鋁合金廂式運輸半掛車的輕量化設(shè)計

肖開政

（福建省閩鋁輕量化汽車制造有限公司，南平354200）

0 前言

從裸露倉欄柵板半掛運輸車到按統(tǒng)一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的新能源封閉式廂式運輸車的出現(xiàn)是汽車發(fā)展史上的一個標(biāo)志性變革，這預(yù)示著公路運輸正式步入安全、文明、高效的時代。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)今歐美等發(fā)達國家?guī)杰囌嫉截涍\汽車總量的90%以上[1]。相比之下，我國廂式車的起步較晚，技術(shù)薄弱，市場占有量不高，并且仍以模仿歐美專用汽車為主。

新能源車輛技術(shù)的越發(fā)成熟、基礎(chǔ)運輸業(yè)的不斷完善以及各地方法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、政策的大力支持，廂式運輸車將保持高速增長態(tài)勢。與此同時，國家對節(jié)能、環(huán)保日益重視，行業(yè)追求低碳綠色的輕量化設(shè)計已成為必然趨勢[2-3]。特別是近年來傳統(tǒng)鐵質(zhì)瓦楞車廂、鋼塑復(fù)合板車廂因自身重、裝載小、隔熱效果差等原因，逐步被各行業(yè)用戶所淘汰，而鋁合金輕量化車廂所帶來的后期節(jié)能效益倍受關(guān)注。鋁合金是實用金屬中最具輕量化設(shè)計理念的金屬，其密度僅為2.7，大約是鋼密度的三分之一。用鋁合金型材制造的廂式運輸半掛車重量相較于鋼制廂式車，不僅具有20%～30%的減重優(yōu)勢，還具備強度高（如7××× 系高強鋁合金）、抗震減噪、材料回收利用率高等優(yōu)點，對促進運輸車領(lǐng)域的輕量化進程有著重要的意義[4-5]，更符合當(dāng)今環(huán)保、安全、節(jié)能的節(jié)約型社會主題。

縱觀歐美廂式車的發(fā)展史，輕量化技術(shù)始終貫穿其中。改變結(jié)構(gòu)設(shè)計、運用先進的工藝技術(shù)以及選用輕質(zhì)材料是現(xiàn)今車企探索的三大方向，其中最顯成效的應(yīng)屬廂體型材技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新。本文在調(diào)研國內(nèi)外廂式半掛車輕量化進程的基礎(chǔ)上，以本公司某一全鋁箱式運輸半掛車的研發(fā)產(chǎn)品為分析對象，基于有限元分析軟件ANSYS 對其可能出現(xiàn)的幾種典型工況進行了結(jié)構(gòu)強度分析，得出最大應(yīng)力薄弱區(qū)域及強度校核方案。

1 結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計依據(jù)

1.1 廂體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用鋁合金型材替代現(xiàn)行的鋼制廂式運輸半掛車骨架結(jié)構(gòu)來建立有限元結(jié)構(gòu)模型，并遵循各項相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)要求對某鋁合金箱式運輸半掛車結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計[6-8]。

廂體主體結(jié)構(gòu)是由6 ×× × 系鋁合金底板總成、鋁合金側(cè)圍總成、前圍總成、門板以及5×× ×系鋁合金蒙皮組成。同時，局部加強件是由高強鋼（B510L）通過鉚接和焊接技術(shù)進行連接。設(shè)定4組常見工況（彎曲、前墻、側(cè)墻、叉車）對廂式運輸車進行靜力學(xué)分析。

1.1 鋼鋁混合掛車結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到路況和超載問題，為了保證車架的可靠性，車架縱橫梁仍以B510L（Q345B）高強鋼材骨架為核心，其余部件采用比強度高的6×× ×系鋁合金。湖南大學(xué)謝鋒對類似鋁合金車架的不確定性建立了車架的不確定多目標(biāo)優(yōu)化模型，并且利用區(qū)間序關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為確定性多目標(biāo)優(yōu)化模型[9]；華南理工大學(xué)的周云郊等人對車身前端結(jié)構(gòu)鋼鋁混合材料進行了輕量化設(shè)計，在綜合考慮總質(zhì)量、前縱梁后端峰值碰撞力等性能的鋼鋁混合材料與板厚組合多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型中，得到了較優(yōu)的鋼鋁試用比[10]。本文在綜合考慮鋼和鋁之間電化學(xué)效能不同、電極電位相差較大、易發(fā)生電化學(xué)腐蝕以及其他物理方面性能差異大等因素后，采用機械連接的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖1所示。

