王蘭花 狄超群 劉 琪

（1.濟南大學(xué)泉城學(xué)院，蓬萊市 265600；2.山東蓬翔汽車有限公司，蓬萊 265600；3.臨沂市科學(xué)技術(shù)合作與應(yīng)用研究院，臨沂 276000）

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，促使貨物運輸量持續(xù)增長，在公路交通運輸車輛中，自卸車所占的比例越來越大。由于自卸車車廂自身重量較大，對自卸車燃油經(jīng)濟性造成較大影響，因此在保證自卸車車廂強度與剛度不變的情況下，減少自卸車車廂重量，從而提升自卸車燃油經(jīng)濟性成為了近些年自卸車研究的熱點問題。在具體研究設(shè)計過程中，不僅對自卸車車廂輕量化設(shè)計方案進行研究，也要對自卸車整體結(jié)構(gòu)特點進行分析，從而結(jié)合車廂主板結(jié)構(gòu)、整體布局等方面，不斷優(yōu)化自卸車車廂結(jié)構(gòu)。

1 自卸車車廂有限元建模

本文以某款自卸車車廂為例進行分析，該自卸車車廂主要由車廂后欄板總成、車廂前欄板總成、右側(cè)邊板總成、左側(cè)邊板總成與底板總成5個部件組成，原車身材料均為結(jié)構(gòu)鋼Q235、Q345和B510L。同時該車廂屬于左右對稱的結(jié)構(gòu)，為確保提升計算效率，僅選取自卸車車廂左側(cè)模型即可。將自卸車車廂左側(cè)劃分為網(wǎng)格形式，單元總數(shù)為626646個；在所有單元中，三角形單元數(shù)量需要為2184，使其能夠充分滿足有限元模型精度要求[1]。

2 自卸車的車廂輕量化設(shè)計

2.1 自卸車車廂靜態(tài)工作輕量化設(shè)計

該自卸車車廂在靜態(tài)工況下，優(yōu)化設(shè)計問題數(shù)學(xué)描述如式（1）、式（2）所示。

式中，f（x1，x2，…，xn）為車廂的目標函數(shù)；x1，x2，…，xn為車廂的設(shè)計變量；g.j（x1，x2，…，xn）為m車廂的約束條件。本文對自卸車車廂進行的研究，主要選取車廂總成45個核心部件，不斷優(yōu)化自卸車車廂的輕量化設(shè)計。同時所設(shè)計的車廂強度的安全系數(shù)不低于1.2；前后板總成的變形量不高于10mm；底板總成的變形量不高于15mm；側(cè)板總成與底板總成的變形量不得高于30mm；板材的厚度不低于0.7mm，不高于25mm。結(jié)合可以選擇的材料，該車廂改的主體結(jié)構(gòu)材料選取QSTE700，其抗拉強度為970.8MPa，屈服強度為745MPa，延伸率為0.144。所以要想在保證不改變車廂零件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)重量減輕設(shè)計，不僅要分析自卸車在運行過程中的工況，也要對自卸車剎車工況進行充分的考慮，確保自卸車安全[2]。

2.2 自卸車車廂動態(tài)情況下輕量化設(shè)計

雖然通過不斷優(yōu)化車廂靜態(tài)工況尺寸，能夠得到相應(yīng)的車廂板厚，但是無法滿足沖擊工況要求，因為不僅需要優(yōu)化設(shè)計車廂靜態(tài)工況，也需要對動態(tài)沖擊工況結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。本文主要通過運用近似建模技術(shù)，對自卸車進行有限元建模，并利用NLPQL梯度優(yōu)化算法對其進行計算，對車廂動態(tài)工況結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，同時利用Visual DOC計算軟件，對整個計算過程進行演算，在確保計算精度的前提下，建立相對復(fù)雜的仿真模型，并減少仿真模型分析次數(shù)，大幅度提高優(yōu)化效率[3]。

選用Kriging近似模型建立模型時，必須選取設(shè)計空間中樣本點進行最優(yōu)拉丁超立方試驗，車廂設(shè)計變量X1、X2、X3分別為沖擊工況中車廂的底板厚度、內(nèi)縱梁厚度與內(nèi)橫梁厚度，利用最優(yōu)拉丁超立方法，選擇10個驗證樣本點與30個建模樣本點，建立Kriging近似模型。通海還需要建立以車廂內(nèi)橫梁、內(nèi)縱梁與底板厚度為變量，以沖擊最大變形沖擊、最大應(yīng)力與模型質(zhì)量為函數(shù)的Kriging近似模型，進行試驗，確保3種近似模型經(jīng)過驗證之后，均方根誤差分別為：0.13639，0.04124，0.04412，得知模型設(shè)計能夠充分滿足精度要求[4]。

最后，利用NLPQL對具有約束非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題進行解決，發(fā)揮NLPQL穩(wěn)定、收斂與易于得到全局最優(yōu)解等優(yōu)點。NLPQL中序列二次規(guī)劃法（SQP）屬于極其核心的一種計算方法，通過使用SQP計算方式，能夠?qū)⒛繕撕瘮?shù)以“二階泰勒級數(shù)”的方式展開，不僅能夠轉(zhuǎn)變車廂設(shè)計約束條件，使其變?yōu)楦雍唵蔚木€性化問題，也能夠?qū)⒎蔷€性問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎我?guī)劃問題，確保求戒指最優(yōu)化。

2.3 評估輕量化設(shè)計自卸車的車廂強度與剛度

對自卸車車廂靜態(tài)與動態(tài)工況進行充分評估，才能確保優(yōu)化車廂輕量化設(shè)計方案的可行性，而且通過選擇車廂荷載條件較差的工況，可以驗證優(yōu)化方案荷載極限。車廂靜態(tài)工況最大變形量邊板為26.78mm，最大應(yīng)力為653.0MPa，底板為11.63mm，車廂的設(shè)計滿足性能要求。車廂動態(tài)工況最大的變形為5.1mm，最大的應(yīng)力為744.64MPa，能夠確保車廂在沖擊工況中滿足性能要求。優(yōu)化后的將車廂整體質(zhì)量由2728kg減至2081kg，減重效果為23.72%。

3 結(jié)語

由于自卸車車廂自重過大，需要對之進行有效的優(yōu)化設(shè)計，降低其重量，確從而提高其燃油經(jīng)濟性。本文通過對某自卸車車廂進行研究與分析，在不改變自卸車車廂原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將車廂部件的材料、板厚作為自卸車車廂優(yōu)化設(shè)計的重要方向，從靜態(tài)與動態(tài)兩個方面，，進行輕量化的設(shè)計，最終實現(xiàn)了自卸車車廂減重的目標，在保證車廂強度與剛度的基礎(chǔ)上，自卸車車廂減重效果達到23.72%。