CAE分析在輕量化自卸車設(shè)計中的應(yīng)用

陳志斌 趙守顥

摘 要：為了節(jié)能降耗，降低制造成本，提升自卸車產(chǎn)品性能，本文基于CAE建模分析，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了自卸車車箱輕量化的研究。在滿足強(qiáng)度要求的前提下總質(zhì)量減少了10%，達(dá)到了輕量化目的。

關(guān)鍵詞：自卸車車箱設(shè)計 CAE分析 輕量化 高強(qiáng)度板

1 前言

傳統(tǒng)設(shè)計主要增大貨箱的材料厚度，加強(qiáng)相關(guān)結(jié)構(gòu)，使貨箱自重越來越重，導(dǎo)致整車采購成本和運(yùn)輸成本居高不下，企業(yè)和用戶的利潤空間縮小。國外研究表明：一般情況下，車重每減輕10%，可節(jié)省燃油3%-7%。可見快速發(fā)展自卸車輕量化、低消耗設(shè)計勢在必行。

為了適應(yīng)多種運(yùn)輸工況的要求，自卸車的設(shè)計也廣泛應(yīng)用了新材料，新技術(shù)，新工藝，新結(jié)構(gòu)，在滿足使用功能的前提下，貨箱重量得到有效降低，從而提高了整車載質(zhì)量利用系數(shù)，降低用戶的使用成本。

2 輕量化設(shè)計的趨勢

汽車輕量化的目的是減輕重量，節(jié)能，減少污染。輕量化要有原則的，不是減輕重量就行，減輕重量了減輕質(zhì)量了不能降低強(qiáng)度，不能降低安全性，不能降低汽車的舒適性，有些輕量化的做法，可能在這些方面沒有達(dá)到要求。對于輕量化自卸車來說，國內(nèi)主要應(yīng)用高強(qiáng)度鋼、鋁合金材料等，通過先進(jìn)的制造工藝包括成形、輥壓等方面應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)輕量化自卸車也得到了快速發(fā)展，超薄高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，外形結(jié)構(gòu)多半是矩形箱體，邊板田字格或井字格;隨著自卸車輕量化趨勢的發(fā)展，結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)，U型箱體也越來越被推廣應(yīng)用。

輕量化技術(shù)雖然在國內(nèi)得到了一定的發(fā)展，但與歐洲國家比較還有很大差距;歐洲專用車設(shè)計和制造水品世界領(lǐng)先，輕量化步伐走在全球的前列。歐洲自卸車大多采用輕量化設(shè)計，材料主要為鋁合金/高強(qiáng)度鋼/塑料和復(fù)合材料等，在歐洲國家的自卸車普遍采用高強(qiáng)度板，并選用U形車箱結(jié)構(gòu)，邊板和底板無橫豎筋骨架，在減輕自重和提高載重都有一定的優(yōu)點(diǎn)，為客戶創(chuàng)造更大效益;重心低、穩(wěn)定性好、卸貨快。

3 輕量化自卸的設(shè)計

3.1 輕量化設(shè)計思路

為了適應(yīng)自卸車市場的需求，提升自卸車的品質(zhì)，贏得更多的市場資源，根據(jù)工況和載貨質(zhì)量，選擇國內(nèi)知名鋼廠不同等級的高強(qiáng)度鋼代替普通鋼板，通過CAE建模分析，分別對貨箱總成和各組件分別受載后的應(yīng)力分布及強(qiáng)度位移變化情況進(jìn)行分析，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板代替普板設(shè)計以實(shí)現(xiàn)輕量化的結(jié)果。

高強(qiáng)度板與普通低碳鋼相比，具有耐磨性好、抗沖擊性高、會彈性好、具有非常好的可焊性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、高鐵和汽車等交通工具中。另一方面具有相對力學(xué)性能特性。高強(qiáng)度板應(yīng)用到輕量化自卸車中具有自重輕、載重更大、箱體使用壽命更長等優(yōu)點(diǎn)。

采用CAE分析軟件，對新結(jié)構(gòu)輕量化自卸車進(jìn)行以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使箱體結(jié)構(gòu)及各部件總成受力達(dá)到最佳狀態(tài)。

（1）箱體采用矩形田字格結(jié)構(gòu)（筋縮窄）或邊板和底板無橫豎筋骨架，外形簡單;

（2）車箱主要材料使用高強(qiáng)板700L或1250耐磨鋼（NM360）;邊板底板采用壓模成型技術(shù)，與傳統(tǒng)車廂比較結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，材料性能更加優(yōu)良。

3.1.1 材料屬性-靜態(tài)數(shù)據(jù)

自卸車箱設(shè)計材料屬性表：

3.1.2 輕量化箱體分析模型

（1）對箱體用10mm網(wǎng)格大小進(jìn)行劃分，焊縫采用RBE3+PENTA+RBE3進(jìn)行模擬。

如圖1所示：

3.1.3 分別對零部件底板總成、邊板總成、前板總成、后板總成建模，從兩種工況應(yīng)力分析：

工況一：貨箱在靜載工況下（最大載質(zhì)量20.5t）的強(qiáng)度。

工況二：貨箱在舉升0度工況下（最大載質(zhì)量20.5t）的強(qiáng)度

結(jié)論和建議如下 （分析結(jié)果見上圖）：

（1）靜載工況：底板最大應(yīng)力為628.9MPa，底板骨架最大應(yīng)力為359.1MPa，側(cè)板最大應(yīng)力382MPa，側(cè)板骨架最大應(yīng)力為268.5MPa，前板最大應(yīng)力156MPa，后板最大應(yīng)力295.9MPa。

（2）舉升0°工況：底板最大應(yīng)力為668.7MPa，底板骨架最大應(yīng)力為381.7MPa，側(cè)板最大應(yīng)力443.7MPa，側(cè)板骨架最大應(yīng)力為261.3MPa，前板最大應(yīng)力302.6MPa，后板最大應(yīng)力295.7MPa。

（3）最大應(yīng)力與安全系數(shù)表如表2：

分析結(jié)論：內(nèi)應(yīng)力值越大風(fēng)險越大，安全系數(shù)值越大安全系數(shù)越高。貨箱材料選用AG600-AG700L或1250耐磨鋼（NM360），是安全的，設(shè)計滿足要求。

3.1.4 CAE分析結(jié)果評價（表3）

從上述應(yīng)力云圖可以看出，在靜態(tài)時，車箱各部件總成均未超出高強(qiáng)板材料的屈服極限（T700L或1250耐磨鋼（NM360）），輕量化車箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的;分析過程中，動載系數(shù)取1.5，分析結(jié)果趨于安全。

4 結(jié)論（結(jié)果應(yīng)用）

通過CAE模擬分析，輕量化自卸車箱采用T700高強(qiáng)度鋼（如果采用1250耐磨鋼NM360，承載力會加大）有效降低貨箱自重，節(jié)約了成本，確保其結(jié)構(gòu)承載的可靠性，筆者通過幾年的設(shè)計幾千臺實(shí)車驗(yàn)證，輕量化貨箱完全滿足使用要求，并在工程自卸車及渣土車上已廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐達(dá)，蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計.北京理工大學(xué)出版社.

[2]王廣勇，王剛.高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，2011（01）：1-5.

[3]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014，5（01）：1-16.

[4]張式程.汽車輕量化技術(shù)及其發(fā)展趨勢[C]. .第二屆汽車輕量化設(shè)計技術(shù)高級培訓(xùn)班講義.中國力學(xué)學(xué)會，2012：3-19+2.

[5]馬鳴圖，柏建仁.汽車輕量化材料及相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2006（06）：37-42.