基于有限元的纯电动压缩式垃圾运输车侧护栏的轻量化设计

刘晓辉 燕志军

摘要：针对新设计的纯电动压缩式垃圾运输车侧护栏，即需要满足国家汽车质量监督检验中心的强制要求，还要满足纯电动汽车对轻量化的要求。首先分析《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》对侧护栏的强制认证要求，类比已经试验验证的同类型钢质侧护栏，绘制三维模型并导入有限元分析软件，按照强制认证条件对其进行有限元分析并记录分析结果;然后参照钢质侧护栏绘制铝质侧护栏三维并导入有限元分析软件，按照强制认证条件对其进行有限元分析并记录分析结果，经对比分析发现铝合金材质的侧护栏也是满足国家强制认证要求的;最后委托国家汽车质量监督检验中心（襄阳）对其进行强制认证，发现铝质侧护栏也满足国家强制性认证标准，从而验证了基于有限元的纯电动压缩式垃圾运输车侧护栏的轻量化设计方法是可行性的。

关键词：侧护栏;轻量化设计;纯电动汽车;强制认证

中图分类号：F407.471                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）11-0218-03

0  引言

随着经济的快速增长和城乡一体化进程的快速推进，垃圾特别是生活垃圾日渐增多，成为困扰居民生活的一大诟病。纯电动压缩式垃圾运输车由于零排放、低噪音、运量大，成为生活垃圾运输的首选车辆。

汽车轻量化是纯电动汽车的关键技术，但纯电动压缩式垃圾运输车侧护栏在设计初期，由于缺乏必要的数据，一般是从传统燃油压缩式垃圾运输车嫁接过来，采用钢质材料，这种侧护栏虽然安全系数高，但其重量较重，与发展纯电动汽车的设计初衷有些不符。

本文采用有限元仿真手段，类比以往同类型车辆侧护栏的设计经验，参照价格工程的设计理念，设计出满足国家强制认证要求的侧护栏。

1  钢质侧护栏仿真

国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的GB 11567—2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》[1]，是压缩式垃圾运输车侧护栏设计和仿真的重要依据。

1.1 钢质侧护栏有限元模型

1.1.1 钢质侧护栏分析模型

在绘制有限元分析模型时，要考虑模型的真实性、实用性、可靠性以及可鉴赏性[2-4]。类比传统侧护栏的结构，简化掉不受力的装饰性构件，省略掉影响分析的倒角和倒圆，生成的钢质侧护栏有限元分析三维模型[5]（横梁为矩形管型材）如图1所示。

1.1.2 钢质侧护栏材料属性及网格划分

钢质侧护栏的材料为Q345[6]，弹性模量为E=2.06×105 MPa，泊松比为μ=0.3，密度为ρ=7.85×10-6kg·mm-3，屈服极限σs=345MPa。

在Workbench的工作界面[4]，对钢质侧护栏有限元分析模型采用默认单元类型，Relevance Center手动选择Medium，Smoothing手動选择Medium，Transition手动选择Fast，Span Angle Center手动选择Medium。由于侧护栏和底盘连接杆间通过螺栓连接，所以侧护栏和底盘连接杆间设置为Frictional，摩擦系数设置为0.2。其余为默认值，生成71088个节点，27912个单元，网格划分模型[7-9]如图2所示。

1.1.3 钢质侧护栏力学模型

在底盘连接杆加载全约束，在加载块加载相应的载荷。生成的钢质侧护栏力学模型如图3所示。

1.1.4 钢质侧护栏加载载荷

选取GB 11567—2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》规定的试验载荷（1kN）为有限元分析载荷;加载位置选取图4中的B1柱和B2柱间的中心位置A1，B2柱和B3柱间的中心位置A2，B3柱的中间位置A3。钢质侧护栏具体加载力的大小和位置如表1所示。

1.2 钢质侧护栏有限元仿真

对压缩式垃圾运输车按照GB 11567—2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》规定的加载载荷以及加载点进行有限元仿真，得到的刚度（合位移）结果如图5和表2所示。

