊接在門框上，然后再將門框整體框架結(jié)構(gòu)通過激光焊接與底板、側(cè)墻和頂蓋進(jìn)行連接。這樣既滿足了柜門裝配所需承載面的剛性需求，又有效的降低了整個(gè)貨柜的重量。

1.5 柜門

貨柜柜門是由不銹鋼夾層材料及其周圈的不銹鋼封板相互激光拼焊連接而成，其中采用的①不銹鋼夾層材料規(guī)格為B0.4-40（夾層材料厚度40mm，上下面板厚度各0.4mm），②不銹鋼封板規(guī)格為SUS304DL/δ0.5mm。在柜門鉸鏈安裝區(qū)域增加了③加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（材質(zhì)為SUS304DL/δ3.0mm），并且采用④不銹鋼內(nèi)螺紋鋼套穿透柜門夾層材料后焊接在柜門上以提高貨柜門鎖安裝區(qū)域強(qiáng)度，確保車門安裝后不會(huì)因?yàn)樽陨碇亓亢拓涇囆旭傔^程中產(chǎn)生的沖擊載荷而失效。

1.6 重量對(duì)比

傳統(tǒng)貨箱與不銹鋼夾層材料貨箱重量對(duì)比如表1：

通過上表看出，不銹鋼夾層材料與傳統(tǒng)貨柜相比，重量降低約202kg，減重比例約為30%，輕量化效果顯著。

2 仿真分析

2.1 有限元模型

為了對(duì)比優(yōu)化前后的貨柜力學(xué)性能情況，我們將優(yōu)化前后的貨柜三維中面模型全部離散成有限元網(wǎng)格，生成兩套有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.1 優(yōu)化前的貨柜有限元模型

貨柜面板與框架的角焊保護(hù)焊縫采用REB 2單元進(jìn)行模擬，貨柜與框架的搭焊保護(hù)焊縫采用 area 焊縫單元進(jìn)行模擬。貨柜模型離散后，共計(jì)864 030個(gè)節(jié)點(diǎn)，872 856個(gè)單元，其中殼單元 763 501 個(gè)，area焊縫單元23 633 個(gè)，焊縫RBE3 單元 84 510 個(gè)，焊縫RBE2 單元 1 199 個(gè)。

2.1.2 優(yōu)化后的貨柜有限元模型

貨柜夾層材料之間的激光焊縫采用節(jié)點(diǎn)對(duì)齊的方式進(jìn)行模擬，貨柜夾層材料與框架的焊縫采用REB2單元進(jìn)行模擬，貨柜與底板縱梁的焊縫采用area焊縫單元進(jìn)行模擬。由于貨柜整體左右對(duì)稱，所以僅對(duì)貨柜左半部分進(jìn)行分析，貨柜左半部分模型離散后，共計(jì)3 361 762個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 711 207個(gè)單元，其中殼單元 3 483 570 個(gè)，實(shí)體單元 197 361 個(gè)，area焊縫單元6 936 個(gè)，焊縫RBE3 單元 16 616 個(gè)，焊縫RBE2 單元 6 724 個(gè)。

2.2 模態(tài)分析

為了使貨柜在使用過程避免出現(xiàn)共振，降低噪聲，我們需要研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性，對(duì)優(yōu)化前后的貨柜進(jìn)行自由模態(tài)分析，分析貨柜的振型形態(tài)及共振頻率。

經(jīng)過對(duì)有限元模型的計(jì)算，優(yōu)化前的貨柜一階振型頻率為12Hz，優(yōu)化后的貨柜一階振型頻率為15Hz，優(yōu)化后的貨柜頻率值大于優(yōu)化前的貨柜頻率值。由于目前大部分廠家對(duì)貨柜模態(tài)值的評(píng)價(jià)尚無統(tǒng)一的指標(biāo)，根據(jù)研究[1]，在傳統(tǒng)車輛上，因?yàn)檐囕啿黄胶庖鸬募?lì)頻率一般低于11Hz，優(yōu)化前后的貨柜均大于這一指標(biāo)，則優(yōu)化后的貨柜能更好的避免車輪不平衡運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的共振風(fēng)險(xiǎn)，故得出結(jié)論：優(yōu)化后的貨柜模態(tài)性能更好，整體剛度更高。

2.3 貨柜剛強(qiáng)度分析

根據(jù)廠商要求，貨柜需要滿足以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，我們通過對(duì)貨柜有限元模型加載對(duì)應(yīng)的載荷工況，計(jì)算出優(yōu)化后的貨柜變形及應(yīng)力結(jié)果。

通過表5分析表明：（1）貨柜剛度滿足廠商使用要求條件，并且前墻剛度和頂蓋剛度要優(yōu)于優(yōu)化前貨柜剛度性能;（2）根據(jù)兩種貨柜各自使用的材料性能條件，優(yōu)化后的貨柜底板安全裕度更大，強(qiáng)度更高。

3 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼夾層材料貨柜結(jié)構(gòu)在輕量化設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行了整個(gè)貨柜結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證;通過仿真軟件對(duì)不銹鋼貨柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行了驗(yàn)證。通過仿真計(jì)算，貨柜各部位應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，不銹鋼貨柜結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度，能承受貨車運(yùn)輸過程中的動(dòng)載荷、靜載荷以及沖擊載荷要求。

根據(jù)模態(tài)和強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，輕量化設(shè)計(jì)的貨柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足廂式掛車技術(shù)要求（JT/T 389-2010），貨柜結(jié)構(gòu)重量輕，強(qiáng)度高，且降低了制造成本，提高了貨車核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：黃仁貴（1982-），男，湖南郴州人，本科，工程師，現(xiàn)從事車身設(shè)計(jì)工作。