高强度钢板在自卸车轻量化设计上的应用研究

《装备制造技术》２０１０年第９期高强度钢板在自卸车轻量化设计上的应用研究梁冲，黄忠贤，苏雄波（中国重汽集团柳州运力专用汽车有限公司，广西柳州５４５１１２）摘要：应用高强度钢板对前顶重型自卸车车厢进行等代设计，实现自卸车轻量化改进，同时提高车厢抗胀厢、耐冲击能力，延长车厢使用寿命，提升用户营运效益。关键词：自卸汽车；高强板；有限元；等代设计；轻量化中图分类号：Ｕ４６９．４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１０）０９－００５５－０３随着石油、钢材价格的大幅上涨，以及道路计重收费政策的实施，给市场用户增加了营运成本，给自卸车生产厂家带来很大的成本压力，这种成本压力在一定程度上，又转嫁给市场用户。市场用户对自卸车降低自重，以提高运营效益呼声越来越高。企业已明显感觉到呼声和用户的成本压力。在此背景下，自卸车生产企业纷纷加强了对车辆轻量化的研究。本文就高强度钢板在自卸车上进行强度等代设计，进行了研究，用有限元法分析了原结构的强度、刚度。讨论了不同强度的钢板替代方案，最后对典型产品进行了强度等代设计，使其自身总质量减小了约１０００ｋｇ，取得良好的轻量化效果。析，知道哪些地方强度富裕，哪些地方强度不足，以便确定钢板替换方案，保证替换后结构承载能力不低于原结构。以柳州运力专用汽车有限公司生产的前顶式重型自卸车车厢为例，进行等代设计研究，该车车厢外形尺寸为：箱长７６００ｍｍ。宽２５００ｍｍ，高２０００ｍｍ。２．１几何模型及网格的划分车厢主体结构当作典型的板壳结构处理，采用ｓｈｅｌｌ６３单元对主体结构划分网格；翻转支座和油缸支座当作实体处理，采用ｓｏｌｉｄ４５单元进行离散化处理。采用ｌｉｎｋ１１单元模拟举升机构及后翻转支座的受力结构，保证支座和车厢连接及运动关系。在保证计算规模、计算精度和计算时间协调情况下，采用合理的网格密度对车厢划分网格，共得到３１８７５３个单元，２８４５８８个节点，约１７０万个自由度。油缸支座局部网格放大图如图１。１高强度钢板构件等代壁厚计算公式进行高强度钢板等代计算，首先要知道其替换原则。假设某自卸车结构采用的是普通钢材，现需用高强度钢板对其替代，以减轻结构重量。要求在承载能力不变，结构形式不变的前提下，强度不能低于原结构。设普通钢板结构第i个构件的壁厚和屈服应力分别为t０i和（σs）０i，现准备利用一种高强度钢板进行替换，高强度钢板构件相应的壁厚和材料的屈服应力分别为t１i和（σs）１i。以弹性力学和板壳理论为基础，推导出复杂应力状态下利用高强度钢板替换普通钢板时壁厚计算公式［１］，即t１i＝图１油缸支座网格局部放大图式中，n为构件个数。利用式（１）计算得到的高强度构件的强度，不会低于原普通钢板构件，整个结构的强度也不会低于原结构。从上面的公式看出，用什么高强度钢板材料替换原普通钢板，直接与原结构构件的壁厚和材料的屈服应力相关联。实际使用过程中，只要知道新材料的屈服极限即可。这样得到的结构是偏安全的。姨s０it（σs）１i０i（i＝１，２，…，n）（１）２．２计算工况及加载方式的确定受力分析和大量试算表明，在举升瞬间，车厢结构受力情况最恶劣，基本可以包含其他工况受力情况。因此，以车厢举升离开副车架的瞬间，作为计算工况。载荷总质量以８０ｔ计算，边板载荷以货物堆至极限高度简化计算。由于部分局部结构应力集中比较复杂，而且８０ｔ载应力集中程度不高的地荷超载量偏大，因此在简化较为真实、方，主要关注结构强度指标；结构简化较大、应力集中程度比较高的地方，主要关注对比计算，即为后续改进设计提供对比参考，即要求以后的改进结构相应位置的应力与原结构相同位置应力相比，不得明显增高，甚至有所降低。２．３计算结果分析（１）应力观测区域的确定。对前顶式自卸车车厢进行强２原结构强度刚度评价有了等代替换公式之后，还需对原结构强度刚度进行分收稿日期：２０１０－０６－２０作者简介：梁冲（１９６９—），男，广西宜州人，工程师，现任技术中心高级设计师，研究方向为重型自卸车设计、重型矿运车底盘设计。