自卸車高強度鋼板強度等代設計

自卸車高強度鋼板強度等代設計

隨著石油和鋼材價格的大幅上漲和道路結(jié)算率的引入，這給市場用戶增加了運營成本，也給自離車生產(chǎn)廠帶來了巨大的成本壓力。在某種程度上，成本壓力轉(zhuǎn)移給了市場用戶。市場用戶對自卸車降低自重,以提高運營效益呼聲越來越高。企業(yè)已明顯感覺到呼聲和用戶的成本壓力。在此背景下,自卸車生產(chǎn)企業(yè)紛紛加強了對車輛輕量化的研究。本文就高強度鋼板在自卸車上進行強度等代設計,進行了研究,用有限元法分析了原結(jié)構(gòu)的強度、剛度。討論了不同強度的鋼板替代方案,最后對典型產(chǎn)品進行了強度等代設計,使其自身總質(zhì)量減小了約1000kg,取得良好的輕量化效果。1高強度鋼板材料重復替換的必要性進行高強度鋼板等代計算,首先要知道其替換原則。假設某自卸車結(jié)構(gòu)采用的是普通鋼材,現(xiàn)需用高強度鋼板對其替代,以減輕結(jié)構(gòu)重量。要求在承載能力不變,結(jié)構(gòu)形式不變的前提下,強度不能低于原結(jié)構(gòu)。設普通鋼板結(jié)構(gòu)第i個構(gòu)件的壁厚和屈服應力分別為t0i和(σs)0i,現(xiàn)準備利用一種高強度鋼板進行替換,高強度鋼板構(gòu)件相應的壁厚和材料的屈服應力分別為t1i和(σs)1i。以彈性力學和板殼理論為基礎(chǔ),推導出復雜應力狀態(tài)下利用高強度鋼板替換普通鋼板時壁厚計算公式,即式中,n為構(gòu)件個數(shù)。利用式(1)計算得到的高強度構(gòu)件的強度,不會低于原普通鋼板構(gòu)件,整個結(jié)構(gòu)的強度也不會低于原結(jié)構(gòu)。從上面的公式看出,用什么高強度鋼板材料替換原普通鋼板,直接與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壁厚和材料的屈服應力相關(guān)聯(lián)。實際使用過程中,只要知道新材料的屈服極限即可。這樣得到的結(jié)構(gòu)是偏安全的。2鋼板替換方案確定有了等代替換公式之后,還需對原結(jié)構(gòu)強度剛度進行分析,知道哪些地方強度富裕,哪些地方強度不足,以便確定鋼板替換方案,保證替換后結(jié)構(gòu)承載能力不低于原結(jié)構(gòu)。以柳州運力專用汽車有限公司生產(chǎn)的前頂式重型自卸車車廂為例,進行等代設計研究,該車車廂外形尺寸為:箱長7600mm。寬2500mm,高2000mm。2.1模型的離散化處理車廂主體結(jié)構(gòu)當作典型的板殼結(jié)構(gòu)處理,采用shell63單元對主體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格;翻轉(zhuǎn)支座和油缸支座當作實體處理,采用solid45單元進行離散化處理。采用link11單元模擬舉升機構(gòu)及后翻轉(zhuǎn)支座的受力結(jié)構(gòu),保證支座和車廂連接及運動關(guān)系。在保證計算規(guī)模、計算精度和計算時間協(xié)調(diào)情況下,采用合理的網(wǎng)格密度對車廂劃分網(wǎng)格,共得到318753個單元,284588個節(jié)點,約170萬個自由度。油缸支座局部網(wǎng)格放大圖如圖1。2.2邊板載荷計算受力分析和大量試算表明,在舉升瞬間,車廂結(jié)構(gòu)受力情況最惡劣,基本可以包含其他工況受力情況。因此,以車廂舉升離開副車架的瞬間,作為計算工況。載荷總質(zhì)量以80t計算,邊板載荷以貨物堆至極限高度簡化計算。由于部分局部結(jié)構(gòu)應力集中比較復雜,而且80t載荷超載量偏大,因此在簡化較為真實、應力集中程度不高的地方,主要關(guān)注結(jié)構(gòu)強度指標;結(jié)構(gòu)簡化較大、應力集中程度比較高的地方,主要關(guān)注對比計算,即為后續(xù)改進設計提供對比參考,即要求以后的改進結(jié)構(gòu)相應位置的應力與原結(jié)構(gòu)相同位置應力相比,不得明顯增高,甚至有所降低。2.3應力觀測區(qū)域的劃分(1)應力觀測區(qū)域的確定。對前頂式自卸車車廂進行強度剛度計算,得到車廂的整體應力和整體變形情況。