CAE分析在轻量化自卸车设计中的应用

陈志斌 赵守颢

摘 要：为了节能降耗，降低制造成本，提升自卸车产品性能，本文基于CAE建模分析，应用高强度钢板设计，实现了自卸车车箱轻量化的研究。在满足强度要求的前提下总质量减少了10%，达到了轻量化目的。

关键词：自卸车车箱设计 CAE分析 轻量化 高强度板

1 前言

传统设计主要增大货箱的材料厚度，加强相关结构，使货箱自重越来越重，导致整车采购成本和运输成本居高不下，企业和用户的利润空间缩小。国外研究表明：一般情况下，车重每减轻10%，可节省燃油3%-7%。可见快速发展自卸车轻量化、低消耗设计势在必行。

为了适应多种运输工况的要求，自卸车的设计也广泛应用了新材料，新技术，新工艺，新结构，在满足使用功能的前提下，货箱重量得到有效降低，从而提高了整车载质量利用系数，降低用户的使用成本。

2 轻量化设计的趋势

汽车轻量化的目的是减轻重量，节能，减少污染。轻量化要有原则的，不是减轻重量就行，减轻重量了减轻质量了不能降低强度，不能降低安全性，不能降低汽车的舒适性，有些轻量化的做法，可能在这些方面没有达到要求。对于轻量化自卸车来说，国内主要应用高强度钢、铝合金材料等，通过先进的制造工艺包括成形、辊压等方面应用。

近年来，国内轻量化自卸车也得到了快速发展，超薄高强钢的应用，外形结构多半是矩形箱体，边板田字格或井字格;随着自卸车轻量化趋势的发展，结合国外先进技术，U型箱体也越来越被推广应用。

轻量化技术虽然在国内得到了一定的发展，但与欧洲国家比较还有很大差距;欧洲专用车设计和制造水品世界领先，轻量化步伐走在全球的前列。欧洲自卸车大多采用轻量化设计，材料主要为铝合金/高强度钢/塑料和复合材料等，在欧洲国家的自卸车普遍采用高强度板，并选用U形车箱结构，边板和底板无横竖筋骨架，在减轻自重和提高载重都有一定的优点，为客户创造更大效益;重心低、稳定性好、卸货快。

3 轻量化自卸的设计

3.1 轻量化设计思路

为了适应自卸车市场的需求，提升自卸车的品质，赢得更多的市场资源，根据工况和载货质量，选择国内知名钢厂不同等级的高强度钢代替普通钢板，通过CAE建模分析，分别对货箱总成和各组件分别受载后的应力分布及强度位移变化情况进行分析，应用高强度钢板代替普板设计以实现轻量化的结果。

高强度板与普通低碳钢相比，具有耐磨性好、抗冲击性高、会弹性好、具有非常好的可焊性等优点，被广泛应用于飞机、高铁和汽车等交通工具中。另一方面具有相对力学性能特性。高强度板应用到轻量化自卸车中具有自重轻、载重更大、箱体使用寿命更长等优点。

采用CAE分析软件，对新结构轻量化自卸车进行以下结构优化设计，使箱体结构及各部件总成受力达到最佳状态。

（1）箱体采用矩形田字格结构（筋缩窄）或边板和底板无横竖筋骨架，外形简单;

（2）车箱主要材料使用高强板700L或1250耐磨钢（NM360）;边板底板采用压模成型技术，与传统车厢比较结构更强，材料性能更加优良。

3.1.1 材料属性-静态数据

自卸车箱设计材料属性表：

3.1.2 轻量化箱体分析模型

（1）对箱体用10mm网格大小进行划分，焊缝采用RBE3+PENTA+RBE3进行模拟。

如图1所示：

3.1.3 分别对零部件底板总成、边板总成、前板总成、后板总成建模，从两种工况应力分析：

工况一：货箱在静载工况下（最大载质量20.5t）的强度。

工况二：货箱在举升0度工况下（最大载质量20.5t）的强度

结论和建议如下 （分析结果见上图）：

（1）静载工况：底板最大应力为628.9MPa，底板骨架最大应力为359.1MPa，侧板最大应力382MPa，侧板骨架最大应力为268.5MPa，前板最大应力156MPa，后板最大应力295.9MPa。

（2）举升0°工况：底板最大应力为668.7MPa，底板骨架最大应力为381.7MPa，侧板最大应力443.7MPa，侧板骨架最大应力为261.3MPa，前板最大应力302.6MPa，后板最大应力295.7MPa。

（3）最大应力与安全系数表如表2：

分析结论：内应力值越大风险越大，安全系数值越大安全系数越高。货箱材料选用AG600-AG700L或1250耐磨钢（NM360），是安全的，设计满足要求。

3.1.4 CAE分析结果评价（表3）

从上述应力云图可以看出，在静态时，车箱各部件总成均未超出高强板材料的屈服极限（T700L或1250耐磨钢（NM360）），轻量化车箱的结构设计是合理的;分析过程中，动载系数取1.5，分析结果趋于安全。

4 结论（结果应用）

通过CAE模拟分析，轻量化自卸车箱采用T700高强度钢（如果采用1250耐磨钢NM360，承载力会加大）有效降低货箱自重，节约了成本，确保其结构承载的可靠性，笔者通过几年的设计几千台实车验证，轻量化货箱完全满足使用要求，并在工程自卸车及渣土车上已广泛应用。

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