圖1 鋼鋁混合車架有限元模型

2 有限元模型的建立

汽車在行駛過程中，不允許出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂或塑性變形以及表面損壞等狀況，其強度是車架滿足基本要求的前提和保證。車架強度分析方法主要有經(jīng)典的近似解法以及數(shù)值法（數(shù)值法含能量法、邊界元法、有限元法），目前常用的主要是有限元分析方法。有限元分析是一種集計算機科學(xué)、理論力學(xué)、離散數(shù)學(xué)等為一體的數(shù)值求解分析方法，也是目前專用車領(lǐng)域進行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用較為廣泛的工具。通過該方法可以得到該模型結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、應(yīng)變的計算結(jié)果，進而對車架強度、剛度進行校核，以保證結(jié)構(gòu)安全。

本文根據(jù)三維數(shù)模的幾何模型，綜合考慮了相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)而建立了某廂式運輸半掛車有限元模型，所有規(guī)則的型材均用殼單元模擬。殼單元基本尺寸30 mm，翹曲度＜15°，傾斜度＜60°，長寬比＜5，四邊形最小內(nèi)角45°，最大內(nèi)角135°，三角形最小內(nèi)角20°，最大120°。不僅如此，模型還充分考慮了焊接質(zhì)量的規(guī)范要求。由此建立的箱式運輸車模型包括1 267 653 個單元、2 104 448 個節(jié)點和70 847個焊點單元。

載荷處理方面，以GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計》中的相關(guān)規(guī)定作為參考指標(biāo)，在半掛車有限元模型中進行重量加載，即貨物重量以質(zhì)量點形式均勻分布到相應(yīng)區(qū)域的節(jié)點上，鵝頸式底架及箱式車身自重按所給密度和結(jié)構(gòu)尺寸均由程序自動施加上。

3 典型工況下的強度校核

設(shè)定彎曲、前墻、側(cè)墻、叉車4組工況對箱式運輸車進行靜力學(xué)分析。車輛在行駛中由于路面不平整，可能會引起不同程度的顛簸，進而對車身產(chǎn)生一定的沖擊載荷，因此在計算彎曲工況時考慮了一定的動載系數(shù)，一般在1.5～2.5 之間（本文設(shè)定彎曲工況動載荷系數(shù)為2.0）。前墻工況、側(cè)墻工況、叉車工況根據(jù)廂式貨車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T389 2010《廂式貨車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進行設(shè)置。

3.1 水平彎曲工況

彎曲工況計算主要模擬箱式運輸車在良好路面下勻速直線行駛時的應(yīng)力分布和變形情況，是對箱式運輸車在滿載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度和剛度進行校核。根據(jù)GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計》中結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形的規(guī)定，對箱式運輸車底板施加32 t的均布載荷。

其約束條件為：對牽引銷XYZ 向的平動自由度及X 向的轉(zhuǎn)動自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z方向的平動自由度進行約束。有限元分析結(jié)果如表1所示：箱式車身鋼制部分最大應(yīng)力值為317.4 MPa；鵝頸式底架部分的最大應(yīng)力值為262.8 MPa；鋁地板最大應(yīng)力值為175.3 MPa。相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖2所示。

表1 失效區(qū)域應(yīng)力最大值

圖2 彎曲工況下的應(yīng)力云圖

圖3 設(shè)計方案的變更及優(yōu)化

根據(jù)表1 所示，我們對該結(jié)構(gòu)做了必要的優(yōu)化，對有一定強度冗余的區(qū)域進行輕量化的改進，對存在安全隱患的部位進行強度補償。如圖3 所示，于底架鵝頸處安裝基座上增加了一塊6 mm 的角鋼進行結(jié)構(gòu)補強，對前端梁與前鎖座的連接結(jié)構(gòu)進行了一定的優(yōu)化——增大焊縫的設(shè)計長度以達到提高抗撕裂性的目的。

3.2 前墻工況

前墻工況的有限元分析主要在于考慮箱式運輸車在滿載狀態(tài)下出現(xiàn)緊急制動時，貨物對箱式車身前墻結(jié)構(gòu)的影響。文中對箱式運輸車前墻施加12.8 t 的均布載荷。邊界約束條件為：對牽引銷XYZ向的平動自由度、X向的轉(zhuǎn)動自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z 方向的平動自由度進行約束。其整體等效應(yīng)力及位移云圖如圖4 所示。

由前墻工況下骨架應(yīng)力云圖和變形情況可知，前墻工況最大應(yīng)力值為187.6 MPa，出現(xiàn)在前墻底部橫梁與鋁底板焊縫上，符合強度要求；前墻工況最大變形量為78.22 mm，出現(xiàn)在前墻型材中心上。

