固体废物转运车车身刚度分析

贾占举， 徐江， 吴光辉， 王涵之， 何风， 顾文露， 杨辉青

（中国核动力研究设计院，成都610005）

0 引言

核电站的放射性废物最少化与工艺设计和运行管理水平密切相关[1]，因此在群堆模式下，需要完成对各工号产生的放射性废物进行收集、打包，并转运至放射性废物处理设施进行集中处理后转运至暂存库暂存。集中处理后的废物包形式主要有废物钢桶[2]及废物钢箱[3]。

废物体及废物包在各设施间的转运过程中频繁使用到固体废物转运车。其中车身是废物转运车的关键总成，车身结构强度是评价车辆安全性的重要指标之一[4]，此外因为放射性屏蔽等方面要求，废物转运车车身结构的设计尤为重要。固体废物转运车车身刚度也是设计的重要指标之一，因废物包质量较大，车身刚度不足时遇到道路颠簸可能会发生大变形，影响废物转运安全。同时，固体废物转运车车身刚度低也会导致整车固有频率低，行驶过程中振动增加，对废物安全转运产生不利影响[5]。

本文利用有限元法，首先借助Hypermesh对车身进行离散，得到有限元模型，进而在ABAQUS中完成了车身弯曲刚度、扭转刚度及模态分析，结果表明，废物转运车车身弯曲刚度、扭转刚度及模态均满足设计要求。

1 数值模型建立

本文采用有限元法对车身进行刚度计算，首先借助Hypermesh软件完成了车身的工艺数模网格划分。网格划分时，考虑到车身的薄板特性，在Hypermesh中对车身板壳抽中面后使用板壳单元进行网格划分。同时，为了提高计算精度减少误差，网格划分以四边形单元为主、三角形单元为辅进行离散，平均单元尺寸为6 mm，焊接采用WELD和RBE2单元模拟[6]。离散完成后四边形单元422 849个，三角形单元14 369个，三角形单元比例3.3%。车身数模及有限元模型如图1所示。

图1 车身数模及有限元模型

废物转运车车身主体材料为ST13及ST14，其力学特性如表1所示。

表1 车身材料特性

为了更准确地评估刚度计算结果，本次分析在车身分布了一系列考核点，分列车身左右侧共8组16个点，其位置如图2所示。

图2 考核点在车身的分布

2 转运车车身弯曲刚度分析

2.1 弯曲刚度有限元分析边界条件

固体废物转运车车身弯曲刚度主要考察车身纵向的承载能力和抗弯能力。若弯曲刚度不足，承载能力会降低，将直接影响整车的疲劳强度，降低整体的使用性能[7]。

为了在加载时避免应力集中及方便施加约束条件，在前后悬约束位置及驾驶室与货箱的加力位置分别建立多个节点的RBE3单元联合体。

弯曲刚度计算的约束条件：在前悬架弹簧支座处约束X、Y、Z向移动自由度，在钢板弹簧安装处约束Z向移动自由度。

弯曲刚度计算的加载条件：弯曲工况中，驾驶室的施力物体是乘客与座椅，施力方式是总重通过座椅与车身连接处施加在车身地板上，一个座椅和一个乘客共重100 kg，同时需要乘以动载系数2.5，力的加载位置在座椅安装处共8个，每个位置载荷为612.5 N；货箱的施力物体是桶装货包，最大载货量1670 kg，将16 415 N平均施加于货箱地板上，如图3所示。

图3 固体废物转运车车身弯曲刚度有限元分析边界条件

2.2 分析结果

在弯曲工况下，废物转运车的车身Z向变形图如图4所示。通过变形云图可以看出，转运车车身位移等值线过渡自然，无突变，说明车身变形状态良好。车身最大挠度值为1.262 mm。根据弯曲刚度计算公式为

得到废物转运车车身弯曲刚度EI=（612.5×8+16415）÷1.262=16890 N/mm，满足设计要求。

以考核点的X坐标值为横坐标，以车身弯曲时在各考核点产生的转角为纵坐标，得到弯曲变形曲线，如图5所示。

图4 车身Z向变形图

图5 弯曲工况车身底部挠度曲线图

从弯曲工况车身底部挠度曲线图看，曲线无突变，弯曲变形良好。车身两侧变形一致，在弯曲工况下没有倾覆的风险。

3固体废物转运车车身扭转刚度分析

3.1 扭转刚度有限元分析边界条件

车身扭转刚度主要考察车身的抗扭性能。如果扭转刚度不足，会引起门框、货箱变形过大，导致车门卡死、密封不严，进而使货包振动。

扭转刚度计算的约束条件：在钢板弹簧安装处约束X、Y、Z移动及转动自由度，在保险杠中间约束Z向自由度。

扭转刚度计算的加载条件：计算车身扭转刚度时，施加的载荷是在左右前悬架弹簧支座处一对大小相等方向相反的铅垂力。需要施加的转矩值T=0.5×前轴最大载荷×轮距=4131.68 N·m，左右前悬支点距离为1035.99 mm，需要施加集中力大小为3988.15 N。因此，在前左悬架弹簧支座处施加Z向大小为3988.15 N的集中力，在前右悬架弹簧支座处施加-Z向大小为3988.15 N的集中力，如图6所示。

3.2 分析结果

在扭转工况下，废物转运车的车身Z向变形图如图7所示。通过变形云图可以看出，转运车车身位移等值线过渡自然，无突变，说明车身变形状态良好。

扭转刚度计算公式为

式中，θ为扭角，θ＝arctan[（|Z1-Z2|）/Y]，其中Z1、Z2为左右加载点Z向位移，Y为左右加载点Y向距离。

计算得到扭转刚度为14574 N·m/（°）。

车身扭转时产生的转角随考核点的X坐标值的变化关系如图8所示。

图6 固体废物转运车车身扭转刚度有限元分析边界条件

图7 车身Z向变形图

图8 扭转工况变形曲线图

从扭转变形曲线看，曲线无突变，该车扭转变形良好，最大扭转角为0.162°，在设计工况下不会发生较大变形，满足设计要求。

4 固体废物转运车车身模态分析

固体废物转运车转运过程中要保证转运时的安全，并要求车身振动小运行平稳来减少转运时长，从而减少人员受照时间。车身的模态和振动密切相关，如果车身模态不和废物转运车转运废物时激振频率相同，那么废物转运车车身将不发生共振，振动就很小。

车身模态是固体废物转运车的固有特性，与载荷和阻尼无关，因此不加载相关的边界条件[8]。此外，考虑到废物转运车运行时激振频率一般较低，因此我们只分析前15阶的频率振型，分析结果如表2所示。

可以得到，整车扭转模态（1阶）为39.878 Hz，整车弯曲模态（1阶）为46.326 Hz，比实际情况中大部分的激振频率要高，不会引发共振现象。其他阶数振型为车身部件局部振动，对整车模态影响较小。

表2 固体废物转运车车身模态分析结果

5 结论

本文基于有限元法对固体废物转运车车身性能进行了验证分析。首先基于Hypermesh建立了车身有限元模型，然后分别对弯曲刚度、扭转刚度及模态进行了计算分析，结论如下：

1）车身的弯曲刚度为16 890 N/mm，车身扭转刚度为14 574 N·m/（°），满足设计要求。

2）设计工况下弯曲变形曲线和扭转变形曲线均无突变，不会发生较大变形，满足安全使用要求。

3）整车扭转模态（1阶）为39.878 Hz，整车弯曲模态（1阶）为46.326 Hz，比实际情况大部分的激振频率要高，不会引发共振现象。