基于有限元的洗掃車后防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李景利 劉曉輝

摘要：針對(duì)洗掃車后防護(hù)要符合工信部的檢測(cè)要求及整車輕量化要求，首先分析GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》對(duì)后防護(hù)的要求，特別是檢測(cè)載荷的大小、作用點(diǎn)位置及加載順序;然后借鑒同款傳統(tǒng)洗掃車及其他車輛后防護(hù)的結(jié)構(gòu)，建立三維模型，并根據(jù)工信部檢測(cè)機(jī)構(gòu)的加載方式對(duì)三維模型進(jìn)行有限元仿真，發(fā)現(xiàn)三維模型受到的應(yīng)力不滿足強(qiáng)度要求;從而綜合考慮材料規(guī)格、制造工藝以及裝配要求等因素對(duì)后防護(hù)再次仿真，發(fā)現(xiàn)后防護(hù)滿足應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型的要求，同時(shí)滿足工信部對(duì)后防護(hù)的強(qiáng)制檢驗(yàn)要求;最后再托天津國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行強(qiáng)制性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)滿足要求，能對(duì)后撞車起到防護(hù)作用，進(jìn)而驗(yàn)證了后防護(hù)設(shè)計(jì)方法的合理性。

關(guān)鍵詞：后防護(hù);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型;強(qiáng)制檢驗(yàn)

0? 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的快速推進(jìn)，道路保潔逐漸成為一項(xiàng)重要的日常工作。綜合安全、效率以及用工成本等諸多因素，傳統(tǒng)的人工道路保潔已逐漸被機(jī)械道路保潔所替代。機(jī)械道路保潔設(shè)備主要有掃路機(jī)、掃路車以及洗掃車等設(shè)備。其中用途最廣、作業(yè)效率最高以及二次環(huán)境污染最小的道路保潔設(shè)備是洗掃車。

洗掃車具有灑水車灑水、掃路車清掃、高壓清洗車高壓沖洗以及吸污車吸污的功能，實(shí)現(xiàn)了灑水、清掃、清洗、污水回收等功能，單車一次行駛就可以完成上述四種不同車輛的全部作業(yè)，且路面達(dá)到無揚(yáng)塵、無垃圾、無污水的保潔效果。

后防護(hù)作為洗掃車的一部分，在發(fā)生路面事故時(shí)對(duì)追尾車輛起到被動(dòng)安全的作用：一方面，防止追尾車輛從后部鉆入電動(dòng)洗掃車;另一方面，通過后防護(hù)的變形，吸收部分沖撞能量，從而減少追尾車輛的傷害程度，在一定程度上保護(hù)追尾車輛的駕駛員的生命安全。

后防護(hù)的設(shè)計(jì)通常是借鑒同款傳統(tǒng)洗掃車后防護(hù)的結(jié)構(gòu)，這樣省時(shí)省力。但設(shè)計(jì)出的后防護(hù)一般偏重，且不滿足國家強(qiáng)制檢測(cè)的要求。

本文采用有限元分析手段，綜合考慮同款洗掃車的后防護(hù)、制造成本以及制造工藝等因素，設(shè)計(jì)出一款滿足國家強(qiáng)制檢測(cè)要求的后防護(hù)。

1? 實(shí)驗(yàn)載荷及加載順序

工信部許可的檢測(cè)機(jī)構(gòu)在檢測(cè)公告車時(shí)要執(zhí)行GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》的要求，所以在洗掃車后防護(hù)的設(shè)計(jì)前要知曉實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境[1]。

1.1 實(shí)驗(yàn)加載點(diǎn)

根據(jù)GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》規(guī)定加載點(diǎn)包括兩點(diǎn)加載點(diǎn)和三點(diǎn)加載點(diǎn)[1]：

1.1.1 兩點(diǎn)加載

如圖1所示，兩個(gè)加載作用點(diǎn)之間的距離在700～1000mm之間，且兩個(gè)作用點(diǎn)應(yīng)相對(duì)于后下部防護(hù)裝置縱向中心線或車輛縱向中線對(duì)稱，作用點(diǎn)的具體位置由制造商給定。

1.1.2 三點(diǎn)加載

如圖1所示，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，左右兩邊外側(cè)兩個(gè)作用點(diǎn)，分別距離車輛后軸輪胎的最外端相切且平行于車輛縱向中心線的垂直平面300mm±25mm，如果車輛有兩個(gè)以上的后軸，車輛后軸輪胎的最外端應(yīng)以距離車輛縱向中心面最遠(yuǎn)的點(diǎn)為準(zhǔn);第三個(gè)作用點(diǎn)位于上述兩點(diǎn)的連線之間、并且處于車輛中心垂直面上。