55EquipmentManufactringTechnologyNo.9，2010度刚度计算，得到车厢的整体应力和整体变形情况。为了更好的反映结构的应力水平，便于后续的对比分析，对车厢进行了分别如应力观测区域分类。应力观测区域共分为１１个区域，图２和图３所示。ＳＳＡＢ公司名称太钢表１高强度钢板材料名称Ｔ６１０ＤＯＭＥＸ系列ＤＯＣＯＬ７００ＸＡＲ系列ＨＡＲＤＯＸＢＲＩＮＡＲ４００ＣｒＤＵＲＯＳＴＡＴ４００ＦＯＲＡ４００屈服应力（ＭＰａ）５５０～９００７００～１５００９００１０００根据企业钢材实际应用情况和前面的计算分析所得到的应力分布及各构件强度情况，综合目前市场高强度钢板品牌、价格和性能指标，在进行高强度钢板替换应用之前，需要研究图２应力监测区域示意图确定哪些构件用高强度钢板替换，用什么高强度钢板更换，更换的板厚是多少才能保证不低于原结构强度。针对前顶重型自卸车车厢常用的６－８ｍｍ厚板，（受篇幅所限，本文只应用两种不同高强度钢板进行等代替换计算对比），综合对比情况确定选用何种高强度钢板。３．１采用Ｔ６１０高强度钢板替换利用Ｔ６１０高强度钢板替换，其屈服应力为５５０ＭＰａ，取（σs）１１＝５５０ＭＰａ。用其替换Ｑ２３５材料的车厢底板，底板厚为８ｍｍ，取（σs）０１＝２３５ＭＰａ，可算出用Ｔ６１０钢板替代Ｑ２３５钢板时，底板的壁厚理论计算值为图３应力监测区域示意图t１１＝（２）整体的应力分布及结构变形。利用有限元软件对车厢典型工况进行了计算，得到车厢的整体应力分布和整体变形，其整体变形图如图４所示。将各应力观测区域的最大应力进行列表，为方便改进前后对比，数据均列于表３。用其对Ｑ２３５材料的边板底板进行替换，边板底板厚为６ｍｍ，取（σs）０１＝２３５ＭＰａ。可计算得用Ｔ６１０钢板替代后的壁厚理论计算值为t１２＝３．２s０１＝s１１姨姨s０１＝s１１姨×８＝５．３ｍｍ姨×６＝３．９ｍｍ用ＸＡＲ３００高强度钢板替换用ＸＡＲ３００高强度钢板替换，其屈服应力为７００ＭＰａ，取（σs）１１＝７００ＭＰａ。用其替换Ｑ２３５材料的车厢底板，底板厚为８ｍｍ，取（σs）０１＝２３５ＭＰａ，可算出用ＸＡＲ３００钢板替代Ｑ２３５钢板时，底板的壁厚理论计算值为图４货厢整体变形图t１１＝除了上述观测区域外，底板、边板及前板非应力集中区域应力水平不高，底板一般在５０～１００ＭＰａ之间，边板一般在１００ＭＰａ左右，前板一般在５０ＭＰａ左右。计算得到单侧最大胀厢为１６．６２ｍｍ。用其对Ｑ２３５材料的边板底板进行替换，边板底板厚为６ｍｍ，取（σs）０１＝２３５ＭＰａ。可计算得用ＸＡＲ３００钢板替代后的壁厚理论计算值为t１２＝s０１＝s１１姨姨s０１＝s１１姨×８＝４．６ｍｍ姨×６＝３．５ｍｍ。３高强度钢板替代方案分析４运力公司现生产的前顶重型自卸车车厢常用钢板材料为高强度钢板材料的确定在正式确定选用高强度钢板品牌之前，还要注意以下两Ｑ２３５。目前市场上高强度钢板产品比较多，常见牌号如表１所示。个问题：56《装备制造技术》２０１０年第９期（１）在利用高强度钢板等代设计时，需要对计算得到的壁厚值进行圆整，圆整方向可按四舍五入进行；（２）由于高强度钢板和普通钢板的弹性模量相差并不是太大，因此对于强度特别高的材料，如果得出的壁厚值太小，则还需要考虑薄壁构件的稳定性。通过前面高强度钢板替换计算及圆整原则可知，ＸＡＲ３００高强板相比Ｔ６１０屈服强度虽然更高，算出的板料更薄，但圆选用ＸＡＲ３００整后两者厚度是一样的。从轻量化及价格考虑，高强板意义不大，经与采购部门及财务部门核算后，决定采用Ｔ６１０高强度钢板作为改进替换用材。５．２序号１２３４这可由经验和整数偏差量得到圆整后，再进向上或向下圆整。行强度钢度校核即可。应用高强度钢板替换部件列表２。表２高强度钢板等代替换计算列表原板厚（ｍｍ）８６６６替换Ｔ６１０计算板厚（ｍｍ）５．３３．９３．９３．