重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂輕量化耐久技術(shù)應(yīng)用

趙陽(yáng)，顧林豪，張巖，劉旭明，李彬周，董現(xiàn)春

(1.鞍鋼集團(tuán)北京研究院，北京 102211；2.鞍鋼集團(tuán)北京研究院高性能計(jì)算中心，北京 102211；3.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043)

21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)對(duì)礦產(chǎn)資源的強(qiáng)勁需求促進(jìn)了礦山行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，大中型礦山占比逐年增長(zhǎng)。在大中型礦山開(kāi)采過(guò)程中，使用大噸位的礦用自卸車(chē)可以顯著降低開(kāi)采成本[1]。重型礦用自卸車(chē)整車(chē)整備質(zhì)量占比中車(chē)廂的占比水平在15%～25%，目前，國(guó)內(nèi)礦用自卸車(chē)車(chē)廂制造材料仍以普通結(jié)構(gòu)鋼Q235鋼板為主，少量部位使用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345鋼板，與國(guó)際輕量化先進(jìn)水平存在較大差距。

跟隨有限元仿真軟件發(fā)展的潮流，中國(guó)多位學(xué)者對(duì)礦用自卸車(chē)車(chē)廂的有限元分析進(jìn)行了研究。馬洪鋒等[2]采用ADAMS 對(duì)礦用自卸車(chē)車(chē)廂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析；余振偉等[3]采用ANSYS三維實(shí)體單元對(duì)自卸車(chē)車(chē)廂進(jìn)行了多工況受力分析；董志明等[4]采用Workbench殼-實(shí)體混合單元對(duì)自卸車(chē)車(chē)廂進(jìn)行了多工況受力分析；石金鵬等[5]采用APDL語(yǔ)言對(duì)SGA3723礦用汽車(chē)貨箱進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

近3年來(lái)，礦用自卸車(chē)車(chē)廂的研究逐漸分化為兩種模式：HyperWorks模式[6-8]，Workbench模式[9-10]。其中HyperWorks模式主要集中在高等院校，其特點(diǎn)是將乘用車(chē)領(lǐng)用的HyperWorks研究模式應(yīng)用于礦用自卸車(chē)領(lǐng)域，但是該模式對(duì)研究人員要求較高，難以快速推廣。而Workbench模式主要集中在鋼鐵企業(yè)中，該模式具有技術(shù)難度低，易推廣的特點(diǎn)，但是仿真精度不如HyperWorks模式?，F(xiàn)開(kāi)發(fā)一種基于Workbench模式的混合單元參數(shù)化有限元建模分析技術(shù)，降低參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)在礦用自卸車(chē)車(chē)廂研究中的應(yīng)用門(mén)檻，為廣大礦用自卸車(chē)生產(chǎn)企業(yè)提供一種科學(xué)有效的輕量化方法，促進(jìn)高強(qiáng)鋼板在中國(guó)重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂上的推廣和使用。

1 混合單元參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)

1.1 礦用自卸車(chē)車(chē)廂仿真的技術(shù)特點(diǎn)

在有限元結(jié)構(gòu)仿真分析時(shí)選用不同的單元類(lèi)型可以獲得不同的計(jì)算精度和不同的計(jì)算效率，研究表明自卸車(chē)車(chē)廂采用殼單元和實(shí)體單元混合建模方式，可以獲得最優(yōu)的計(jì)算精度和計(jì)算效率[11-12]。但是，單元的混用會(huì)對(duì)模型參數(shù)在建模軟件與仿真軟件之間的傳遞產(chǎn)生影響，此時(shí)已經(jīng)無(wú)法通過(guò)軟件間的參數(shù)傳遞協(xié)議完成混用單元的參數(shù)化傳遞工作[13-14]，需要APDL語(yǔ)言[15]HyperMesh、Optistruct[16]等專(zhuān)業(yè)化操作甚至Python[17]語(yǔ)言的編程二次開(kāi)發(fā)操作才能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化傳遞與尋優(yōu)分析，由于技術(shù)門(mén)檻較高，因此該技術(shù)一般用于乘用車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)或者高校的學(xué)術(shù)研究中，且存在日漸復(fù)雜化的趨勢(shì)。

