重载矿用自卸车车厢轻量化耐久技术应用

赵阳，顾林豪，张岩，刘旭明，李彬周，董现春

(1.鞍钢集团北京研究院，北京 102211；2.鞍钢集团北京研究院高性能计算中心，北京 102211；3.首钢集团有限公司技术研究院，北京 100043)

21世纪以来，中国经济对矿产资源的强劲需求促进了矿山行业的结构调整，大中型矿山占比逐年增长。在大中型矿山开采过程中，使用大吨位的矿用自卸车可以显著降低开采成本[1]。重型矿用自卸车整车整备质量占比中车厢的占比水平在15%～25%，目前，国内矿用自卸车车厢制造材料仍以普通结构钢Q235钢板为主，少量部位使用低合金结构钢Q345钢板，与国际轻量化先进水平存在较大差距。

跟随有限元仿真软件发展的潮流，中国多位学者对矿用自卸车车厢的有限元分析进行了研究。马洪锋等[2]采用ADAMS 对矿用自卸车车厢进行了结构设计和仿真分析；余振伟等[3]采用ANSYS三维实体单元对自卸车车厢进行了多工况受力分析；董志明等[4]采用Workbench壳-实体混合单元对自卸车车厢进行了多工况受力分析；石金鹏等[5]采用APDL语言对SGA3723矿用汽车货箱进行了轻量化设计。

近3年来，矿用自卸车车厢的研究逐渐分化为两种模式：HyperWorks模式[6-8]，Workbench模式[9-10]。其中HyperWorks模式主要集中在高等院校，其特点是将乘用车领用的HyperWorks研究模式应用于矿用自卸车领域，但是该模式对研究人员要求较高，难以快速推广。而Workbench模式主要集中在钢铁企业中，该模式具有技术难度低，易推广的特点，但是仿真精度不如HyperWorks模式。现开发一种基于Workbench模式的混合单元参数化有限元建模分析技术，降低参数化寻优技术在矿用自卸车车厢研究中的应用门槛，为广大矿用自卸车生产企业提供一种科学有效的轻量化方法，促进高强钢板在中国重载矿用自卸车车厢上的推广和使用。

1 混合单元参数化寻优技术

1.1 矿用自卸车车厢仿真的技术特点

在有限元结构仿真分析时选用不同的单元类型可以获得不同的计算精度和不同的计算效率，研究表明自卸车车厢采用壳单元和实体单元混合建模方式，可以获得最优的计算精度和计算效率[11-12]。但是，单元的混用会对模型参数在建模软件与仿真软件之间的传递产生影响，此时已经无法通过软件间的参数传递协议完成混用单元的参数化传递工作[13-14]，需要APDL语言[15]HyperMesh、Optistruct[16]等专业化操作甚至Python[17]语言的编程二次开发操作才能实现参数化传递与寻优分析，由于技术门槛较高，因此该技术一般用于乘用车技术开发或者高校的学术研究中，且存在日渐复杂化的趋势。

矿用自卸车是一种特殊的商用车，由于其结构特殊，与常规自卸车车厢不通用，矿用自卸车车厢的研究者多集中在矿车制造公司，此类公司普遍采用行业通用的SolidWorks作为三维绘图工具，员工的有限元分析能力与高等院校和乘用车生产企业有着较大的差距。矿用自卸车车厢轻量化研究人员对轻量化技术的要求是简单高效易于操作，因此经验法和试错法仍是其主流研究方法，由此造成研发周期长、误差大，严重阻碍了高强钢板在中国矿用自卸车车厢上的推广和使用。

结合矿用自卸车车厢轻量化工作的研究者的技术现状，提出了一种适合矿用自卸车车厢的低门槛的参数化寻优技术，方便寻优技术在矿用自卸车车厢生产企业中快速推广，并应用于某150 t重载矿用自卸车车厢轻量化生产中，使用Q690D和NM450完成了车厢轻量化设计和生产，优化后的车厢已完成两年以上的上路检验，为企业创造了巨大的经济效益。

