耐磨板自卸车车厢的轻量化仿真设计

2014-12-25涂艳丰高永生

科技视界 2014年27期

涂艳丰杨兵高永生张文

(1.宝钢股份有限公司中央研究院汽车用钢研究所，中国上海201900；2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室〈宝钢〉，中国上海201900）

随着中国城镇化建设的推进及节能环保相关法律的深度落实[1]，市场对自卸车的未来的需求又一个统一的认识: 轻量化是自卸车发展的方向；国家对超载的治理将实行常态化管理。同时，原油价格不断攀升，加重了运输业的成本压力。由此催化了市场对车辆轻量化。使用高等级材料是实现轻量化的重要手段[2]。同时，高等级材料可以降低材料的投入量，降低材料生产过程的碳排放。本文通过有限元仿真，使用具有高强度、高耐磨性的耐磨板设计制作了一款自卸车车厢。经过实际使用，该车厢重量下降接近40%，使用寿命提高了5 倍以上。

1 优化设计

1.1 研究对象

图1 典型自卸车车厢Fig.1 typical dumper car-body

表1 宝钢耐磨钢板力学性能（交货状态）Tab.1 The mechanical property of the baosteel wear-resistant steel (deliver condition)

车厢是自卸车的重要组成部分，目前国内自卸车车厢当前还采用低强度等级材料，例如Q345。自卸车长度约5 米~6 米，宽度2 米~4米，单个车厢重量约10 吨左右。采用传统材料的车体，车身重，磨损快、质量利用系数低，无法满足日益严重的燃油经济性指标及低排放的要求。随着高强耐磨钢产品的出现，为自卸车车厢的减重带来了机遇，但是国内还没有这类材料的设计使用经验,自卸车的轻量化与国外存在较大差距。

1.2 宝钢耐磨钢板介绍

近年来，瑞典﹑德国和日本等国家通过改进成分设计﹑应用DQ（直接淬火）技术，相继开发了强韧性和焊接性优良的HB400﹑HB500 甚至HB600 系列耐磨钢产品。

目前宝钢已具备生产布氏硬度为360HB、400HB、450HB 和500HB 等不同级别耐磨钢板的能力。宝钢耐磨钢厚板不仅硬度高，同时还具有优良的拉伸性能、冲击性能、耐磨性能和焊接性能，适用于各种磨损条件，产品质量处于国内领先地位[3]。宝钢耐磨钢板的力学性能如表1 所示。

图2 各牌号钢板相对使用寿命比较图Fig.2 The relevent wear life of different steel

硬度是表征耐磨性的关键指标之一，硬度越高，耐磨性越好。图2所示的是不同牌号钢材之间耐磨性能的相对使用寿命比较。以Q345材料的耐磨性为基础,定为耐磨指数1。从图中可以看出，BW450 材料与Q345 材料相比，其硬度提高3 倍，在同等工况条件下平均使用寿命提高6-8 倍。

1.3 耐磨板车厢设计

1.3.1 耐磨板车厢车厢板厚度选择

在承载能力不变，结构形式不变时，通过高强度材料替换低强度材料，两者的厚度可以可以按照下式进行计算[2,4]。

式中：σ0——低强度材料屈服强度

t0——低强度材料的厚度

tx——高强度材料的厚度

表2 自卸车车厢板用材厚度表Table2 The thickness of the car-body parts

传统自卸车车厢主要采用Q345 材料作为车厢板的主要材料。表2 是传统使用Q345 材料的车厢板厚度和通过公式1 计算出的BW450 材料的车厢板厚度并向上圆整。表中的数据作为后续仿真模拟的初始输入条件。

表3 网格单元质量控制标准Tab.3 Mesh quality criterion for the FEM model

1.3.2 车厢有限元模型处理

有限元分析，网格质量是分析结果准确的重要保证。但是，过高的单元质量不但消耗过多的前处理时间，同时造成过大的计算时间消耗。过低的质量要求容易造成计算结果精度差、计算出错，严重时导致模型无法计算。由于自卸车车厢整体尺寸大，通常长约5-8 米，为兼顾计算效率和计算结果精度，对于自卸车结构应力有限元分析，网格质量一般按照表3 标准进行控制。自卸车车厢模型极大，需要通过专门的前处理软件进行处理。本文通过HYPERMESH 前处理软件对车厢进行网格划分[5]。模拟采用三角形缩减积分单元和四边形缩减积分单元的壳单元。

图2 自卸车车厢有限元模型Fig.2 FEM model of the dumper car-body

自卸车车厢组成（前、后、底、边等板，每块板的组成），各部件之间及组成部件的零件主要采用焊接装配。焊缝一般采用焊接单元进行建模。但是，为了降低建模的复杂度且保证仿真的结果精度，本文采用共节点处理方法。

1.3.3 车厢约束加载

自卸车车厢结构为对称结构，模拟采用1/2 模型进行。自卸车车厢在举升瞬间，其受力条件最为恶劣。因此，模拟采用该工况进行。举升状态下（车厢处于脱离车架支撑的瞬间），整个车厢只受到翻转座与举升油缸的约束。翻转座与举升油缸只有一个方向的转动，因此模拟需要约束翻转座、油缸举升处的平动自由度及除转动轴方向外的其他两个转动自由度。

1.3.4 载荷的加载

图3 车厢后板压力分布图Fig.3 Press distribution of the car-body rail blank

自卸车主要应有于矿石、煤炭、沙土、沙石等的运输，其压力值的大小与所载物的密度有关，而且与实际装载状态有关。计算采用最危险工况（即满载状态）进行分析。载荷近似处理为静水压力分布规律作用于内板上，按照以下公式计算：

车厢侧板最顶端的压力为0MPa，因此压力分布公式可以表示为：

其中:K=Pmax/h

X——加载点离底板的垂直距离

h——车厢板最高点相对底板的垂直距离

1.4 有限元仿真结果及分析

图4 整体应力分布云图Fig.4 Total car-body stress distribution

图4 是分别采用两种材质的车厢应力分布云图。从a 图是采用耐磨板BW450 设计的车厢，b 图是采用Q345 材质设计的车厢。从图中可以看出，BW450 车厢的最大应力值为648MPa，采用Q345 车厢的最大应力水平为440MPa。

图5 整体应变分布云图Fig.5 total strain distribution

图5 是分别采用两种材质的车厢位移分布云图。从图中可以看出，采用BW450 材质的车厢(a)，整体最大变形为4.68mm，大于采用Q345 材质车厢(b)的3.37mm，变形量差距不大。表4 是根据仿真结果，考察各部分应力集中点的材料安全情况。

表4 两种材质车厢各部位安全系数比较Tab.4 Safety factor of each part of car-bodys used tow different materials

从表4、表5 中可以看出，车厢板在采用更薄的BW450 材料以后，整体的安全系数由于材质本身强度的上升而上升。但是车厢的各部件刚度略低于Q345 材质的车厢，但是其总体变形量远小于设计控制变形量。

表5 两种材质车厢各部位变形量的比较Tab.5 Deformation of each part of car-bodys used tow different materials

2 设计结果验证

本文对同期投入使用3 个月的耐磨板车厢与Q345 材质车厢进行了跟踪。采用BW450 钢板厚度减薄量最大仅0.19mm，而同期投入使用的普通车型Q345B 钢板的减薄量约为2mm，是耐磨钢的十倍。但是车厢局部在使用过程中，由于矿石的冲击，出现过多过深的凹坑。这些问题都需要在后续的设计过程进一步考虑。