礦用自卸車(chē)是一種特殊的商用車(chē)，由于其結(jié)構(gòu)特殊，與常規(guī)自卸車(chē)車(chē)廂不通用，礦用自卸車(chē)車(chē)廂的研究者多集中在礦車(chē)制造公司，此類(lèi)公司普遍采用行業(yè)通用的SolidWorks作為三維繪圖工具，員工的有限元分析能力與高等院校和乘用車(chē)生產(chǎn)企業(yè)有著較大的差距。礦用自卸車(chē)車(chē)廂輕量化研究人員對(duì)輕量化技術(shù)的要求是簡(jiǎn)單高效易于操作，因此經(jīng)驗(yàn)法和試錯(cuò)法仍是其主流研究方法，由此造成研發(fā)周期長(zhǎng)、誤差大，嚴(yán)重阻礙了高強(qiáng)鋼板在中國(guó)礦用自卸車(chē)車(chē)廂上的推廣和使用。

結(jié)合礦用自卸車(chē)車(chē)廂輕量化工作的研究者的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種適合礦用自卸車(chē)車(chē)廂的低門(mén)檻的參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)，方便尋優(yōu)技術(shù)在礦用自卸車(chē)車(chē)廂生產(chǎn)企業(yè)中快速推廣，并應(yīng)用于某150 t重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂輕量化生產(chǎn)中，使用Q690D和NM450完成了車(chē)廂輕量化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，優(yōu)化后的車(chē)廂已完成兩年以上的上路檢驗(yàn)，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 混合單元參數(shù)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

從學(xué)習(xí)成本角度出發(fā)，礦用自卸車(chē)科研工作者所需要的參數(shù)尋優(yōu)技術(shù)必須兼顧其所熟悉的SolidWorks繪圖工具，以避免二次學(xué)習(xí)成本和二次建模成本的產(chǎn)生，對(duì)比多款仿真軟件，最終選擇了操作簡(jiǎn)單、易于上手的Workbench作為后續(xù)仿真分析及尋優(yōu)軟件，但是二者間的參數(shù)化傳遞，尤其是混合單元的參數(shù)化傳遞是需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。

在進(jìn)行混合單元參數(shù)化傳遞時(shí)，首先通過(guò)SolidWorks的建模優(yōu)化，將模型分為需要?dú)卧W(wǎng)格劃分的子模型1和需要實(shí)體單元網(wǎng)格劃分的子模型2，針對(duì)子模型1采用生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有的三維模型在SolidWorks中進(jìn)行抽取中面操作，獲取殼單元所需的曲面結(jié)構(gòu)；針對(duì)子模型2，由于關(guān)鍵承載件多是有鋼板折彎焊接而成，采用生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有的三維模型在SolidWorks中進(jìn)行實(shí)體模型簡(jiǎn)化，還原為鋼板結(jié)構(gòu)并抽取中面，獲得通過(guò)拉伸即可生成實(shí)體的曲面結(jié)構(gòu)[18]。

將上述模型導(dǎo)入到Workbench的直接建模工具Spaceclaim中，對(duì)子模型1所對(duì)應(yīng)的曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行如圖1所示的分組和參數(shù)化賦予，對(duì)子模型2對(duì)應(yīng)的曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行如圖2所示的進(jìn)行拉伸操作生成參數(shù)化實(shí)體，并完成參數(shù)化工作。

圖1 子模型1殼單元參數(shù)化流程

圖2 子模型2殼單元參數(shù)化流程

如圖3所示，將完成參數(shù)化后的子模型1和子模型2合并保存導(dǎo)入到Workbench中，即可完成參數(shù)化傳遞工作，通過(guò)子模型的方式解決了殼單元和實(shí)體單元同時(shí)參數(shù)化建模難度大的問(wèn)題[16]。然后通過(guò)Workbench的Design Exploration模塊進(jìn)行參數(shù)化尋優(yōu)。即可完成基于混合單元參數(shù)化的重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)耐久研究流程搭建工作。該技術(shù)中所有操作均為軟件基本操作，盡可能地降低了礦用自卸車(chē)車(chē)廂的參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)門(mén)檻。便于在礦用自卸車(chē)車(chē)廂生產(chǎn)企業(yè)中快速推廣。

2 混合單元參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 混合單元參數(shù)化模型應(yīng)用

