重型自卸车底板结构分析与轻量化

张凯，陈韬，伍丽娜

（1.中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，湖北 武汉 430056；2.汉阳专用汽车研究所，湖北 武汉 430056）

前言

近些年城市建设飞速发展，我国的基建投资保持着中速增长的态势，自卸车作为城市建设中的主力车型其市场销量持续增长。自卸车被行业内普遍看好的环境，各大厂商为了能在市场竞争中取得优势，势必需要对自卸车产品进行不断的地升级换代。随着国家在节能环保相关政策的推进与落实，市场认识到轻量化是汽车工业的发展方向，如何对自卸车进行设计优化以减轻其整备质量、提高装载量，从而降低油耗，已经成为各改装厂企业产品设计的主要研究方向之一[1,2]。本文对某款重型自卸车底板结构进行分析，校核底板结构刚强度并对其进行优化分析，以达到轻量化目的。

1 自卸车底板结构

图1所示为市场某款重型自卸车底板结构模型，该自卸车底板结构为4纵梁结构，主要由底板大板和筋骨折弯件焊接组成，底板尺寸7400*2300mm，底板大板材料选用NM450，筋骨材料选用LG700XL，材料性能参数如表1所示。该自卸车设计最大承载质量 70t，运输介质为砂石，运输工况为公路运输，作业环境为局部小坑洼地段。

图1 自卸车底板结构模型

表1 材料性能参数表

2 底板结构有限元分析

2.1 有限元模型

自卸车车厢满载货物倾倒初始时刻是车厢结构最为严重的受力工况，此时整个车厢被举起，车厢底部纵梁与副车架分离，车厢由举升油缸支座和车厢底部倾翻座支撑。车厢底板由于货物作用会发一定的变形，底板纵横梁交错焊接位置为高应力区域，从终端客户反映的使用情况发现，部分车厢该位置会产生裂纹现象，结合车厢结构和使用情况分析可知，主要原因是车厢底板结构刚强度不足。本文将利用有限元方法对车厢底板结构进行举升工况分析与优化，以提高车厢结构刚强度并最大化实现轻量化[3]。

底板结构主要由底板大板和折弯件焊接组成，都是薄壁件，有限元分析时采用壳单元进行模型，单元类型主要选用四边形单元，底板结构有限元模型单元总数为397336个，其中三角形占比为0.57%，未超过5%，符合一般工程结构分析有限元建模规范。

2.2 边界条件及载荷

本文分析只针对底板结构，有限元分析时约束底板与侧板、前板交接处节点的竖直方向自由度（图中红色高亮区域），后倾翻座支撑底板后端，分析时约束倾翻座5个自由度、释放横向转动自由度（图中黑色区域）。考虑底板自重，利用压强载荷模拟货物载重，压强大小为：

式中：p底板为底板压强；G为货物载重；S为底板上表面面积。

图2 底板结构边界条件示意图

2.3 分析结果

对自卸车底板进行边界条件及载荷施加，分析举升工况下底板结构的刚强度性能，分析结果如下：

1）图3显示底板结构最大变形为30.4mm，位于底板中间处（为便于观察变形趋势，云图中变形放大5倍，具体变形值没有增大）；

图3 底板结构变形云图

2）图4显示底板结构中部纵横梁交接位置区域（云图中黑色区域）最大等效应超过了材料许用应力。从分析结果来看，底板结构在该工况下存在一定的屈服失效风险，需对结构进行优化改进设计。

图4 底板结构等效应力云图

3 底板结构优化

3.1 优化设定

本文将通过尺寸优化方法对厢体各结构零部件进行优化，从而达到轻量化目的。自卸车车厢底板的轻量化设计问题为优化设计问题，其数学模型可以定义为：

式中s.t表示约束条件，x为变量，f（x）为目标函数，minf（x）表示目标函数取最小值。

基于上述优化数学模型，对底板结构进行优化，优化三要素如下：

1）优化变量：部件板厚。

2）优化约束：底板最大变形不超过20mm、高应力区域减小且应力满足强度条件。

3）优化目标：质量最小化。

3.2 优化结果

优化后各部件厚度如表2所示，对部件板厚取整后再次进行仿真分析。

图5-7显示为优化后底板结构的变形及应力云图，分析结果如下：

1）图5显示底板结构最大变形为19.1mm，相比原结构变形30.4mm减小了37.2%。

表2 优化后底板结构部件厚度

2）图6-7显示底板结构部分区域（云图中黑色区域）最大等效应超过了许用应力。相比原底板结构，优化后结构高应力区域要小得多，只有极少量单元超过材料许用应力，对整体结构性能影响较小，符合设计要求。

3）原底板总成重2074kg，优化后底板总成2007kg，重量减轻67kg。

图5 优化后底板变形云图

图6 优化后底板应力云图

图7 原结构与优化后结构应力对比

4 结论

本文通过有限元方法对重型自卸车底板结构进行了分析与优化，结果表明：原底板结构设计存在一定屈服失效风险，不能满足举升工况作业要求；优化后的车厢底板结构变形减小37.2%，结构强度满足要求，底板总成减重67kg。通过仿真技术及优化方法能够有效地为底板结构优化设计提供设计参考。