1.2 混合单元参数化技术的实现

从学习成本角度出发，矿用自卸车科研工作者所需要的参数寻优技术必须兼顾其所熟悉的SolidWorks绘图工具，以避免二次学习成本和二次建模成本的产生，对比多款仿真软件，最终选择了操作简单、易于上手的Workbench作为后续仿真分析及寻优软件，但是二者间的参数化传递，尤其是混合单元的参数化传递是需要攻克的技术难点。

在进行混合单元参数化传递时，首先通过SolidWorks的建模优化，将模型分为需要壳单元网格划分的子模型1和需要实体单元网格划分的子模型2，针对子模型1采用生产企业现有的三维模型在SolidWorks中进行抽取中面操作，获取壳单元所需的曲面结构；针对子模型2，由于关键承载件多是有钢板折弯焊接而成，采用生产企业现有的三维模型在SolidWorks中进行实体模型简化，还原为钢板结构并抽取中面，获得通过拉伸即可生成实体的曲面结构[18]。

将上述模型导入到Workbench的直接建模工具Spaceclaim中，对子模型1所对应的曲面结构进行如图1所示的分组和参数化赋予，对子模型2对应的曲面结构进行如图2所示的进行拉伸操作生成参数化实体，并完成参数化工作。

图1 子模型1壳单元参数化流程

图2 子模型2壳单元参数化流程

如图3所示，将完成参数化后的子模型1和子模型2合并保存导入到Workbench中，即可完成参数化传递工作，通过子模型的方式解决了壳单元和实体单元同时参数化建模难度大的问题[16]。然后通过Workbench的Design Exploration模块进行参数化寻优。即可完成基于混合单元参数化的重载矿用自卸车车厢结构耐久研究流程搭建工作。该技术中所有操作均为软件基本操作，尽可能地降低了矿用自卸车车厢的参数化寻优技术门槛。便于在矿用自卸车车厢生产企业中快速推广。

2 混合单元参数化寻优技术的应用

2.1 混合单元参数化模型应用

以某150 t重载矿用自卸车车厢为例，预期采用先进的高强钢(NM450和Q690D)代替普通的结构钢(Q235)，首先获得矿山公司提供三维SolidWorks模型，然后按照图3所述的基于混合单元的参数化传递方法，对于车厢板等宽厚比较大的部件，采用壳单元进行参数化建模；对于车厢底部如铰接支座等结构复杂且承受较大纵向压力的关键承载件，采用实体单元进行参数化建模；通过SolidWorks操作将模型分为子模型1和子模型2，并按照图3所述流程完成参数化传递到有限元分析软件Workbench中。完成后的有限元模型。具体如图4所示，模型共包括39 959个壳单元(37 467个节点)和5 868个实体单元(29 188个节点)。

图3 基于混合单元参数化寻优流程

图4 某150 t重载矿用自卸车车厢参数化示意图

2.2 原车厢应力评估

矿用自卸车车厢轻量化分析前，需要确定原车厢在不同工况下的受力情况，此处采用4种常用工况作为评判依据，分析结果如图5所示。

图5 原车厢四种工况应力评估

工况1：极限满载工况，考虑重型自卸矿车装载货物为大块矿石，在纵梁间的几个局部区域添加150 t载荷，前后悬架位置为固定约束，对整车施加标准重力Standard Earth Gravity。车厢最大应力46.28 MPa位于两侧下纵梁前部。

工况2：极限满载弯扭复合工况，模拟左前轮悬空的工况，在此情况下，右前悬挂与后部悬挂采用固定约束，限制其x、y、z3个方向的自由度。车厢最大应力89.768 MPa位于右下纵梁前部。

工况3：满载启动工况，分析满载启动时车厢中所载货物对车厢整体的受力影响。此处采用0.3 m/s2的启动加速度，为表征货物在启动加速度下对车厢的冲击力，采用Point Mass的形式添加载荷，使其与车厢底部受力位置相连接，变形行为为Deformable。车厢最大应力102.28 MPa位于右下纵梁前部。