以某150 t重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂為例，預(yù)期采用先進(jìn)的高強(qiáng)鋼(NM450和Q690D)代替普通的結(jié)構(gòu)鋼(Q235)，首先獲得礦山公司提供三維SolidWorks模型，然后按照?qǐng)D3所述的基于混合單元的參數(shù)化傳遞方法，對(duì)于車(chē)廂板等寬厚比較大的部件，采用殼單元進(jìn)行參數(shù)化建模；對(duì)于車(chē)廂底部如鉸接支座等結(jié)構(gòu)復(fù)雜且承受較大縱向壓力的關(guān)鍵承載件，采用實(shí)體單元進(jìn)行參數(shù)化建模；通過(guò)SolidWorks操作將模型分為子模型1和子模型2，并按照?qǐng)D3所述流程完成參數(shù)化傳遞到有限元分析軟件Workbench中。完成后的有限元模型。具體如圖4所示，模型共包括39 959個(gè)殼單元(37 467個(gè)節(jié)點(diǎn))和5 868個(gè)實(shí)體單元(29 188個(gè)節(jié)點(diǎn))。

圖3 基于混合單元參數(shù)化尋優(yōu)流程

圖4 某150 t重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂參數(shù)化示意圖

2.2 原車(chē)廂應(yīng)力評(píng)估

礦用自卸車(chē)車(chē)廂輕量化分析前，需要確定原車(chē)廂在不同工況下的受力情況，此處采用4種常用工況作為評(píng)判依據(jù)，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 原車(chē)廂四種工況應(yīng)力評(píng)估

工況1：極限滿載工況，考慮重型自卸礦車(chē)裝載貨物為大塊礦石，在縱梁間的幾個(gè)局部區(qū)域添加150 t載荷，前后懸架位置為固定約束，對(duì)整車(chē)施加標(biāo)準(zhǔn)重力Standard Earth Gravity。車(chē)廂最大應(yīng)力46.28 MPa位于兩側(cè)下縱梁前部。

工況2：極限滿載彎扭復(fù)合工況，模擬左前輪懸空的工況，在此情況下，右前懸掛與后部懸掛采用固定約束，限制其x、y、z3個(gè)方向的自由度。車(chē)廂最大應(yīng)力89.768 MPa位于右下縱梁前部。

工況3：滿載啟動(dòng)工況，分析滿載啟動(dòng)時(shí)車(chē)廂中所載貨物對(duì)車(chē)廂整體的受力影響。此處采用0.3 m/s2的啟動(dòng)加速度，為表征貨物在啟動(dòng)加速度下對(duì)車(chē)廂的沖擊力，采用Point Mass的形式添加載荷，使其與車(chē)廂底部受力位置相連接，變形行為為Deformable。車(chē)廂最大應(yīng)力102.28 MPa位于右下縱梁前部。

工況4：滿載制動(dòng)工況，分析滿載剎車(chē)時(shí)車(chē)廂中所載貨物對(duì)車(chē)廂整體尤其是前車(chē)廂板的受力影響。此處采用0.3 m/s2的制動(dòng)加速度，其余工況與滿載啟動(dòng)一致，車(chē)廂最大應(yīng)力207.32 MPa位于右下縱梁前部。

由分析結(jié)果可知，不同工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下縱梁前部，這是由于礦用自卸車(chē)車(chē)廂裝載貨物特性以及自卸車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)有關(guān)，原設(shè)計(jì)采用Q235作為車(chē)廂材料，其屈服強(qiáng)度為250 MPa，按照1.5的安全系數(shù)折算，許用應(yīng)力為167 MPa，可知在工況1～工況3的情況下，結(jié)構(gòu)有足夠的安全余量，但是在工況4的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全余量不足。

2.3 參數(shù)化尋優(yōu)及安全校核

為了采用先進(jìn)的高強(qiáng)鋼(NM450和Q690D)代替普通的結(jié)構(gòu)鋼(Q235)完成輕量化設(shè)計(jì)，需要對(duì)前板等5個(gè)部位進(jìn)行參數(shù)化尋優(yōu)，首先將材料設(shè)定為Q690D，然后通過(guò)Workbench設(shè)定兩個(gè)尋優(yōu)目標(biāo)，分別為工況4的最大應(yīng)力和車(chē)廂總重，通過(guò)Direct Optimization模塊設(shè)定尋優(yōu)目標(biāo)1為：應(yīng)力最大值不大于300 MPa；尋優(yōu)目標(biāo)2為車(chē)廂總重最小，即可選用Adaptive Multiple-Objective模式進(jìn)行尋優(yōu)，均為基本操作，簡(jiǎn)單易行。設(shè)計(jì)變量初始選取范圍及尋優(yōu)圓整后的結(jié)果如表1所示。