1.3 钢质侧护栏有限元仿真结果

由有限元仿真结果可以看出：压缩式垃圾运输车钢质侧护栏刚度整体较好，最大变形发生在侧护栏的右侧，最大值发生在压头加载在A2时，最大变形量为3.7772mm，能很好的阻止侧面撞击，同时能保护驾驶员的安全。

2  铝质侧护栏仿真

类比钢质侧护栏的结构，考虑价值工程和市场的认可度，设计铝质侧护栏并进行有限元分析，以验证铝质侧护栏的设计效果。

2.1 铝质侧护栏有限元模型

2.1.1 铝质侧护栏分析模型

设计铝质侧护栏时，要优先选用易采购、刚度好且性能可靠的铝合金材质。经多因素综合考虑，侧护栏的支撑D（如图6）和封头E（如图6）采用和钢制侧护栏同种规格的铝合金型材，而横梁F（如图6）采用铝合金型材，绘制的铝质侧护栏分析模型如图6所示。

2.1.2 铝质侧护栏材料属性及网格划分

铝合金侧护栏的材料为6063[6]，弹性模量为E=0.71×105MPa，泊松比为μ=0.33，密度为ρ=2.77×10-6kg·mm-3，条件屈服强度σs=170MPa。在Workbench的工作界面，对铝质侧护栏有限元分析模型采用和钢质侧护栏相同的约束条件和加载条件，生成83368个节点，31332个单元，网格划分模型如图7所示。

2.1.3 铝质侧护栏力学模型

将底盘连接杆加载全约束，在加载块加载和钢质侧护栏相同的载荷。生成的铝质侧护栏力学模型如图8所示。

2.2 铝质侧护栏有限元仿真

对铝质侧护栏有限元分析模型，按照《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》的加载载荷以及加载点进行有限元仿真，得到的刚度（等效应力）结果如图9和表3 所示。

2.3 铝质侧护栏有限元仿真结果

由铝质侧护栏有限元仿真结果可以看出：类比设计后的铝质侧护栏整体刚度较好，最大变形也发生压头侧护栏的右侧，最大值发生在压头加载在A2时，最大变形量为3.7527mm。铝质侧护栏的刚度和钢质侧护栏基本相同，具有很好的防止侧面的撞击的作用，最主要的是采用铝质侧护栏重量减轻了近45kg。

3  强制检测验证

纯电动压缩式垃圾运输车铝质侧护栏经试制、试验以及制造后委托国家汽车质量监督检验中心（襄阳）进行强制性检验，经检验符合GB 11567-2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》中侧部防护装置的要求。现场检测实景如图10所示，检测报告如图11所示。

可以看出，纯电动压缩式垃圾运输车铝质侧护栏符合国家汽车质量监督检验中心的强制要求，可以为侧面撞击在一定程度上提供防护，保护驾驶员的安全。

4  结论

针对纯电动压缩式垃圾运输车铝质侧护栏，在设计初期缺乏必要的试验数据和设计经验，首先仿真以往成熟的钢质侧护栏结构并记录仿真数据;然后选择合适的铝合金型材，通过类比方法设计铝合金侧护栏;最后通过不断优化和有限元仿真找到符合要求的铝质侧护栏模型。

本文基于有限元的類比设计方法可为类似产品的研发设计提供一定的参考。

参考文献：

[1]GB11567-2017，汽车及挂车侧面和后下部防护要求[S].

[2]单芝庆，息树辛，等.侧防护模块化设计在搅拌车上的应用[J].科技创新与应用，2016（11）：107.

[3]孙凯.探讨牵引车侧防护装置的布置与设计[J].知识经济， 2013（11）：112.

[4]陈涛.牵引车侧防护装置的布置与设计[J].汽车实用技术，2011（06）：18-20.

[5]蒲广益.ANSYS Workbench 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[6]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[7]刘晓辉，王文豪，等.基于有限元的搅拌筒前支架的优化设计[J].内燃机与配件，2019（08）：22-25.

[8]刘晓辉，王文豪，等.基于模态分析的高压清洗车副发罩壳的优化设计[J].内燃机与配件，2019（09）：76-78.

[9]刘晓辉，刘英，等.基于Workbench的混凝土搅拌车前支架的轻量化改进[J].筑路机械与施工机械化，2014（10）：90-93.