為了更好的反映結(jié)構(gòu)的應力水平,便于后續(xù)的對比分析,對車廂進行了應力觀測區(qū)域分類。應力觀測區(qū)域共分為11個區(qū)域,分別如圖2和圖3所示。(2)整體的應力分布及結(jié)構(gòu)變形。利用有限元軟件對車廂典型工況進行了計算,得到車廂的整體應力分布和整體變形,其整體變形圖如圖4所示。將各應力觀測區(qū)域的最大應力進行列表,為方便改進前后對比,數(shù)據(jù)均列于表3。除了上述觀測區(qū)域外,底板、邊板及前板非應力集中區(qū)域應力水平不高,底板一般在50~100MPa之間,邊板一般在100MPa左右,前板一般在50MPa左右。計算得到單側(cè)最大脹廂為16.62mm。3高強度鋼板替換應用運力公司現(xiàn)生產(chǎn)的前頂重型自卸車車廂常用鋼板材料為Q235。目前市場上高強度鋼板產(chǎn)品比較多,常見牌號如表1所示。根據(jù)企業(yè)鋼材實際應用情況和前面的計算分析所得到的應力分布及各構(gòu)件強度情況,綜合目前市場高強度鋼板品牌、價格和性能指標,在進行高強度鋼板替換應用之前,需要研究確定哪些構(gòu)件用高強度鋼板替換,用什么高強度鋼板更換,更換的板厚是多少才能保證不低于原結(jié)構(gòu)強度。針對前頂重型自卸車車廂常用的6-8mm厚板,(受篇幅所限,本文只應用兩種不同高強度鋼板進行等代替換計算對比),綜合對比情況確定選用何種高強度鋼板。3.1將t650鋼板作為5m鋼板的底板利用T610高強度鋼板替換,其屈服應力為550MPa,取(σs)11=550MPa。用其替換Q235材料的車廂底板,底板厚為8mm,取(σs)01=235MPa,可算出用T610鋼板替代Q235鋼板時,底板的壁厚理論計算值為用其對Q235材料的邊板底板進行替換,邊板底板厚為6mm,取(σs)01=235MPa?？捎嬎愕糜肨610鋼板替代后的壁厚理論計算值為3.2雙板底板厚度用XAR300高強度鋼板替換,其屈服應力為700MPa,取(σs)11=700MPa。用其替換Q235材料的車廂底板,底板厚為8mm,取(σs)01=235MPa,可算出用XAR300鋼板替代Q235鋼板時,底板的壁厚理論計算值為用其對Q235材料的邊板底板進行替換,邊板底板厚為6mm,取(σs)01=235MPa?？捎嬎愕糜肵AR300鋼板替代后的壁厚理論計算值為4高強板料的制作在正式確定選用高強度鋼板品牌之前,還要注意以下兩個問題:(1)在利用高強度鋼板等代設計時,需要對計算得到的壁厚值進行圓整,圓整方向可按四舍五入進行;(2)由于高強度鋼板和普通鋼板的彈性模量相差并不是太大,因此對于強度特別高的材料,如果得出的壁厚值太小,則還需要考慮薄壁構(gòu)件的穩(wěn)定性。通過前面高強度鋼板替換計算及圓整原則可知,XAR300高強板相比T610屈服強度雖然更高,算出的板料更薄,但圓整后兩者厚度是一樣的。從輕量化及價格考慮,選用XAR300高強板意義不大,經(jīng)與采購部門及財務部門核算后,決定采用T610高強度鋼板作為改進替換用材。5鋼板等現(xiàn)代設計應用5.1鋼板板厚的變化根據(jù)前述等代方案計算對比分析,并結(jié)合市場用戶的接受情況,將需替換高強度鋼板部件的板厚進行計算,并將結(jié)果向上或向下圓整。這可由經(jīng)驗和整數(shù)偏差量得到圓整后,再進行強度鋼度校核即可。應用高強度鋼板替換部件列表2。5.2了結(jié)構(gòu)剛度對比采用和原結(jié)構(gòu)一樣的網(wǎng)格密度、載荷工況和約束條件,對高強度鋼板替換后的車廂進行強度剛度校核。車廂強度剛度對比分析。替換后結(jié)構(gòu)與原車廂結(jié)構(gòu)強度剛度結(jié)果對比如表3所示。采用高強度鋼板替換后,車廂整體變形圖如圖5所示,最大變形量為20.5mm,出現(xiàn)在側(cè)板上邊框中段,與原結(jié)構(gòu)的17mm相比略有增大,但是增幅卻并不大。因此,車廂整體剛度沒有明顯下降。6高板下板應力(1)采用高強度鋼板等代設計后,車廂自身總質(zhì)量減少了約1000kg,降重效果非常明顯,且車廂變形沒有明顯增加,說明采用高強度鋼板等代設計是成功的。(2)表中有部份應力值偏高,應為計算結(jié)構(gòu)敏感引起的應力升高,屬局部