表1 尋優(yōu)及參數(shù)圓整

將尋優(yōu)圓整后的結(jié)果參數(shù)代入4種工況進(jìn)行受力分析，其受力云圖分別如圖6所示。

圖6 輕量化車(chē)廂四種工況應(yīng)力評(píng)估

由圖6可知：4種工況的最大應(yīng)力分別為：60.147、129.61、134.4和305.15 MPa。通常尋優(yōu)后的最優(yōu)解各部位鋼板厚度不為整數(shù)，無(wú)法直接用于生產(chǎn)，圓整后結(jié)果非最優(yōu)解，因此會(huì)出現(xiàn)工況四的最大應(yīng)力略超尋優(yōu)目標(biāo)的情況，此為參數(shù)化尋優(yōu)的正常情況。由于輕量化后的鋼板選材為Q690D和NM450，其中Q690D的屈服強(qiáng)度為700 MPa，NM450的屈服強(qiáng)度為1 100 MPa，選取2.0的安全系數(shù)時(shí)，Q690D和NM450的許用應(yīng)力分別為350 MPa和550 MPa，4種工況的最大應(yīng)力均處于安全范圍內(nèi)。

2.4 基于6 sigma的結(jié)構(gòu)耐久研究

礦用自卸車(chē)車(chē)廂有限元模型是車(chē)廂結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，存在鋼板厚度波動(dòng)、板形不良、焊縫局部軟化、焊縫不完全對(duì)齊等多種影響因素，在實(shí)際使用過(guò)程中，亦存在結(jié)構(gòu)局部變形、車(chē)廂鋼板磨損減薄等影響因素，在礦用自卸車(chē)車(chē)廂設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這些影響因素。尤其是車(chē)廂鋼板磨損后結(jié)構(gòu)剛度下降情況下的使用安全性問(wèn)題，方可提高輕量化設(shè)計(jì)的安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)的耐用性。

將Workbench的基于6 sigma統(tǒng)計(jì)評(píng)估法的可靠性分析方法引入到重型自卸礦車(chē)車(chē)廂的應(yīng)力分析中，利用6 sigma分析模塊參數(shù)化模型厚度波動(dòng)來(lái)表征車(chē)廂鋼板磨損后的最大應(yīng)力情況，由于其他因素與車(chē)廂鋼板磨損的影響效果類(lèi)似，因此通過(guò)放大車(chē)廂鋼板磨損量，即可模擬其他影響因素對(duì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響，應(yīng)力最大的工況4為例，未采用該方法以輕量化后車(chē)廂最大應(yīng)力為305.15 MPa，設(shè)定前板等5個(gè)部位厚度值的5%的作為參數(shù)化波動(dòng)，如圖7所示，此時(shí)最大應(yīng)力符合均值為305.81 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差13.062 MPa的正泰分布式，在最極端的情況下，最大應(yīng)力仍小于350 MPa，滿足Q690D的2倍安全系數(shù)要求，整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)安全可靠。

圖7 滿載制動(dòng)工況6 sigma分析結(jié)果

前板厚度與最大應(yīng)力的關(guān)系圖如圖8所示，可以看出對(duì)于前板12 mm為應(yīng)力最小值，也驗(yàn)證了參數(shù)化尋優(yōu)結(jié)果的正確性。

圖8 前板厚度波動(dòng)與最大應(yīng)力關(guān)系圖

3 重型自卸礦車(chē)車(chē)廂的制造工作

3.1 下料和冷成型

輕量化車(chē)廂生產(chǎn)的第一步是根據(jù)圖紙進(jìn)行鋼板下料，下料采用等離子切割設(shè)備，保證原料鋼板尺寸的精度。鋼板下料完成后利用折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行冷成型，加強(qiáng)筋通過(guò)折彎?rùn)C(jī)彎曲成所需形狀，加強(qiáng)筋主要以“U”字形為主。

3.2 焊接制造

下料和冷成型完成后，進(jìn)行車(chē)廂的焊接制造。輕量化車(chē)廂為全焊接結(jié)構(gòu)，焊接制造是生產(chǎn)過(guò)程中重要組成部分，第一階段進(jìn)行底板和側(cè)板加強(qiáng)筋的焊接，以及半車(chē)廂的組對(duì)焊接；第二階段進(jìn)行總裝焊接。根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，制定了輕量化車(chē)廂不同焊縫的焊接工藝規(guī)程和焊接規(guī)范?？傃b焊接主要有4種不同的焊縫，分別為焊縫A、焊縫B、焊縫C和焊縫D，均為CO2氣體保護(hù)焊，具體焊接工藝如下焊后車(chē)廂如圖9所示。