９圆整板厚（ｍｍ）５４４４替换部件名称车厢底板边板底板前板底板后板底板高强度钢板结构强度验算采用和原结构一样的网格密度、载荷工况和约束条件，对５高强度钢板等代设计应用高强度钢板替换后的车厢进行强度刚度校核。５．１高强度钢板替代方案确定根据前述等代方案计算对比分析，并结合市场用户的接受情况，将需替换高强度钢板部件的板厚进行计算，并将结果表３方案原结构替换结构应力应力与屈服极限比应力应力与屈服极限比车厢强度刚度对比分析。替换后结构与原车厢结构强度刚度结果对比如表３所示。前后车厢强度刚度结果对比应力监测区域（单位：应力－ＭＰａ；位移－ｍｍ）最大１１０１０４．３０５２８２．２５２１３８０．５９１５８０．６７３５９７２．５４３０５１．３０４５４０２．３０５０７２．１６５４２４１．８０７６４１．３９６３２８１．４０４２９０．７８７３０９１．３１３８５０．７８４７３２．０１２６８１．１４９４４３１．２８３７１１．０８１０６９１２．００３３４０．６１１１４６９１．３６４８７０．８９位移１７．０２０．６采用高强度钢板替换后，车厢整体变形图如图５所示，最大变形量为２０．５ｍｍ，出现在侧板上边框中段，与原结构的１７因此，车厢整体刚度没ｍｍ相比略有增大，但是增幅却并不大。有明显下降。约１０００ｋｇ，降重效果非常明显，且车厢变形没有明显增加，说明采用高强度钢板等代设计是成功的。（２）表中有部份应力值偏高，应为计算结构敏感引起的应力升高，属局部尖点应力，实际产品在该处并无产生破坏，更换高强板后，应力与屈服极限比基本都得到降低。（３）采用高强度钢板进行等代设计，虽然因车厢总质量减小而减少的成本与高强度钢板价格上升增加的成本，是相互抵消的，没有直接降低生产成本，但整车总质量的减小，可以减少油耗，提升营运效益，同时提升车厢的使用寿命，用户是欢迎的。图５车厢整体变形图６结束语（１）采用高强度钢板等代设计后，车厢自身总质量减少了参考文献：［１］范世斌，马力，高金玲．专用车构件高强度钢板强度等代设计中的板厚计算［Ｊ］．专用汽车，２００９，（１）：３６－３７．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌｉｎｔｈｅＬｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＨｅａｖｙＤｕｍｐＴｒｕｃｋＬＩＡＮＧＣｈｏｎｇ，ＨＵＡＮＧＺｈｏｎｇ－ｘｉａｎ，ＳＵＸｉｏｎｇ－ｂｏ（ＳｉｎｏｔｒｕｋＬｉｕｚｈｏｕＹｕｎｌｉＳｐｅｃｉａｌＰｕｒｐｏｓｅＶｅｈｉｃｌｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＬｉｕｚｈｏｕＧｕａｎｇｘｉ５４５１１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｎｏｔｈｅｒｔｙｐｅｏｆｔｈｅｈｅａｖｙｄｕｍｐｔｒｕｃｋ，ｗｈｉｃｈｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｉｓｔｈｅｆｒｏｎｔ－ｄｉｒｅｃｔｔｙｐｅ，ｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｓｔｅｅｌ．Ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｈｅｌｌｉｓｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｂｙｔｏｗｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｓｔｅｅｌｉｎｔｈｅｍａｒｋｅｔａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｎｄｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｏｆｔｈｅｈｅａｖ