基于Hypermesh的洗扫车水箱有限元分析

张明慧 尹腾飞 李斌 刘建培

河南森源重工有限公司 河南长葛 461500

1 前言

随着国民对环境质量的要求逐渐提高，市场上对道路清扫类环卫车辆尤其是洗扫车的需求量日益增大，而此类车型的底盘改造余地较小，其结构设计主要在上装部分。洗扫车上装主要由水箱、垃圾箱、副发动机、风机等组成，其中，水箱是供水系统中不可缺少的组成部分[1]，水箱能否稳定地存储水资源对整车的工作性能有较大的影响，所以对水箱的研究是洗扫车设计的重要内容。

洗扫车的清水箱由前清水箱和垃圾箱内的清水箱两部分组成，前清水箱置于驾驶室后，副发动机之前，垃圾箱内的清水箱与垃圾箱设计成一体，位于垃圾箱的前端和底部[2]。本文重点以某型号洗扫车的前清水箱为例，对其进行有限元分析，根据分析结果对水箱结构进行适当的优化。

2 物理模型

如图1所示，水箱由外蒙皮、加强筋、水隔板1、水隔板2和底架等几部分组成。其中水隔板贯穿于水箱内部，由上、下水隔板组成，两组隔板将水箱分为三个腔。水箱材料均为Q235B,其中底架板材壁厚为6 mm，水箱其余板材壁厚均为3 mm。水箱的关键参数如表1所示。

表1 水箱的关键参数

图1 水箱物理模型

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

为提高有限元分析的效率和网格质量，在对水箱进行有限元分析时，在真实反映该水箱主要力学特性的前提下，尽可能地选取较少的节点和单元，对水箱结构的力学模型进行简化[3]：a. 焊接和螺纹连接等连接对力和力矩传递可靠，且不考虑焊接过程对结构的影响；b. 承载区的载荷均布；c. 结构上的小圆角、倒角、工艺孔等工艺因素不予考虑；d. 由于水箱绝大部分结构是由各种不同厚度的板材支撑，因此采用板壳单元模拟具有足够的精度，同时可以大大提高计算速度。

抽取水箱三维物理模型中面，采用壳单元进行网格划分，根据水箱大小设置网格尺寸为5.0 mm，划分后的节点数量为1 083 713，单元数量为1 085 940，完成的有限元模型如图3所示。

3.2 边界条件

3.2.1 约束施加

水箱通过紧固拉马螺栓固定在底盘上，对紧固拉马螺栓孔周边节点约束其所有自由度，水箱底架下平面紧贴底盘纵梁上平面，约束其垂直于底盘上面方向的移动自由度。

图2 水箱有限元模型

3.2.2 载荷施加

车辆在制动、转弯过程中，会使水箱里的水产生附加惯性力，该惯性力与水所受的重力一起对水箱壁面产生压力。因此洗扫车水箱所承受的工况有以下3种：a. 静载：水箱承受水压和水箱自重；b. 紧急制动：水箱承受水压、水箱自重和制动时产生的运动方向的惯性冲击力；c. 紧急转弯：水箱承受水压、水箱自重和转弯所产生的垂直于运动方向的惯性冲击力。将罐体所受惯性力按照公式(1)转换为压力进行施加[4]。

式中，P为施加压力，MPa；A为罐体在垂直于对应运动方向的投影面面积，纵向方向为4.36×106mm2，横向方向为1.67×106mm2；a为罐体的加速度[5]，纵向方向为6×103mm×s-2，横向方向为1.25×103mm×s-2；其他参数如表1所示。

3.3 分析结果

将建立的有限元模型，在HyperMesh中软件按照3.2.1、3.2.2所述，进行约束和载荷的施加，以及计算求解，得到不同工况下水箱的应力与变形云图，分别如图3～6所示，图中应力单位为MPa，变形单位为mm。

图3 水箱变形云图

图4 水箱应力云图

图5 水隔板变形云图

图6 水隔板应力云图

由以上分析结果可知：a. 水箱下半部分的位移大于其他部分，且呈半椭圆形；b. 水箱有限元分析结果整体显深色，且比较均匀，绝大部分应力值小于100 MPa，但水箱的最大应力超过500 MPa，主要集中在零件间的接缝处；c. 水隔板下端应力值较大，超过了材料的屈服强度。因此，水箱结构的强度和刚度不满足设计要求，需要进行结构优化。

4 结语

通过对洗扫车水箱的物理模型进行有限元分析，得出水箱的最大应变出现在水箱下半部分的中部、最大应力出现在水箱零件间接缝处的结论。通过采取水隔板均匀布置、水箱前板下端加撑进行加固、水隔板人孔由方形改为圆形或椭圆形、增强零件间接缝处的焊接质量等措施，对水箱进行优化后应用于实际产品的生产中，延长了水箱的使用寿命、缩短了产品的开发周期、提升了水箱结构的强度和刚度。