圖9 輕量化車(chē)廂焊接制造圖

(1)焊縫A。底板縱焊縫預(yù)熱焊接，預(yù)熱溫度為120 ℃，層間溫度范圍為120～200 ℃。

(2)焊縫B。前擋板縱焊縫預(yù)熱，預(yù)熱溫度為120 ℃，層間溫度范圍為120～200 ℃。

(3)焊縫C。前擋板橫焊縫，搭接，不預(yù)熱，仰焊，層間溫度范圍為120～200 ℃。

(4)焊縫D。前擋板橫焊縫，搭接，不預(yù)熱，平焊，層間溫度范圍為120～200 ℃。

3.3 探傷

焊縫的液體滲透探傷(penetrant testing，PT)和超聲波探傷(ultrasonic testing，UT)是檢驗(yàn)焊接接頭表面缺陷的主要方法。如圖10所示，為保證車(chē)廂結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)車(chē)廂焊接的所有焊縫進(jìn)行著色和超聲波探傷，檢查焊接接頭表面的缺陷情況，對(duì)出現(xiàn)缺陷的焊縫及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)探傷檢測(cè)，保證車(chē)廂的焊接接頭和焊縫在投入生產(chǎn)應(yīng)用前不出現(xiàn)任何缺陷。

圖10 車(chē)廂焊縫PT探傷和UT探傷

4 重載自卸車(chē)車(chē)廂輕量化運(yùn)營(yíng)分析

輕量化后車(chē)廂已經(jīng)投入某礦山使用2年，跟蹤數(shù)據(jù)表明原車(chē)廂自重27 t，輕量化車(chē)廂自重22 t，輕量化車(chē)廂減重5 t，車(chē)廂減重18.52%。

原車(chē)廂油耗均值為928.47 kg/(萬(wàn)t·km)，輕量化車(chē)廂油耗均值為927.01 kg/(萬(wàn)t·km)。單耗降低1.46 kg/(萬(wàn)t·km)，降幅為0.16%。年節(jié)約柴油量為51 841.4 kg，年節(jié)約柴油經(jīng)濟(jì)效益約26萬(wàn)元。

跟蹤數(shù)據(jù)表明，原車(chē)廂板每萬(wàn)噸物料平均磨損量為0.103 6 mm，輕量化車(chē)廂板每萬(wàn)噸物料平均磨損量為0.056 mm。新車(chē)廂的磨損量相當(dāng)于原車(chē)廂的54.05%，使用壽命為原車(chē)廂的2倍左右。

由于運(yùn)營(yíng)狀況良好，每月減少維檢費(fèi)用2萬(wàn)元，年經(jīng)濟(jì)效益為24萬(wàn)元。

5 結(jié)論

(1)開(kāi)發(fā)了一種適合礦用自卸車(chē)車(chē)廂生產(chǎn)企業(yè)的低門(mén)檻參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)。將需要參數(shù)化建模的殼單元和實(shí)體單元模型分成子模型1和子模型2，然后分別用不同的方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，最后合并后實(shí)現(xiàn)參數(shù)化尋優(yōu)，該方法極大的降低參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)在礦用自卸車(chē)車(chē)廂研究中的應(yīng)用門(mén)檻，為廣大礦用自卸車(chē)生產(chǎn)企業(yè)提供一種科學(xué)有效的輕量化方法，促進(jìn)高強(qiáng)鋼板在中國(guó)礦用自卸車(chē)車(chē)廂上的推廣和使用。

(2)提出了一種基于6 sigma的結(jié)構(gòu)耐久研究技術(shù)，針對(duì)車(chē)廂生產(chǎn)和使用過(guò)程中車(chē)廂板磨損等引起的結(jié)構(gòu)剛度下降問(wèn)題，從概率的角度定量化描述了車(chē)廂輕量化后的結(jié)構(gòu)耐久安全問(wèn)題，相較于疲勞分析技術(shù)，能更量化車(chē)廂板磨損后造成的結(jié)構(gòu)剛度下降的影響，為礦用自卸車(chē)車(chē)廂輕量化提供了一種結(jié)構(gòu)耐久分析的思路。

(3)利用混合單元參數(shù)化尋優(yōu)技術(shù)對(duì)某150 t重載礦用自卸車(chē)車(chē)廂進(jìn)行了輕量化尋優(yōu)，使用Q690D和NM450完成了車(chē)廂輕量化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)兩年的客戶跟蹤車(chē)廂結(jié)構(gòu)安全可靠，輕量化后車(chē)廂減重5 t(減重比18.52%)，單車(chē)年節(jié)約燃油和維檢費(fèi)用約50萬(wàn)元，車(chē)廂耐久壽命為原車(chē)廂的2倍左右。