基于多工況的畜禽運(yùn)輸車車廂骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)*

黃大偉，郭成榮，傅愛軍，田永康，龔運(yùn)息

(1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣西柳州,545006;2.中國重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力專用汽車有限公司,廣西柳州,545112)

0 引言

我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,對于畜禽產(chǎn)品有著極大的需求。因此,畜禽運(yùn)輸車有著比較大的市場。新中國成立初期,我國公路運(yùn)輸不發(fā)達(dá),于是長途運(yùn)輸畜禽主要還是依賴鐵路運(yùn)輸。20世紀(jì)80年代,J5、J6車型才逐漸具備了長途運(yùn)輸大型家畜的能力。我國在此之后的畜牧運(yùn)輸車車廂主要為欄板式、倉柵式畜禽運(yùn)輸車[1]。鄭清晨等[2]設(shè)計(jì)的客車型畜禽運(yùn)輸車,整車突破了以往的貨車布置形式,首次采用客車結(jié)構(gòu)進(jìn)行畜禽運(yùn)輸。現(xiàn)階段我國的畜禽車設(shè)計(jì)也在不斷進(jìn)步,為了防止豬疫,采用了全封閉式車廂進(jìn)行運(yùn)輸,同時(shí)車內(nèi)也有換氣、喂食、排便等配置。

當(dāng)今世界能源緊缺,油價(jià)快速飛漲,汽車每減重12%就可以減少7.2%左右的燃油消耗[3]。因此近些年來,對汽車的輕量化研究愈發(fā)火熱。貨箱作為卡車的主要承載部件,對燃油經(jīng)濟(jì)性起著很重要的作用[4-5]。劉釗等[6]通過對自卸車車廂的靜態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況分析,對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了23.72%的減重率;王金剛等[7]通過對翼開啟式車廂骨架的有限元分析,對鋁合金式車廂骨架進(jìn)行了強(qiáng)度和模態(tài)分析,根據(jù)分析結(jié)果對車廂骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。李中凱等[8]對礦用卡車貨廂進(jìn)行了勻速行駛和舉升卸貨兩種工況的分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)中選用超丁拉立方抽樣得到樣本點(diǎn),選擇RBF(徑向基函數(shù))擬合出函數(shù)模型,在使用NSGA-2(非支配排序遺傳算法)進(jìn)行迭代計(jì)算,從帕雷托解集中獲得了多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果,在對目標(biāo)方案進(jìn)行工況驗(yàn)證。材料的選取在輕量化中也承擔(dān)了很重要的角色,例如使用高強(qiáng)度鋼板對普通鋼板的替換,對普通鋼材使用鋁合金,鎂合金、碳纖維等材料進(jìn)行替換等[9-10]。

本文以8×4畜禽運(yùn)輸車車廂骨架為研究對象,利用HyperMesh軟件建立某畜禽運(yùn)輸車車廂骨架的有限元模型,在其滿載狀態(tài)下,車廂主體在垂向、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)3種工況下進(jìn)行分析。

1 畜禽車車廂簡介

本文研究的8×4畜禽車是運(yùn)輸豬、羊等中小型家畜。車廂主要材質(zhì)為鋁合金,長為9 192 mm,寬為2 553 mm,高為2 642 mm,分為3層,中間通過24扇隔門進(jìn)行分欄,一共12欄。車廂與副車架進(jìn)行連接,再通過U型螺栓與主車架相連。通過UG建立車廂的三維模型,如圖1所示。

圖1 車廂系統(tǒng)三維數(shù)模

車廂包括三層地板、左右側(cè)板、頂蓋、可升降頂蓋、空調(diào)艙、外骨架、升降尾門、內(nèi)部隔門、內(nèi)骨架及相關(guān)蒙皮附件。

2 畜禽車模型的處理

2.1 建立模型

在HyperMesh中建立車廂的有限元模型如圖1所示。設(shè)置OptiStruct求解器,畜禽載重與可升降頂蓋、內(nèi)部隔門、升降尾門等相關(guān)附件使用質(zhì)量單元MASS代替,忽略影響貨箱骨架的一些蒙皮。依據(jù)企業(yè)設(shè)計(jì)與工藝要求,對整體車廂的焊接與螺栓的剛性連接采用RBE2剛性單元代替。螺栓孔需要用washer處理,劃分完網(wǎng)格單元后檢查網(wǎng)格質(zhì)量。中間支柱與地板之間的連接也使用RBE2剛性單元模擬連接[11],車廂骨架有限元模型如圖2所示,采用四邊形和三角形混合網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分,雖然網(wǎng)格越精細(xì),對于有限元模擬越準(zhǔn)確,但考慮到計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算量,本次設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸為10～20 mm,整個(gè)車廂骨架的結(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 218 059個(gè),網(wǎng)格單元數(shù)量為1 293 658個(gè)。

2.2 設(shè)定材料參數(shù)

車廂主體為6061-T6鋁合金型材焊接而成,副車架橫梁和縱梁為LG700XL,中間支柱為Q235B,車廂的主要材料屬性如表1所示。

表1 車廂主要材料屬性

3 畜禽車工況分析

3.1 約束條件

車廂與副車架的聯(lián)接形式為第一層地板下的螺栓連接,副車架與底盤縱梁之間通過U形螺栓固聯(lián)在一起。因?yàn)檐嚰艿淖冃瘟勘容^小,在設(shè)置約束時(shí)除了螺栓處的x,y,z三個(gè)方向的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度,還需約束通過U形螺栓連接的副車架縱梁底部與底盤接觸區(qū)域的結(jié)點(diǎn),約束其三個(gè)平動(dòng)方向自由度。并根據(jù)靜力等效原則對貨廂的相關(guān)質(zhì)量進(jìn)行替代,畜禽質(zhì)量(每層可以裝45～50頭100 kg的豬,一共15 000 kg)、內(nèi)部隔門、可升降頂蓋、空調(diào)門、可升降尾門,忽略蒙皮等附件質(zhì)量,明細(xì)如表2所示。

表2 相關(guān)質(zhì)量明細(xì)

3.2 三種代表工況分析

對于畜禽運(yùn)輸車的車廂,選取了垂向、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)三種代表靜力學(xué)工況進(jìn)行分析。

垂向工況為滿載下考慮路面不平度激勵(lì),動(dòng)載系數(shù)取2,故施加垂向2 g的重力加速度,約束為U形螺栓孔的6個(gè)自由度和副車架縱梁底部與底盤接觸區(qū)域結(jié)點(diǎn)的三個(gè)平動(dòng)方向自由度;轉(zhuǎn)向工況為垂向1 g重力加速度,側(cè)向0.4 g的加速度,約束條件和垂向工況相同;制動(dòng)工況為垂向1 g重力加速度,縱向?yàn)?.7 g的制動(dòng)加速度,約束條件與垂向工況一致[12-13]。

通過Hyperview可以得出3種工況下的仿真結(jié)果,如圖3所示,由于焊縫出的應(yīng)力集中,查得在這些工況下,最大應(yīng)力位于垂向工況時(shí)副車架的第二根橫梁與縱梁連接處,應(yīng)力為299.99 MPa,安全系數(shù)為2.43。整個(gè)車廂上裝主體的應(yīng)力都比較小,大部分區(qū)域都在100 MPa以下。最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況,大小為3.61 mm。

(a) 三種工況下的應(yīng)力云圖

綜上,第一層地板、左右側(cè)板、頂蓋、二三層地板、空調(diào)倉、內(nèi)骨架等區(qū)域剛強(qiáng)度富余比較大,具有一定的輕量化空間。

4 畜禽車模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析相關(guān)理論

對于n自由度比例阻尼,系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程[14]

(1)

式中:M0——系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;

δ0——系統(tǒng)位移向量;

C0——系統(tǒng)阻尼矩陣;

K0——系統(tǒng)剛度矩陣。

4.2 自由模態(tài)分析

了解畜禽車車廂的固有頻率及振動(dòng)形式是否合理,為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的評價(jià)提供參考。通過將車廂固有頻率與路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的對比,可以判斷結(jié)構(gòu)是否存在共振,分析共振對整體噪聲產(chǎn)生的影響[15]。本車型發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī),怠速轉(zhuǎn)速為700 r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率計(jì)算如式(1)所示。

(2)

式中:f——激勵(lì)頻率;

m——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;

s——?dú)飧讛?shù);

S——發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

得出本車型發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率為35 Hz。經(jīng)過Hyperview后處理并觀察,得出車廂自由模態(tài)的分析結(jié)果如表3所示。

表3 車廂自由模態(tài)的分析結(jié)果

從表3與圖4中可以看出,本車廂固有頻率都不在上述頻率區(qū)間內(nèi),不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,即不會(huì)發(fā)生地板彎曲模態(tài)和廂體扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

(a) 車廂一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)

5 畜禽車車廂骨架靈敏度分析與尺寸優(yōu)化

5.1 靈敏度分析

靈敏度分析是目前比較常見的工程分析手段,通常通過此分析可以快速找出對原結(jié)構(gòu)性能影響最大的一些設(shè)計(jì)變量,特別是在零件多且復(fù)雜的一些模型中,可以快速查找并篩選出對性能影響最大的一些零件,并有針對性地對其進(jìn)行優(yōu)化,提升優(yōu)化效率[16]。