工况4：满载制动工况，分析满载刹车时车厢中所载货物对车厢整体尤其是前车厢板的受力影响。此处采用0.3 m/s2的制动加速度，其余工况与满载启动一致，车厢最大应力207.32 MPa位于右下纵梁前部。

由分析结果可知，不同工况下，最大应力出现在下纵梁前部，这是由于矿用自卸车车厢装载货物特性以及自卸车车厢结构有关，原设计采用Q235作为车厢材料，其屈服强度为250 MPa，按照1.5的安全系数折算，许用应力为167 MPa，可知在工况1～工况3的情况下，结构有足够的安全余量，但是在工况4的情况下，结构设计安全余量不足。

2.3 参数化寻优及安全校核

为了采用先进的高强钢(NM450和Q690D)代替普通的结构钢(Q235)完成轻量化设计，需要对前板等5个部位进行参数化寻优，首先将材料设定为Q690D，然后通过Workbench设定两个寻优目标，分别为工况4的最大应力和车厢总重，通过Direct Optimization模块设定寻优目标1为：应力最大值不大于300 MPa；寻优目标2为车厢总重最小，即可选用Adaptive Multiple-Objective模式进行寻优，均为基本操作，简单易行。设计变量初始选取范围及寻优圆整后的结果如表1所示。

表1 寻优及参数圆整

将寻优圆整后的结果参数代入4种工况进行受力分析，其受力云图分别如图6所示。

图6 轻量化车厢四种工况应力评估

由图6可知：4种工况的最大应力分别为：60.147、129.61、134.4和305.15 MPa。通常寻优后的最优解各部位钢板厚度不为整数，无法直接用于生产，圆整后结果非最优解，因此会出现工况四的最大应力略超寻优目标的情况，此为参数化寻优的正常情况。由于轻量化后的钢板选材为Q690D和NM450，其中Q690D的屈服强度为700 MPa，NM450的屈服强度为1 100 MPa，选取2.0的安全系数时，Q690D和NM450的许用应力分别为350 MPa和550 MPa，4种工况的最大应力均处于安全范围内。

2.4 基于6 sigma的结构耐久研究

矿用自卸车车厢有限元模型是车厢结构的理想状态。在实际生产过程中，存在钢板厚度波动、板形不良、焊缝局部软化、焊缝不完全对齐等多种影响因素，在实际使用过程中，亦存在结构局部变形、车厢钢板磨损减薄等影响因素，在矿用自卸车车厢设计时必须考虑这些影响因素。尤其是车厢钢板磨损后结构刚度下降情况下的使用安全性问题，方可提高轻量化设计的安全系数和结构的耐用性。

将Workbench的基于6 sigma统计评估法的可靠性分析方法引入到重型自卸矿车车厢的应力分析中，利用6 sigma分析模块参数化模型厚度波动来表征车厢钢板磨损后的最大应力情况，由于其他因素与车厢钢板磨损的影响效果类似，因此通过放大车厢钢板磨损量，即可模拟其他影响因素对车厢结构最大应力的影响，应力最大的工况4为例，未采用该方法以轻量化后车厢最大应力为305.15 MPa，设定前板等5个部位厚度值的5%的作为参数化波动，如图7所示，此时最大应力符合均值为305.81 MPa，标准差13.062 MPa的正泰分布式，在最极端的情况下，最大应力仍小于350 MPa，满足Q690D的2倍安全系数要求，整车轻量化设计安全可靠。

图7 满载制动工况6 sigma分析结果

前板厚度与最大应力的关系图如图8所示，可以看出对于前板12 mm为应力最小值，也验证了参数化寻优结果的正确性。

图8 前板厚度波动与最大应力关系图

3 重型自卸矿车车厢的制造工作

3.1 下料和冷成型

轻量化车厢生产的第一步是根据图纸进行钢板下料，下料采用等离子切割设备，保证原料钢板尺寸的精度。钢板下料完成后利用折弯机进行冷成型，加强筋通过折弯机弯曲成所需形状，加强筋主要以“U”字形为主。

