基于有限元的純電動壓縮式垃圾運輸車側護欄的輕量化設計

劉曉輝 燕志軍

摘要：針對新設計的純電動壓縮式垃圾運輸車側護欄，即需要滿足國家汽車質量監督檢驗中心的強制要求，還要滿足純電動汽車對輕量化的要求。首先分析《汽車及掛車側面和后下部防護要求》對側護欄的強制認證要求，類比已經試驗驗證的同類型鋼質側護欄，繪制三維模型并導入有限元分析軟件，按照強制認證條件對其進行有限元分析并記錄分析結果;然后參照鋼質側護欄繪制鋁質側護欄三維并導入有限元分析軟件，按照強制認證條件對其進行有限元分析并記錄分析結果，經對比分析發現鋁合金材質的側護欄也是滿足國家強制認證要求的;最后委托國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）對其進行強制認證，發現鋁質側護欄也滿足國家強制性認證標準，從而驗證了基于有限元的純電動壓縮式垃圾運輸車側護欄的輕量化設計方法是可行性的。

關鍵詞：側護欄;輕量化設計;純電動汽車;強制認證

中圖分類號：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0218-03

0? 引言

隨著經濟的快速增長和城鄉一體化進程的快速推進，垃圾特別是生活垃圾日漸增多，成為困擾居民生活的一大詬病。純電動壓縮式垃圾運輸車由于零排放、低噪音、運量大，成為生活垃圾運輸的首選車輛。

汽車輕量化是純電動汽車的關鍵技術，但純電動壓縮式垃圾運輸車側護欄在設計初期，由于缺乏必要的數據，一般是從傳統燃油壓縮式垃圾運輸車嫁接過來，采用鋼質材料，這種側護欄雖然安全系數高，但其重量較重，與發展純電動汽車的設計初衷有些不符。

本文采用有限元仿真手段，類比以往同類型車輛側護欄的設計經驗，參照價格工程的設計理念，設計出滿足國家強制認證要求的側護欄。

1? 鋼質側護欄仿真

國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發布的GB 11567—2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》[1]，是壓縮式垃圾運輸車側護欄設計和仿真的重要依據。

1.1 鋼質側護欄有限元模型

1.1.1 鋼質側護欄分析模型

在繪制有限元分析模型時，要考慮模型的真實性、實用性、可靠性以及可鑒賞性[2-4]。類比傳統側護欄的結構，簡化掉不受力的裝飾性構件，省略掉影響分析的倒角和倒圓，生成的鋼質側護欄有限元分析三維模型[5]（橫梁為矩形管型材）如圖1所示。

1.1.2 鋼質側護欄材料屬性及網格劃分

鋼質側護欄的材料為Q345[6]，彈性模量為E=2.06×105 MPa，泊松比為μ=0.3，密度為ρ=7.85×10-6kg·mm-3，屈服極限σs=345MPa。

在Workbench的工作界面[4]，對鋼質側護欄有限元分析模型采用默認單元類型，Relevance Center手動選擇Medium，Smoothing手動選擇Medium，Transition手動選擇Fast，Span Angle Center手動選擇Medium。由于側護欄和底盤連接桿間通過螺栓連接，所以側護欄和底盤連接桿間設置為Frictional，摩擦系數設置為0.2。其余為默認值，生成71088個節點，27912個單元，網格劃分模型[7-9]如圖2所示。

1.1.3 鋼質側護欄力學模型

在底盤連接桿加載全約束，在加載塊加載相應的載荷。生成的鋼質側護欄力學模型如圖3所示。

1.1.4 鋼質側護欄加載載荷

選取GB 11567—2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》規定的試驗載荷（1kN）為有限元分析載荷;加載位置選取圖4中的B1柱和B2柱間的中心位置A1，B2柱和B3柱間的中心位置A2，B3柱的中間位置A3。鋼質側護欄具體加載力的大小和位置如表1所示。

1.2 鋼質側護欄有限元仿真

對壓縮式垃圾運輸車按照GB 11567—2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》規定的加載載荷以及加載點進行有限元仿真，得到的剛度（合位移）結果如圖5和表2所示。