1.2 實(shí)驗(yàn)載荷

根據(jù)GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》規(guī)定加載載荷包括兩點(diǎn)加載載荷和三點(diǎn)加載載荷[1]：

1.2.1 兩點(diǎn)加載載荷

兩點(diǎn)載荷加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為100kN或者相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量的50%的水平載荷，分別持續(xù)作用于圖1所示的P2點(diǎn)上。

1.2.2 三點(diǎn)加載載荷

三點(diǎn)加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為50kN或相當(dāng)于車輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量25%的水平載荷，分別持續(xù)作用于圖1所示的左側(cè)加載點(diǎn)上或右側(cè)加載點(diǎn)上，然后持續(xù)作用在車輛（或后下部防護(hù)裝置）縱向中心平面上的P1和P3加載點(diǎn)上。

1.3 加載程序

根據(jù)GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》加載程序[1]：

①試驗(yàn)順次進(jìn)行三點(diǎn)加載、兩點(diǎn)加載。在試驗(yàn)過程中、使用同一試驗(yàn)樣品。②兩點(diǎn)加載時(shí)與加載順序無關(guān)。③三點(diǎn)加載時(shí)，先進(jìn)行兩端加載點(diǎn)的加載試驗(yàn)，然后進(jìn)行車輛縱向中心平面上的點(diǎn)的加載試驗(yàn)，左右兩端加載點(diǎn)與加載順序無關(guān)。

2? 初步設(shè)計(jì)

洗掃車后防護(hù)在初步設(shè)計(jì)時(shí)要借鑒同款傳統(tǒng)洗掃車后防護(hù)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)要綜合考慮其他車輛后防護(hù)的結(jié)構(gòu)以及國家強(qiáng)制性檢測(cè)的要求。

2.1 有限元模型

2.1.1 分析模型

在創(chuàng)建分析模型時(shí)，要充分考慮檢測(cè)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，創(chuàng)建的模型要有部分底盤縱梁（模擬洗掃車底盤）、后防護(hù)以及加載塊（模擬實(shí)際的加載機(jī)構(gòu)），同時(shí)后防護(hù)要用螺栓裝配到底盤縱梁上。生成的洗掃車后防護(hù)有限元分析模型如圖2所示[2]。

2.1.2 材料選擇及網(wǎng)格劃分

洗掃車后防護(hù)的材料為Q345[3]，彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg·mm-3，屈服極限σs=345MPa。

在Workbench的工作界面[4]，對(duì)后防護(hù)有限元分析模型采用默認(rèn)單元類型，Relevance Center選擇Fine。由于后防護(hù)和底盤縱梁間通過螺栓連接，所以后防護(hù)和底盤縱梁間設(shè)置為Frictional，摩擦系數(shù)為0.2。其余默認(rèn)值，生成67528個(gè)節(jié)點(diǎn)，33700個(gè)單元，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

2.1.3 力學(xué)模型

將底盤縱梁加載全約束，在加載塊加載相應(yīng)的載荷。生成的洗掃車后防護(hù)力學(xué)模型如圖4所示[5-6]。

2.1.4 分析載荷

本例以ZTQ5180TXSE1J53F型洗掃車后防護(hù)為例，該車的最大載荷為18T，但在后防護(hù)的設(shè)計(jì)時(shí)要取GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》的載荷的大值，即兩點(diǎn)加載時(shí)取設(shè)計(jì)載荷為100kN，而三點(diǎn)加載時(shí)取設(shè)計(jì)載荷50kN，具體設(shè)計(jì)載荷如表1所示。

2.2 有限元分析

對(duì)洗掃車后防護(hù)的有限元分析模型，按照GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》規(guī)定的加載載荷、加載點(diǎn)以及加載順序進(jìn)行有限元分析，由于后防護(hù)的結(jié)構(gòu)為對(duì)稱模型，在有限元仿真時(shí)僅對(duì)后防護(hù)的左半側(cè)的P1、P2及P3進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如表2所示，得到的合位移云圖如圖5所示，得到的等效應(yīng)力如圖6所示。

