张俊伟，张 沛，张 喆，郭海乐，庞 明

（郑州宇通重工有限公司，河南 郑州 450000）

引言

近年来保洁类纯电动环卫车辆，在改善环境、降温除尘、绿化园林等方面发挥着重要作用[1]，并且在关键时刻还可作为紧急消防车使用。箱体作为承载介质的唯一部件，可靠性可以视为它最重要的指标。

轻量化设计对汽车行业，尤其对推动纯电动汽车的发展具有重要作用，在保证可靠性的同时具有降低整车质量、提升续时里程的优势。

CAE分析技术作为近年来新兴的研发技术。它基于计算机技术的高速发展，通过计算机软件对实际模型进行仿真分析，有效地解决了现代机械设计的复杂性，在很大程度上方便了机械工程的实际施工操作，也进一步提升了机械工程施工的效率和质量[2]。通过将CAE技术与机械设计相结合，对提高企业开发效率，降低验证周期与成本具有重要意义[3]。

1 创建箱体有限元仿真模型

1.1 三维模型建立

根据原始二维图纸建立箱体的三维数模，箱体通过辅梁支撑并与车架连接，箱体内部设置防波板。

1.2 建立有限元分析模型

箱体使用Q345-B材质，具体参数如表1所示。箱体使用工况主要为颠簸冲击工况，安全系数为1.1。因此型材许用应力为314 MPa。本文首先对箱体进行有限元网格模型建立，然后加载边界条件和载荷对其进行计算，建立有限元分析模型（见图1），其中箱体内部水的质量通过面压力加载到筒体上。

图1 箱体有限元模型

表1 材料参数表

1.3 结构强度性能评估

通过对模型的分析计算，得出其分析结果如表2所示。从结果看出水罐的最大应力为335 MPa，此时安全系数仅有1.03，最大应力位置处于防波板下部位置，辅梁正上方。此处安全系数低于设置的安全系数1.1，存在开裂风险，见图2。

表2 分析结果表

图2 应力（MPa）结果云图

1.4 实车验证及原因分析

根据三维模型制作箱体结构并进行道路可靠性验证。结果发现在防波板处发生开裂问题，见下页图3。该位置处于垫板正上方，与有限元分析结果高度吻合。此处裂纹由下向上延伸，初步原因分析为在车辆颠簸时防波板向下挤压，下方为垫板与纵梁，刚度较大，因此发生变形会从相对较弱的防波板开始，进而出现裂纹。由此说明该有限元分析方法准确性较高。

图3 箱体开裂位置

2 箱体结构拓扑优化设计

拓扑优化技术是结构优化技术中有前景、具有创新性的技术，是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布，或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的结构。

依据上述分析结果，防波板存在强度不足的问题，且该结构为整体冲压成型，制造成本较高，重量较重，因此通过参考拓扑优化结果对比多种方案，最终确定改动后防波板结构，见图4。此种防波板为拼焊件，分为立板与垫板，立板焊接在垫板上，然后垫板再与筒体焊接，该结构不仅增加了防波板与筒体的接触面积，同时降低了加工成本。在材料厚度方面也由原来的4 mm厚钢板改为3 mm钢板，质量减小40 kg，对整车轻量化提供了较大支撑作用，见图5。

图4 优化流程

图5 防波板结构

3 轻量化箱体强度分析结果

对改进后的结构进行模拟仿真分析，结果如表3所示。由结果可以看出此时最大应力为241 MPa，安全系数达到1.4。应力降低94 MPa，降幅28%。经过对新结构的实车可靠性验证后箱体无开裂漏水问题。说明该结构具有更好的可靠性，见图6。

表3 分析结果表

图6 改进结构的应力（MPa）云图

4 结论

本文以16 t纯电环卫车箱体为研究对象，通过创建有限元分析模型，为纯电环卫车的轻量化设计提供了一条可行的途径，经过优化改进，在解决箱体开裂问题的同时实现降重40 kg，对整车轻量化提供了较大的支撑作用。