圖4 前墻工況下的應(yīng)力及變形云圖

圖5 箱式車身前墻三角板調(diào)整示意圖

考慮到前墻的局部應(yīng)力偏高，對相應(yīng)的地方做了調(diào)整，如圖5中方框示意處：將箱式車身前墻頂蓋三角板材料由鋼調(diào)整為厚度為4 mm的6682鋁合金，這樣可避免材料突變引起應(yīng)力集中現(xiàn)象；將前墻板厚度由原來的1.6 mm 調(diào)整為1.8 mm。雖然每片型材將增重2.01 kg，整個前墻將增重16.36 kg，但是整體強度及最大變形量（下降到42.37 mm）得到了有效控制，在制動工況下，具有更強的抗沖擊能力。

3.3 側(cè)墻工況

側(cè)墻工況的有限元分析主要在于考慮箱式運輸車在滿載狀態(tài)下出現(xiàn)緊急轉(zhuǎn)彎時，貨物對箱式車身側(cè)墻結(jié)構(gòu)的影響。轉(zhuǎn)彎時箱式運輸車車身除承受貨物及車輛重力作用外，還受到側(cè)向慣性力的作用。當(dāng)箱式運輸車向左轉(zhuǎn)時，側(cè)向慣性力向右；當(dāng)箱式運輸車向右轉(zhuǎn)時，側(cè)向慣性力向左。文中對箱式運輸車側(cè)墻施加12 t 的均布載荷。邊界約束條件為：對牽引銷XYZ 向的平動自由度、X 向的轉(zhuǎn)動自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z 方向的平動自由度進行約束。其整體等效應(yīng)力及位移云圖如圖6和圖7所示。其最大應(yīng)力值為215.2 MPa，出現(xiàn)在側(cè)墻第二道門鎖桿上方上，最大變形量為16.69 mm，出現(xiàn)在右側(cè)墻門上，完全符合相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 側(cè)墻工況下運輸車應(yīng)力云圖

圖7 側(cè)墻工況下鋁型材變形云圖（放大30倍）

對于側(cè)墻工況變形較大處的補強方式，本文采取的是在鋁合金廂車前懸鵝頸下邊梁處添加一塊加強版，以增加整體架構(gòu)的強度，如圖8所示。

圖8 側(cè)墻工況下廂車（放大30倍）

3.4 叉車工況

叉車工況模擬箱式運輸車在裝載貨物時出現(xiàn)的集中載荷對箱式底板結(jié)構(gòu)的影響。叉車位置如圖8所示。對箱式運輸車底板局部區(qū)域施加4.5 t的集中載荷，其約束條件為：對牽引銷XYZ 向的平動自由度、X 向的轉(zhuǎn)動自由度、左后三輪YZ 向自由度以及右后三輪Z方向的平動自由度進行約束。

圖8 叉車工況叉車位置示意圖

等效應(yīng)力及位移云圖如圖9 所示。叉車1 位置最大應(yīng)力值為171.9 MPa，出現(xiàn)在叉車位置1 鋁合金底板上；叉車2 位置最大應(yīng)力值為174.5 MPa，出現(xiàn)在叉車位置2 鋁合金底板上；叉車3 位置最大應(yīng)力值為138.0 MPa，出現(xiàn)在叉車位置3 鋁合金底板上；叉車4 位置最大應(yīng)力值為158.6 MPa，出現(xiàn)在叉車位置4鋁合金底板上。

圖9 叉車工況下箱式運輸車不同叉車位置應(yīng)力云圖

根據(jù)上述對叉車工況的有限元分析結(jié)果可知，叉車的行駛軌跡會承受較大的載荷應(yīng)力及變形，而相應(yīng)的應(yīng)力集中反應(yīng)在鋁合金底板與底板縱、橫梁連接處。在該車型的路試（頻繁的上下叉車）過程中，局部出現(xiàn)了底橫梁與底板焊縫開裂的情況（疲勞開裂），這也直接驗證了此處結(jié)構(gòu)的薄弱性[11-13]。由于該區(qū)域的最大應(yīng)力并無超過材料的許用應(yīng)力值，則最佳的解決措施在于提高焊縫結(jié)構(gòu)的強度。本文一方面增加了底板型材與橫梁的接觸面，相應(yīng)增加了連接處的焊縫長度，另一方面也優(yōu)化了相關(guān)的焊接工藝，有效提高了該處的承載情況。

4 結(jié)束語

以我公司某鋁合金廂式運輸半掛車主體骨架為研究對象，采用有限元模型分析了應(yīng)力分布狀況，根據(jù)不同工況下各個部位的不同受力特點進行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)校核及優(yōu)化，對應(yīng)力集中過大處進行了補強，對非承重部位進行了輕量化設(shè)計。結(jié)果證明，該車型結(jié)構(gòu)在滿足強度要求的同時有效減重達26.33%（相較于原鋼結(jié)構(gòu)），對同類箱式運輸半掛車的輕量化研究有一定的借鑒意義。