基于有限元的純電動壓縮式垃圾運輸車側(cè)護欄的輕量化設計

劉曉輝 燕志軍

摘要：針對新設計的純電動壓縮式垃圾運輸車側(cè)護欄，即需要滿足國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的強制要求，還要滿足純電動汽車對輕量化的要求。首先分析《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求》對側(cè)護欄的強制認證要求，類比已經(jīng)試驗驗證的同類型鋼質(zhì)側(cè)護欄，繪制三維模型并導入有限元分析軟件，按照強制認證條件對其進行有限元分析并記錄分析結(jié)果;然后參照鋼質(zhì)側(cè)護欄繪制鋁質(zhì)側(cè)護欄三維并導入有限元分析軟件，按照強制認證條件對其進行有限元分析并記錄分析結(jié)果，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)鋁合金材質(zhì)的側(cè)護欄也是滿足國家強制認證要求的;最后委托國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）對其進行強制認證，發(fā)現(xiàn)鋁質(zhì)側(cè)護欄也滿足國家強制性認證標準，從而驗證了基于有限元的純電動壓縮式垃圾運輸車側(cè)護欄的輕量化設計方法是可行性的。

關鍵詞：側(cè)護欄;輕量化設計;純電動汽車;強制認證

中圖分類號：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0218-03

0? 引言

隨著經(jīng)濟的快速增長和城鄉(xiāng)一體化進程的快速推進，垃圾特別是生活垃圾日漸增多，成為困擾居民生活的一大詬病。純電動壓縮式垃圾運輸車由于零排放、低噪音、運量大，成為生活垃圾運輸?shù)氖走x車輛。

汽車輕量化是純電動汽車的關鍵技術(shù)，但純電動壓縮式垃圾運輸車側(cè)護欄在設計初期，由于缺乏必要的數(shù)據(jù)，一般是從傳統(tǒng)燃油壓縮式垃圾運輸車嫁接過來，采用鋼質(zhì)材料，這種側(cè)護欄雖然安全系數(shù)高，但其重量較重，與發(fā)展純電動汽車的設計初衷有些不符。

本文采用有限元仿真手段，類比以往同類型車輛側(cè)護欄的設計經(jīng)驗，參照價格工程的設計理念，設計出滿足國家強制認證要求的側(cè)護欄。

1? 鋼質(zhì)側(cè)護欄仿真

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發(fā)布的GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求》[1]，是壓縮式垃圾運輸車側(cè)護欄設計和仿真的重要依據(jù)。

1.1 鋼質(zhì)側(cè)護欄有限元模型

1.1.1 鋼質(zhì)側(cè)護欄分析模型

在繪制有限元分析模型時，要考慮模型的真實性、實用性、可靠性以及可鑒賞性[2-4]。類比傳統(tǒng)側(cè)護欄的結(jié)構(gòu)，簡化掉不受力的裝飾性構(gòu)件，省略掉影響分析的倒角和倒圓，生成的鋼質(zhì)側(cè)護欄有限元分析三維模型[5]（橫梁為矩形管型材）如圖1所示。

1.1.2 鋼質(zhì)側(cè)護欄材料屬性及網(wǎng)格劃分

鋼質(zhì)側(cè)護欄的材料為Q345[6]，彈性模量為E=2.06×105 MPa，泊松比為μ=0.3，密度為ρ=7.85×10-6kg·mm-3，屈服極限σs=345MPa。

在Workbench的工作界面[4]，對鋼質(zhì)側(cè)護欄有限元分析模型采用默認單元類型，Relevance Center手動選擇Medium，Smoothing手動選擇Medium，Transition手動選擇Fast，Span Angle Center手動選擇Medium。由于側(cè)護欄和底盤連接桿間通過螺栓連接，所以側(cè)護欄和底盤連接桿間設置為Frictional，摩擦系數(shù)設置為0.2。其余為默認值，生成71088個節(jié)點，27912個單元，網(wǎng)格劃分模型[7-9]如圖2所示。

1.1.3 鋼質(zhì)側(cè)護欄力學模型

在底盤連接桿加載全約束，在加載塊加載相應的載荷。生成的鋼質(zhì)側(cè)護欄力學模型如圖3所示。

1.1.4 鋼質(zhì)側(cè)護欄加載載荷

選取GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求》規(guī)定的試驗載荷（1kN）為有限元分析載荷;加載位置選取圖4中的B1柱和B2柱間的中心位置A1，B2柱和B3柱間的中心位置A2，B3柱的中間位置A3。鋼質(zhì)側(cè)護欄具體加載力的大小和位置如表1所示。

