車載安檢設(shè)備輕量化設(shè)計與應(yīng)用

劉溢溥， 孟志強

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

車載安檢設(shè)備是安裝到承載車輛上進行使用的一類安檢設(shè)備。因其機動性能好，適用于機場，海關(guān)，公安等多部門的現(xiàn)場流動安全檢查。 車載安檢設(shè)備的重量是改裝車輛選型的最重要限定條件之一。 以往應(yīng)對安檢設(shè)備過重的問題， 通常只能通過選擇更大規(guī)格的改裝車輛來予以解決。 這種粗放單一的解決方式帶來了車輛尺寸的增大，從而導(dǎo)致采購改裝成本的大幅度增加。而用戶對車載安檢設(shè)備的外形尺寸和價格的要求在不斷提高。因此，如何實現(xiàn)輕量化對于車載安檢設(shè)備的研制具有重要意義和迫切的現(xiàn)實需求。

輕量化的目標是在給定的邊界條件下， 盡可能減小結(jié)構(gòu)重量，同時滿足所需的性能要求。通過輕量化研究和應(yīng)用，將可以有效降低設(shè)備的重量，在車輛選型方面提供更廣闊的空間，同時降低車輛購置改裝費用。輕量化設(shè)計方法和技術(shù)在汽車工業(yè)取得了大量的研究成果和實際應(yīng)用， 為車載安檢設(shè)備的輕量化提供了重要的參考和解決方案[1]。車載安檢設(shè)備輕量化將成為解決現(xiàn)有設(shè)備過重的最直接途徑，也將成為后續(xù)的車載設(shè)備研發(fā)的趨勢。

1 車載安檢設(shè)備輕量化的基本流程

承載車輛的載重能力和外形尺寸是車載安檢設(shè)備設(shè)計的重要限定條件， 車載安檢設(shè)備的重量不能超過車輛的承載能力， 外形尺寸應(yīng)該滿足安裝到車上的要求。 車載安檢設(shè)備的安裝和使用情況如圖1所示。 安檢設(shè)備整體重量和尺寸作為開展輕量化設(shè)計的邊界條件。

圖1 車載安檢設(shè)備

針對車載安檢設(shè)備輕量化的需求， 采用了如圖2所示的設(shè)計流程。按照此設(shè)計流程，對安檢設(shè)備重新進行設(shè)計， 新方案通過分析驗證滿足性能要求后確定為最終方案。

圖2 車載安檢設(shè)備輕量化設(shè)計流程

1.1 設(shè)備重量分布統(tǒng)計與特性分析

為了使輕量化的目標更為明確和具體， 對設(shè)備進行了重量分布統(tǒng)計。設(shè)備內(nèi)部主要組件見圖3。在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Creo 中，通過二次開發(fā)的程序，統(tǒng)計了整個設(shè)備中所有零部件的重量。根據(jù)統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)，分析各個組件和零件的重量特性。

圖3 安檢設(shè)備內(nèi)部組件示意圖

設(shè)備零部件可以分為機械類結(jié)構(gòu)件和電子類元器件。電子類元器件如射線源和工控機等均為標準件，不作為修改的對象。 因此，輕量化主要以結(jié)構(gòu)件為修改對象。 對結(jié)構(gòu)件的重量進行了統(tǒng)計，主要結(jié)構(gòu)件質(zhì)量占比見表1。

表1 結(jié)構(gòu)件質(zhì)量占比統(tǒng)計表

結(jié)構(gòu)件中，質(zhì)量占比最大的依次為通道框架、外蓋板、輸送機和端接臺，其余均為小的結(jié)構(gòu)件。 輕量化設(shè)計主要從質(zhì)量占比最大的幾項結(jié)構(gòu)組件上開展。

1.2 輕量化的策略

根據(jù)重量分布統(tǒng)計和特性分析， 選定了開展輕量化的主要對象。 輕量化的基本策略是以結(jié)構(gòu)件小型化和輕型化為手段， 在考慮工藝難度和成本的基礎(chǔ)上盡可能降低設(shè)備的總重量。

輕量化的實現(xiàn)途徑通常包括結(jié)構(gòu)輕量化、 材料輕量化、工藝輕量化這三個方面。車載安檢設(shè)備的制造和連接工藝相對固定。外蓋板采用鈑金的形式，通道框架采用管材和板材焊接的方式， 電子元器件和結(jié)構(gòu)件之間的連接固定通常采用螺裝的方式。 所以車載安檢設(shè)備的輕量化主要從結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化兩個方面開展。

1.3 輕量化方案

輕量化方案的設(shè)計包含結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化兩個過程。在現(xiàn)有的設(shè)計方案基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)輕量化。結(jié)構(gòu)輕量化主要通過縮減零件尺寸和更改結(jié)構(gòu)形式兩個方面實現(xiàn)。 在完成結(jié)構(gòu)輕量化后，進行材料輕量化。 結(jié)構(gòu)輕量化主要是選擇合適的材料。 備選結(jié)構(gòu)材料為高強度鋼和鋁合金材料。

1.3.1 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化主要通過改變零件的尺寸和結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)重量的下降。

（1）縮減零件尺寸。原有射線源安裝板整體尺寸較大，存在大量不承重部分。分析其承重和連接功能后，對其進行優(yōu)化，保留必要的承重部分和連接部分，去除非必要部分。

圖4 射線源安裝板優(yōu)化前后對比圖

按照鋼材計算，優(yōu)化射線源安裝板4.4kg，優(yōu)化后為1.7kg，減重61.4%。

（2）更改零件結(jié)構(gòu)形式。原有端接臺的立板為框架焊接加鈑金外板的結(jié)構(gòu)。 在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，將立板改為了單層拍邊結(jié)構(gòu)。 三個面的立板均改為單層拍邊結(jié)構(gòu)。

