静动态工况下的自卸车车厢轻量化设计

王兰花 狄超群 刘 琪

（1.济南大学泉城学院，蓬莱市 265600；2.山东蓬翔汽车有限公司，蓬莱 265600；3.临沂市科学技术合作与应用研究院，临沂 276000）

随着我国经济不断发展，促使货物运输量持续增长，在公路交通运输车辆中，自卸车所占的比例越来越大。由于自卸车车厢自身重量较大，对自卸车燃油经济性造成较大影响，因此在保证自卸车车厢强度与刚度不变的情况下，减少自卸车车厢重量，从而提升自卸车燃油经济性成为了近些年自卸车研究的热点问题。在具体研究设计过程中，不仅对自卸车车厢轻量化设计方案进行研究，也要对自卸车整体结构特点进行分析，从而结合车厢主板结构、整体布局等方面，不断优化自卸车车厢结构。

1 自卸车车厢有限元建模

本文以某款自卸车车厢为例进行分析，该自卸车车厢主要由车厢后栏板总成、车厢前栏板总成、右侧边板总成、左侧边板总成与底板总成5个部件组成，原车身材料均为结构钢Q235、Q345和B510L。同时该车厢属于左右对称的结构，为确保提升计算效率，仅选取自卸车车厢左侧模型即可。将自卸车车厢左侧划分为网格形式，单元总数为626646个；在所有单元中，三角形单元数量需要为2184，使其能够充分满足有限元模型精度要求[1]。

2 自卸车的车厢轻量化设计

2.1 自卸车车厢静态工作轻量化设计

该自卸车车厢在静态工况下，优化设计问题数学描述如式（1）、式（2）所示。

式中，f（x1，x2，…，xn）为车厢的目标函数；x1，x2，…，xn为车厢的设计变量；g.j（x1，x2，…，xn）为m车厢的约束条件。本文对自卸车车厢进行的研究，主要选取车厢总成45个核心部件，不断优化自卸车车厢的轻量化设计。同时所设计的车厢强度的安全系数不低于1.2；前后板总成的变形量不高于10mm；底板总成的变形量不高于15mm；侧板总成与底板总成的变形量不得高于30mm；板材的厚度不低于0.7mm，不高于25mm。结合可以选择的材料，该车厢改的主体结构材料选取QSTE700，其抗拉强度为970.8MPa，屈服强度为745MPa，延伸率为0.144。所以要想在保证不改变车厢零件结构的基础上实现重量减轻设计，不仅要分析自卸车在运行过程中的工况，也要对自卸车刹车工况进行充分的考虑，确保自卸车安全[2]。

2.2 自卸车车厢动态情况下轻量化设计

虽然通过不断优化车厢静态工况尺寸，能够得到相应的车厢板厚，但是无法满足冲击工况要求，因为不仅需要优化设计车厢静态工况，也需要对动态冲击工况结构进行优化设计。本文主要通过运用近似建模技术，对自卸车进行有限元建模，并利用NLPQL梯度优化算法对其进行计算，对车厢动态工况结构进行优化，同时利用Visual DOC计算软件，对整个计算过程进行演算，在确保计算精度的前提下，建立相对复杂的仿真模型，并减少仿真模型分析次数，大幅度提高优化效率[3]。

选用Kriging近似模型建立模型时，必须选取设计空间中样本点进行最优拉丁超立方试验，车厢设计变量X1、X2、X3分别为冲击工况中车厢的底板厚度、内纵梁厚度与内横梁厚度，利用最优拉丁超立方法，选择10个验证样本点与30个建模样本点，建立Kriging近似模型。通海还需要建立以车厢内横梁、内纵梁与底板厚度为变量，以冲击最大变形冲击、最大应力与模型质量为函数的Kriging近似模型，进行试验，确保3种近似模型经过验证之后，均方根误差分别为：0.13639，0.04124，0.04412，得知模型设计能够充分满足精度要求[4]。

最后，利用NLPQL对具有约束非线性数学规划问题进行解决，发挥NLPQL稳定、收敛与易于得到全局最优解等优点。NLPQL中序列二次规划法（SQP）属于极其核心的一种计算方法，通过使用SQP计算方式，能够将目标函数以“二阶泰勒级数”的方式展开，不仅能够转变车厢设计约束条件，使其变为更加简单的线性化问题，也能够将非线性问题转变为二次规划问题，确保求戒指最优化。

2.3 评估轻量化设计自卸车的车厢强度与刚度

对自卸车车厢静态与动态工况进行充分评估，才能确保优化车厢轻量化设计方案的可行性，而且通过选择车厢荷载条件较差的工况，可以验证优化方案荷载极限。车厢静态工况最大变形量边板为26.78mm，最大应力为653.0MPa，底板为11.63mm，车厢的设计满足性能要求。车厢动态工况最大的变形为5.1mm，最大的应力为744.64MPa，能够确保车厢在冲击工况中满足性能要求。优化后的将车厢整体质量由2728kg减至2081kg，减重效果为23.72%。

3 结语

由于自卸车车厢自重过大，需要对之进行有效的优化设计，降低其重量，确从而提高其燃油经济性。本文通过对某自卸车车厢进行研究与分析，在不改变自卸车车厢原结构的基础上，将车厢部件的材料、板厚作为自卸车车厢优化设计的重要方向，从静态与动态两个方面，，进行轻量化的设计，最终实现了自卸车车厢减重的目标，在保证车厢强度与刚度的基础上，自卸车车厢减重效果达到23.72%。