1.2 鋼質(zhì)側(cè)護欄有限元仿真

對壓縮式垃圾運輸車按照GB 11567—2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求》規(guī)定的加載載荷以及加載點進行有限元仿真，得到的剛度（合位移）結(jié)果如圖5和表2所示。

1.3 鋼質(zhì)側(cè)護欄有限元仿真結(jié)果

由有限元仿真結(jié)果可以看出：壓縮式垃圾運輸車鋼質(zhì)側(cè)護欄剛度整體較好，最大變形發(fā)生在側(cè)護欄的右側(cè)，最大值發(fā)生在壓頭加載在A2時，最大變形量為3.7772mm，能很好的阻止側(cè)面撞擊，同時能保護駕駛員的安全。

2? 鋁質(zhì)側(cè)護欄仿真

類比鋼質(zhì)側(cè)護欄的結(jié)構(gòu)，考慮價值工程和市場的認可度，設計鋁質(zhì)側(cè)護欄并進行有限元分析，以驗證鋁質(zhì)側(cè)護欄的設計效果。

2.1 鋁質(zhì)側(cè)護欄有限元模型

2.1.1 鋁質(zhì)側(cè)護欄分析模型

設計鋁質(zhì)側(cè)護欄時，要優(yōu)先選用易采購、剛度好且性能可靠的鋁合金材質(zhì)。經(jīng)多因素綜合考慮，側(cè)護欄的支撐D（如圖6）和封頭E（如圖6）采用和鋼制側(cè)護欄同種規(guī)格的鋁合金型材，而橫梁F（如圖6）采用鋁合金型材，繪制的鋁質(zhì)側(cè)護欄分析模型如圖6所示。

2.1.2 鋁質(zhì)側(cè)護欄材料屬性及網(wǎng)格劃分

鋁合金側(cè)護欄的材料為6063[6]，彈性模量為E=0.71×105MPa，泊松比為μ=0.33，密度為ρ=2.77×10-6kg·mm-3，條件屈服強度σs=170MPa。在Workbench的工作界面，對鋁質(zhì)側(cè)護欄有限元分析模型采用和鋼質(zhì)側(cè)護欄相同的約束條件和加載條件，生成83368個節(jié)點，31332個單元，網(wǎng)格劃分模型如圖7所示。

2.1.3 鋁質(zhì)側(cè)護欄力學模型

將底盤連接桿加載全約束，在加載塊加載和鋼質(zhì)側(cè)護欄相同的載荷。生成的鋁質(zhì)側(cè)護欄力學模型如圖8所示。

2.2 鋁質(zhì)側(cè)護欄有限元仿真

對鋁質(zhì)側(cè)護欄有限元分析模型，按照《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求》的加載載荷以及加載點進行有限元仿真，得到的剛度（等效應力）結(jié)果如圖9和表3 所示。

2.3 鋁質(zhì)側(cè)護欄有限元仿真結(jié)果

由鋁質(zhì)側(cè)護欄有限元仿真結(jié)果可以看出：類比設計后的鋁質(zhì)側(cè)護欄整體剛度較好，最大變形也發(fā)生壓頭側(cè)護欄的右側(cè)，最大值發(fā)生在壓頭加載在A2時，最大變形量為3.7527mm。鋁質(zhì)側(cè)護欄的剛度和鋼質(zhì)側(cè)護欄基本相同，具有很好的防止側(cè)面的撞擊的作用，最主要的是采用鋁質(zhì)側(cè)護欄重量減輕了近45kg。

3? 強制檢測驗證

純電動壓縮式垃圾運輸車鋁質(zhì)側(cè)護欄經(jīng)試制、試驗以及制造后委托國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）進行強制性檢驗，經(jīng)檢驗符合GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護要求》中側(cè)部防護裝置的要求?，F(xiàn)場檢測實景如圖10所示，檢測報告如圖11所示。

可以看出，純電動壓縮式垃圾運輸車鋁質(zhì)側(cè)護欄符合國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的強制要求，可以為側(cè)面撞擊在一定程度上提供防護，保護駕駛員的安全。

4? 結(jié)論

針對純電動壓縮式垃圾運輸車鋁質(zhì)側(cè)護欄，在設計初期缺乏必要的試驗數(shù)據(jù)和設計經(jīng)驗，首先仿真以往成熟的鋼質(zhì)側(cè)護欄結(jié)構(gòu)并記錄仿真數(shù)據(jù);然后選擇合適的鋁合金型材，通過類比方法設計鋁合金側(cè)護欄;最后通過不斷優(yōu)化和有限元仿真找到符合要求的鋁質(zhì)側(cè)護欄模型。

本文基于有限元的類比設計方法可為類似產(chǎn)品的研發(fā)設計提供一定的參考。

參考文獻：

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