按照鋼材計算，優(yōu)化前端接臺重量為27.7kg，優(yōu)化后為18.9kg，減重31.8%。

1.3.2 材料輕量化

安檢設(shè)備的結(jié)構(gòu)件材料通常選用鋼材質(zhì)的管材、板材和錠料。 根據(jù)車輛載重能力要求， 原有設(shè)計需要減重85kg 以上。 如果采用高強度鋼代替現(xiàn)有Q235 系列的鋼材，減重總量難以達到要求。 因此，新的設(shè)計方案中將大部分鋼材替換為鋁合金材料，鋁合金牌號為6061-T6。 鋼鋁結(jié)合的結(jié)果形式， 也是現(xiàn)在車輛輕型化方面通常采用的設(shè)計方式[2]。

設(shè)備的框架從原有的鋼管改為了鋁合金管； 原有的鋼板鈑金件替換為了鋁合金鈑金件； 部分連接件也采用了鋁合金材料。 以圖5 中的端接臺為例，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，材料由鋼材換為鋁材，質(zhì)量從18.9kg 下降為6.5kg。 結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化后的端接臺，較之最初的設(shè)計，質(zhì)量從27.7kg 下降到6.5kg，減重76.5%，減重效果明顯。

圖5 端接臺優(yōu)化前后對比圖

1.4 輕量化的效果

最終在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料替換基礎(chǔ)上完成了新的設(shè)計方案，主要組件輕量化前后的質(zhì)量對比見表2。 計算得到的設(shè)備總重量減少了197.6kg，可以滿足設(shè)備的減重需求。

表2 主要零部件重量統(tǒng)計表

2 設(shè)備框架的有限元分析模型和結(jié)果

新的設(shè)計方案中將設(shè)備框架的主要材料從鋼材更換為了鋁合金， 為了驗證新材料方案下整體框架結(jié)構(gòu)的強度滿足設(shè)計要求，建立了設(shè)備框架的有限元分析模型。通過有限元分析， 對比分析采用鋼材和鋁合金的兩種方案在兩種典型工況下的應(yīng)力情況，以驗證新方案的性能。

2.1 框架結(jié)構(gòu)的簡化模型

由于分析對象是設(shè)備的框架， 為了減少非必要零部件數(shù)量以提高計算效率，對框架模型進行了簡化。射線源組件、工控機組件、外蓋板、輸送機和端接臺等組件均被按照質(zhì)點進行處理。 整個框架結(jié)構(gòu)只保留了承重的管材框架和鈑金結(jié)構(gòu)。 簡化后的結(jié)構(gòu)模型見圖6。

圖6 簡化后用于有限元仿真的結(jié)構(gòu)模型

在該簡化模型中，用質(zhì)點的形式表示其他組件的質(zhì)量。在模型中建立了三個參考點RP-1、RP-2 和RP-3。 射線源和工控機的等效質(zhì)量添加在RP-1； 外蓋板的質(zhì)量被添加在RP-2； 輸送機和端接臺的質(zhì)量被添加在RP-3[3]。

2.2 框架的材料和工況

整個框架結(jié)構(gòu)分別采用鋼材Q235 和鋁合金6061-T6 材料，材料參數(shù)見表3。按照該材料參數(shù)設(shè)置有限元模型中的材料參數(shù)。

表3 鋼材Q235 和鋁合金6061- T6 材料參數(shù)

選取了兩種典型工況進行結(jié)構(gòu)框架的強度分析， 分別為緊急制動工況和緊急轉(zhuǎn)彎工況。 緊急制動工況和緊急轉(zhuǎn)彎工況下兩種材料框架受到的約束和載荷情況，見圖7。 除了重力作用，框架結(jié)構(gòu)還分別受到制動載荷和轉(zhuǎn)彎載荷的作用。 框架底部焊接有四塊安裝板，用以框架的固定。 整個框架受到重力載荷和緊急制動載荷（或緊急轉(zhuǎn)彎載荷）的作用。

圖7 框架約束和載荷情況

2.3 有限元分析結(jié)果

兩種典型工況條件下兩種材質(zhì)框架的受力情況見圖8，圖9。 兩種工況下的最大應(yīng)力情況統(tǒng)計，見表4。

圖8 制動工況下框架應(yīng)力圖

圖9 轉(zhuǎn)彎工況下框架應(yīng)力圖

表4 兩種材質(zhì)框架在兩種工況下的最大應(yīng)力

從以上分析結(jié)果可以看出， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化并采用了鋁合金材料的框架，最大應(yīng)力值略小于鋼材框架。這是由于框架承受的主要載荷為通道頂部的射線源、 工控機和固定在設(shè)備頂部的蓋板，框架自重影響相對較小。

2.4 結(jié)構(gòu)強度評定

選定的鋁合金6061-T6 屈服極限，安全系數(shù)n=3，許用應(yīng)力。實際最大應(yīng)力。滿足強度要求。采用鋁合金材料的框架結(jié)構(gòu)可以滿足設(shè)備的性能要求。

3 結(jié)論

按照車載安檢設(shè)備輕量化的設(shè)計流程， 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和選用鋁合金材料的方式完成了車載安檢設(shè)備新方案的設(shè)計。采用新設(shè)計的車載安檢設(shè)備，實現(xiàn)在整體重量的大幅下降。通過有限元分析，驗證了采用鋁合金作為車載安檢設(shè)備框架結(jié)構(gòu)主材的可行性。