1.3 鋼質側護欄有限元仿真結果

由有限元仿真結果可以看出：壓縮式垃圾運輸車鋼質側護欄剛度整體較好，最大變形發生在側護欄的右側，最大值發生在壓頭加載在A2時，最大變形量為3.7772mm，能很好的阻止側面撞擊，同時能保護駕駛員的安全。

2? 鋁質側護欄仿真

類比鋼質側護欄的結構，考慮價值工程和市場的認可度，設計鋁質側護欄并進行有限元分析，以驗證鋁質側護欄的設計效果。

2.1 鋁質側護欄有限元模型

2.1.1 鋁質側護欄分析模型

設計鋁質側護欄時，要優先選用易采購、剛度好且性能可靠的鋁合金材質。經多因素綜合考慮，側護欄的支撐D（如圖6）和封頭E（如圖6）采用和鋼制側護欄同種規格的鋁合金型材，而橫梁F（如圖6）采用鋁合金型材，繪制的鋁質側護欄分析模型如圖6所示。

2.1.2 鋁質側護欄材料屬性及網格劃分

鋁合金側護欄的材料為6063[6]，彈性模量為E=0.71×105MPa，泊松比為μ=0.33，密度為ρ=2.77×10-6kg·mm-3，條件屈服強度σs=170MPa。在Workbench的工作界面，對鋁質側護欄有限元分析模型采用和鋼質側護欄相同的約束條件和加載條件，生成83368個節點，31332個單元，網格劃分模型如圖7所示。

2.1.3 鋁質側護欄力學模型

將底盤連接桿加載全約束，在加載塊加載和鋼質側護欄相同的載荷。生成的鋁質側護欄力學模型如圖8所示。

2.2 鋁質側護欄有限元仿真

對鋁質側護欄有限元分析模型，按照《汽車及掛車側面和后下部防護要求》的加載載荷以及加載點進行有限元仿真，得到的剛度（等效應力）結果如圖9和表3 所示。

2.3 鋁質側護欄有限元仿真結果

由鋁質側護欄有限元仿真結果可以看出：類比設計后的鋁質側護欄整體剛度較好，最大變形也發生壓頭側護欄的右側，最大值發生在壓頭加載在A2時，最大變形量為3.7527mm。鋁質側護欄的剛度和鋼質側護欄基本相同，具有很好的防止側面的撞擊的作用，最主要的是采用鋁質側護欄重量減輕了近45kg。

3? 強制檢測驗證

純電動壓縮式垃圾運輸車鋁質側護欄經試制、試驗以及制造后委托國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）進行強制性檢驗，經檢驗符合GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》中側部防護裝置的要求?，F場檢測實景如圖10所示，檢測報告如圖11所示。

可以看出，純電動壓縮式垃圾運輸車鋁質側護欄符合國家汽車質量監督檢驗中心的強制要求，可以為側面撞擊在一定程度上提供防護，保護駕駛員的安全。

4? 結論

針對純電動壓縮式垃圾運輸車鋁質側護欄，在設計初期缺乏必要的試驗數據和設計經驗，首先仿真以往成熟的鋼質側護欄結構并記錄仿真數據;然后選擇合適的鋁合金型材，通過類比方法設計鋁合金側護欄;最后通過不斷優化和有限元仿真找到符合要求的鋁質側護欄模型。

本文基于有限元的類比設計方法可為類似產品的研發設計提供一定的參考。

參考文獻：

[1]GB11567-2017，汽車及掛車側面和后下部防護要求[S].

[2]單芝慶，息樹辛，等.側防護模塊化設計在攪拌車上的應用[J].科技創新與應用，2016（11）：107.

[3]孫凱.探討牽引車側防護裝置的布置與設計[J].知識經濟， 2013（11）：112.

[4]陳濤.牽引車側防護裝置的布置與設計[J].汽車實用技術，2011（06）：18-20.

[5]蒲廣益.ANSYS Workbench 基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[6]徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[7]劉曉輝，王文豪，等.基于有限元的攪拌筒前支架的優化設計[J].內燃機與配件，2019（08）：22-25.

[8]劉曉輝，王文豪，等.基于模態分析的高壓清洗車副發罩殼的優化設計[J].內燃機與配件，2019（09）：76-78.

[9]劉曉輝，劉英，等.基于Workbench的混凝土攪拌車前支架的輕量化改進[J].筑路機械與施工機械化，2014（10）：90-93.