基于HyperMesh和RADIOSS的矿用自卸车高强度车箱有限元分析

摘要：本文介绍了矿用自卸车高强度车箱结构设计特点，利用通用有限元分析软件HyperMesh9.0，建立了高强度大箱的有限元模型。在此基础之上，对矿用自卸车高强度大箱在静载工况和举升工况进行了静强度分析，并进一步得出了大箱总成、U型结构、前板总成、侧板总成、后板总成、底板总成的应力分布云图。为了更加接近实际大箱的受力状况，对U型大箱施加静水压力线形变化压强，取动载系数为1.5。大箱和副车架之间采用GAP接触单元。得到了比较理想的分析结果，初步验证了设计的合理性。

关键词：高强度车箱；HyperMesh9.0；有限元模型；静载工况；举升工况；动载系数；应力分布；

0 引言

一般汽车质量每减轻10%，燃油消耗可降低6%-8%。对总质量受限制的商用汽车来说，减轻整备质量意味着可以提高装载质量，即增加了装载质量利用系数。这对于提高运输效率，降低运输成本极有帮助，相对来说也是降低了燃油费用。

与普通钢材相比，高强度钢材料应用上存在弹性模量高、刚性好、耐磨性强、耐冲击性好及较高的疲劳强度等优势，为结构上优化设计提供了强有力的支持。

矿用自卸车道路状况一般比较差，工作条件相对比较恶劣。自卸车箱损坏的程度比较严重,使用寿命比较短,针对这种的状况，减轻自重，提高矿用自卸车承载能力就显得尤为重要[1]。

1 矿用自卸车高强度车箱结构设计特点

（1）车箱主体采用当前欧洲流行U型自卸车箱结构。其主要特点：

自重轻、载重大，能装载更多的有效载荷，间接的提高了装载效率；降低油耗，为用户创造更大效益；重心低、稳定性好，举升时货物更易居中，角部不粘余料、便于卸货；整体式承载，没有或只有很少的加强筋，焊接量小；使用寿命长；外观设计较为现代化，外表面有大的平面，便于粘贴广告或其他图案。

（2）该车箱内尺寸为（mm）：5400×2260×1350。该尺寸车所对应自卸车型为公司自卸车非主流车型，且其底盘较为成熟，比较适合新车箱的投放和推广。

（3）该车箱由于采用高强度钢板，延长了车箱的使用寿命，减少维修频次；和相同强度普通车箱相比，质量降低30.5%，因此可降低燃油消耗0.4L/100km(根据国外试验数据表明：整车重量每降低10%，可降低油耗8%左右)；成本低，和相同强度普通车箱相比,成本降低了12.77%；车箱重心低，和普通自卸车箱相比，重心高度降低约100mm。

（4）矿用自卸车箱尾端采用75°斜角。可以有效防止装载货物散落，保证后板紧扣箱体；车箱后门采用“联动式大开度后门开启机构”，车箱举升时后门开启角度大，有利于大块货物顺利卸料。

2 矿用自卸车大箱有限元模型的建立

在HyperMesh9.0中，选择RADIOSS(Bulk Data)模板，后面的翻转轴套采用三维的六面体单元类型,前面的油箱支架和后面的翻转轴座采用三维的四面体单元类型，大箱的前板总成、侧板总成、后板总成、底板总成和副车架主要件均采用二维壳单元，通过对其进行抽取几何中面的方法，进一步分别对其进行二维网格的划分，U型箱采用单元尺寸50mm，其他部分采用单元尺寸10mm，完成后大箱的有限元模型如图1所示，模型的网格节点数为367948，单元数为393976。大箱上的各部件，根据具体的焊接关系，采用RBE2进行刚性连接模拟，大箱和副车架之间施加接触，采用1D里面Gap单元。

3 材料属性

矿用自卸车大箱有限元模型所对应的材料属性如表1所示。

4 静载工况大箱约束和载荷的施加

在副车架上约束自由度1，2，3，4，5，6(1-X方向的平动自由度；2-Y方向的平动自由度；3-Z方向的平动自由度；4-X方向的转动自由度；5-Y方向的转动自由度；6-Z方向的转动自由度)，如图2所示。除此之外，考虑大箱实际装载的货物较重，取装载物为石沙，密度为1.8×10t/mm ，动载系数为1.5，对U型大箱施加静水压力线形变化压强，折合载重量：5.4(大箱长)×2.26(宽)×1.35(高)×1.8(砂石密度)×1.5(动载系数，即1.5倍重力加速度)=44.48t，如图3所示。

5 大箱计算结果分析

如图5至图16为大箱静载工况和举升工况应力计算结果分布云图，分别为静水压力线形变化压强下大箱应力结果、U型结构应力结果、前板总成应力结果、侧板总成应力结果、后板总成应力结果、底板总成应力结果。从分析结果可以看出，静载工况和举升工况下，自卸车大箱应力左右对称分布，各分总成最大应力值都未超出材料的屈服极限，满足强度要求。经过分析，矿用自卸车大箱满足强度设计要求。

7 结束语

文章针对目前矿用自卸车存在的具体问题，介绍了矿用自卸车高强度车箱结构设计特点，采用HyperMesh9.0和RADIOSS，建立了矿用自卸车高强度大箱的有限元模型，对矿用自卸车高强度大箱在静载工况和举升工况进行了静强度分析，并进一步得出了大箱、U型结构、前板总成、侧板总成、后板总成、底板总成的应力分布云图。为了更加接近实际大箱的受力状况，对U型大箱施加静水压力线形变化压强，取动载系数为1.5，大箱和副车架之间采用GAP接触单元，得到了比较理想的分析结果，初步验证了设计的合理性。

8 参考文献
[1] 冯晋祥.专用汽车设计[M].第一版.北京：人民交通出版社,2007.
[2] 周岁华，史洪波.瑞典DOMEX700MC高强度热轧钢板的性能分析.汽车工艺与材料,2003.
[3] 李楚琳.HyperWorks分析应用实例.机械工业出版设，2008.
[4] 敖炳秋.轻量化汽车材料技术的最新动态［J］.汽车工艺与材料，2002.
[5] 伍浩明.一种自卸车货箱轻量化方案的可行性探讨.专用汽车，2008.