3.2 焊接制造

下料和冷成型完成后，进行车厢的焊接制造。轻量化车厢为全焊接结构，焊接制造是生产过程中重要组成部分，第一阶段进行底板和侧板加强筋的焊接，以及半车厢的组对焊接；第二阶段进行总装焊接。根据焊接工艺评定试验结果，制定了轻量化车厢不同焊缝的焊接工艺规程和焊接规范。总装焊接主要有4种不同的焊缝，分别为焊缝A、焊缝B、焊缝C和焊缝D，均为CO2气体保护焊，具体焊接工艺如下焊后车厢如图9所示。

图9 轻量化车厢焊接制造图

(1)焊缝A。底板纵焊缝预热焊接，预热温度为120 ℃，层间温度范围为120～200 ℃。

(2)焊缝B。前挡板纵焊缝预热，预热温度为120 ℃，层间温度范围为120～200 ℃。

(3)焊缝C。前挡板横焊缝，搭接，不预热，仰焊，层间温度范围为120～200 ℃。

(4)焊缝D。前挡板横焊缝，搭接，不预热，平焊，层间温度范围为120～200 ℃。

3.3 探伤

焊缝的液体渗透探伤(penetrant testing，PT)和超声波探伤(ultrasonic testing，UT)是检验焊接接头表面缺陷的主要方法。如图10所示，为保证车厢结构安全，需要对车厢焊接的所有焊缝进行着色和超声波探伤，检查焊接接头表面的缺陷情况，对出现缺陷的焊缝及时进行修复。通过探伤检测，保证车厢的焊接接头和焊缝在投入生产应用前不出现任何缺陷。

图10 车厢焊缝PT探伤和UT探伤

4 重载自卸车车厢轻量化运营分析

轻量化后车厢已经投入某矿山使用2年，跟踪数据表明原车厢自重27 t，轻量化车厢自重22 t，轻量化车厢减重5 t，车厢减重18.52%。

原车厢油耗均值为928.47 kg/(万t·km)，轻量化车厢油耗均值为927.01 kg/(万t·km)。单耗降低1.46 kg/(万t·km)，降幅为0.16%。年节约柴油量为51 841.4 kg，年节约柴油经济效益约26万元。

跟踪数据表明，原车厢板每万吨物料平均磨损量为0.103 6 mm，轻量化车厢板每万吨物料平均磨损量为0.056 mm。新车厢的磨损量相当于原车厢的54.05%，使用寿命为原车厢的2倍左右。

由于运营状况良好，每月减少维检费用2万元，年经济效益为24万元。

5 结论

(1)开发了一种适合矿用自卸车车厢生产企业的低门槛参数化寻优技术。将需要参数化建模的壳单元和实体单元模型分成子模型1和子模型2，然后分别用不同的方法实现参数化建模，最后合并后实现参数化寻优，该方法极大的降低参数化寻优技术在矿用自卸车车厢研究中的应用门槛，为广大矿用自卸车生产企业提供一种科学有效的轻量化方法，促进高强钢板在中国矿用自卸车车厢上的推广和使用。

(2)提出了一种基于6 sigma的结构耐久研究技术，针对车厢生产和使用过程中车厢板磨损等引起的结构刚度下降问题，从概率的角度定量化描述了车厢轻量化后的结构耐久安全问题，相较于疲劳分析技术，能更量化车厢板磨损后造成的结构刚度下降的影响，为矿用自卸车车厢轻量化提供了一种结构耐久分析的思路。

(3)利用混合单元参数化寻优技术对某150 t重载矿用自卸车车厢进行了轻量化寻优，使用Q690D和NM450完成了车厢轻量化设计和生产，经过两年的客户跟踪车厢结构安全可靠，轻量化后车厢减重5 t(减重比18.52%)，单车年节约燃油和维检费用约50万元，车厢耐久寿命为原车厢的2倍左右。