2.3 有限元分析結(jié)果

由后防護(hù)的有限元仿真結(jié)果可以看出：

①洗掃車后防護(hù)的變形很大，其中在P1和P2點(diǎn)加載后，基本不能反彈，直接折彎，在現(xiàn)實(shí)中追尾車輛會(huì)直接鉆進(jìn)洗掃車內(nèi)，對(duì)追尾車輛基本沒有防護(hù)的能力;②洗掃車后防護(hù)與縱梁連接螺栓受到的應(yīng)力很大，其中在P1和P2點(diǎn)加載后，螺栓瞬間達(dá)到塑性狀態(tài)而剪斷，后防護(hù)從縱向直接脫落，對(duì)追尾車輛完全沒有防護(hù)的能力;③洗掃車后防護(hù)與縱梁連接螺栓受到的應(yīng)力很大，其中在P1和P2點(diǎn)加載后，螺栓瞬間達(dá)到塑性狀態(tài)而剪斷，后防護(hù)從縱向直接脫落，對(duì)追尾車輛完全沒有防護(hù)的能力。

從有限元分析仿真結(jié)果可看出，后防護(hù)的初步設(shè)計(jì)不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3? 優(yōu)化及分析

綜合有限元仿真結(jié)果及制造工藝，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后再對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)按GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》進(jìn)行有限元仿真，以驗(yàn)證優(yōu)化的結(jié)果。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合有限元仿真云圖，可有針對(duì)性的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)要綜合考慮型材的規(guī)格、制造工藝以及裝配的可行性，在滿足應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)[7-9]。具體包括：

①在后防護(hù)橫梁的背部增加8mm的Q345折彎板，如圖7所示;②在后防護(hù)橫梁與縱梁的結(jié)合處增加加強(qiáng)筋，如圖7所示;③在后防護(hù)縱梁與底盤縱梁結(jié)合處增加止動(dòng)塊，如圖7所示。

3.2 優(yōu)化后的有限元分析

對(duì)優(yōu)化后的后防護(hù)在同樣加載方式下進(jìn)行有限元仿真，得到優(yōu)化結(jié)果如表3、圖8以及圖9所示。

可以看出在對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，從仿真結(jié)果可以看出，能滿足檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)要求，對(duì)后撞車在一定程度上起到保護(hù)作用。

4? 檢測(cè)驗(yàn)證

洗掃車后防護(hù)經(jīng)設(shè)計(jì)、制造及裝配后委托天津國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行強(qiáng)制性檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)符合GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》中后下部防護(hù)裝置的要求?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片如圖10所示，檢測(cè)報(bào)告如圖11所示。

可以看出，經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后的洗掃車后防護(hù)符合國家工信部的要求，可以為追尾車在一定程度上提供防護(hù)。

5? 結(jié)論

針對(duì)洗掃車后防護(hù)在設(shè)計(jì)過程中不能觀察到其應(yīng)力場(chǎng)的分布，僅僅是應(yīng)用類比法或測(cè)繪法等傳統(tǒng)方法進(jìn)行定性分析，設(shè)計(jì)出的后防護(hù)一般很笨重且應(yīng)力和位移分布不均，不能滿足國家強(qiáng)制檢測(cè)的要求。

本文采用傳統(tǒng)方法和有限元相結(jié)合的方法對(duì)后防護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出初步后防護(hù)模型;然后采用國家強(qiáng)制檢測(cè)的力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行有限元仿真，得到后防護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的云圖，經(jīng)分析云圖對(duì)后防護(hù)進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)再次采用國家強(qiáng)制檢測(cè)的力學(xué)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行有限元仿真，得到符合要求的后防護(hù)結(jié)構(gòu);最后委托天津國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行強(qiáng)制性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)完全符合要求。

本文的采用的方法可為類似產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB11567-2017，汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求[S].

[2]蒲廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]蒲廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[5]安炎彬.傳統(tǒng)貨車后防護(hù)的改良設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科學(xué)論壇，2013，12（12）：70-71.

[6]饒偉強(qiáng)，楊力博，寧航.基于ANSYS仿真分析的攪拌車后防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].商品混凝土，2019，11：72-74.

[7]劉曉輝，王文浩，等.基于有限元的攪拌筒前支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，8（4月下）：22-25.

[8]劉曉輝，王文浩，等.基于模態(tài)分析的高壓清洗車副發(fā)罩殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，9（5月上）：76-78.

[9]劉曉輝，劉英，王月嶺，呂振華，周文會(huì).基于Workbench的混凝土攪拌車前支架的輕量化改進(jìn)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，10：90-93.