畜禽運(yùn)輸車的車廂是通過多數(shù)的鋁合金型材、方管等焊接而成的具有三層地板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu),對車廂的頂蓋、空調(diào)倉、內(nèi)部主體、地板、副車架等進(jìn)行優(yōu)化,相應(yīng)結(jié)構(gòu)組成的厚度參數(shù)就會(huì)很龐大。于是通過對車廂93個(gè)部件厚度屬性為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析,篩選出優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量。在OptiStruct軟件中,本文以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo),一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、轉(zhuǎn)向工況最大位移為約束條件。在保證車廂的主體骨架的綜合性能要求下,可以同時(shí)滿足車廂的性能需求,并能更好的篩選出靈敏度大的部件,本文引入相對靈敏度分析[17-18],即模態(tài)的相對靈敏度為一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值,轉(zhuǎn)向工況最大位移的相對靈敏度為轉(zhuǎn)向工況最大位移靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值。

SMm=|SM/Sm|

(3)

STm=|ST/Sm|

(4)

式中:SM——一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度;

ST——轉(zhuǎn)向工況最大位移相對靈敏度絕對值;

Sm——質(zhì)量靈敏度;

SMm——一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的相對靈敏度;

STm——轉(zhuǎn)向工況最大位移的相對靈敏度。

SMm、STm的大小表示著一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和轉(zhuǎn)向工況對車廂性能的影響,SMm、STm的值越大,說明部件的厚度對它們各自的性能影響越大。為了看上去更加直觀,將分析數(shù)據(jù)描繪成直方圖,如圖5、圖6所示。

圖5 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)相對靈敏度絕對值

圖6 轉(zhuǎn)向工況最大位移相對靈敏度絕對值

通過對比SMm、STm數(shù)據(jù),剔除了93個(gè)設(shè)計(jì)變量中的1,6,47,50,51,52這6個(gè)設(shè)計(jì)變量。

5.2 尺寸優(yōu)化

對上述通過靈敏度分析得出的87部件以厚度為設(shè)計(jì)變量,質(zhì)量最小為目標(biāo),應(yīng)力和位移為響應(yīng),進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型[19]

(5)

(6)

式中:xi——設(shè)計(jì)變量,i=1,2,3,…,87;

ximax、ximin——第i個(gè)設(shè)計(jì)變量上限值和下限值,本文為原設(shè)計(jì)變量厚度值的±30%;

MASS——畜禽車廂體質(zhì)量;

maxDISPLACEMENT——轉(zhuǎn)向工況下的最大位移;

maxSTRESS——3種工況下的最大應(yīng)力大小;

Qimax——各設(shè)計(jì)變量對應(yīng)屬性的屈服強(qiáng)度。

如圖7所示,經(jīng)過3次迭代后得出車廂質(zhì)量3.408 t,經(jīng)過圓整后的新的車廂質(zhì)量為3.432 t,對其再次進(jìn)行工況分析和模態(tài)分析,得出了強(qiáng)度,位移以及模態(tài)的變化。尺寸優(yōu)化的結(jié)果如表4所示,由于設(shè)計(jì)變量太多,故省略一部分優(yōu)化結(jié)果。

表4 車廂主體部件尺寸優(yōu)化

圖7 車廂質(zhì)量優(yōu)化迭代過程

對優(yōu)化后的車廂再次進(jìn)行三種工況和模態(tài)分析驗(yàn)證,并比較優(yōu)化前后車廂的質(zhì)量及相關(guān)分析結(jié)果。如表5所示。通過對比得出,扭轉(zhuǎn)模態(tài)和強(qiáng)度均得到了提升,車廂質(zhì)量減重448 kg,減重率達(dá)11.5%。

表5 車廂優(yōu)化前后質(zhì)量及相關(guān)分析結(jié)果對比

6 結(jié)論

1) 建立畜禽運(yùn)輸車的車廂骨架,先將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件HyperMesh中,通過模型簡化,抽取中面,劃分網(wǎng)格,添加連接,賦予材料,添加約束和施加載荷,再分別對其進(jìn)行了垂向、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)三種工況分析得出車廂骨架的大部分剛度和強(qiáng)度都過盈。

2) 對其進(jìn)行了模態(tài)分析,由分析結(jié)果可以看出車廂的危險(xiǎn)振型一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和一階彎曲模態(tài)的頻率均避開了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的激勵(lì)頻率和路面激勵(lì)頻率。

3) 車廂進(jìn)行靈敏度分析,通過相對靈敏度的值,挑選出對車廂一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和轉(zhuǎn)向工況最大位移影響小的部件,基于多種工況對車廂性能影響小的部件進(jìn)行尺寸優(yōu)化,最終在保證車廂的性能安全下,畜禽車廂減重了448 kg,減重率達(dá)11.5%。對于批量生產(chǎn),降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本,并提升了畜禽運(yùn)輸車的燃油經(jīng)濟(jì)性。