重型自卸车前板结构刚强度分析与优化

随着城市发展的步伐不断加快，适用于各种工况的自卸车、城市渣土车市场需求量不断增大。

大多数自卸车举升油缸支座安置在前板下端，通过油缸举升完成车厢倾翻作业流程。前板油缸支座在车厢举升初始时刻受到最大举升力作用，如果前板结构刚强度不能满足设计需求，其结构在举升力的作用可能会发生变形或者失效断裂。

本文将对市场某款自卸车的前板总成进行有限元分析，对其进行结构进行强度校核，并结合分析结果对前板总成轻量化设计。

图1 自卸车前板总成

• 建立模型

图2所示为前板总成结构，其中横衬、竖衬相交处满焊，横衬、竖衬与大板之间断续焊，焊接80mm、空200mm；

支座总成与大板之间通过螺栓连接，有限元模型中通过耦合约束模拟螺栓连接；

由于前板结构具有对称性，建模模型只建立一半结构即可。有限元模型网格平均尺寸为10mm。焊接采用四边形壳单元模拟。

图2前板有限元模型

• 材料模型

本文分析的自卸车总质量为31吨，载重约18吨，前板部件材料为涟钢汽车车厢钢材LG700XL。

该材料性能参数如下图3所示，其屈服强度为730Mpa，抗拉强度为784Mpa，该材料即可用于车厢结构，也可用于大梁结构。

表1 前板结构材料特性参数

部件	厚度mm	材料名称	弹性模量Mpa	泊松比	屈服强度Mpa	抗拉强度Mpa	延伸率%
大板	3	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04
长横衬	3	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04
短横衬	2	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04
竖衬	4	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04

• 边界条件与载荷

约束前板与侧板交接处单元节点所有自由度；对称面设定对称约束；整车载重35吨（模拟超载），根据理论计算，前板支座的受到的作用力为140000N，现在进行对称分析，单个支座载荷为70000N，边界条件与载荷如下图3所示。

图3前板边界条件与载荷

• 分析结果

图4-7为前板结构在该工况下的变形及位移云图：

1）图4显示前板结构最大位移为1.7mm，最大值区域位于支座轴孔处；

2）图5显示前板结构最大等效应力为671Mpa，位于前板支撑与前板焊接附近区域，安全系数S1=730/671=1.09，安全系数较低；

3）图6显示靠近底部的横衬与竖衬交接处区域单元应力为316Mpa，安全系数S2=730/316=2.3。

图5 前板位移云图

图6 前板应力云图一

图7 前板应力云图二

• 结构优化

基于上述分析结果可知，前板大板在自卸车超载情况下（载重35吨）结构强度安全系数较低，横竖衬的结构强度安全系数达到设计要求，所以可对前板采用更高强度的材料进行替换。

本文采用涟钢NM450材料替换前板原LG700XL材料，并针对前板总成轻量化设计，图8、9为优化后结构的。调整后的结构尺寸及材料如下表2所示。

表2  优化后前板结构尺寸与材料参数

部件	厚度mm	材料名称	弹性模量Mpa	泊松比	屈服强度Mpa	抗拉强度Mpa	延伸率%
大板	2	NM500	211000	0.3	1346	1517	12.96
长横衬	3	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04
短横衬	2	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04
竖衬	3	LG700XL	206000	0.29	730	784	20.04

1）图4显示前板结构最大位移为2.4mm，最大值区域位于支座轴孔处，相比原结构增大0.7mm，从应力结果来看，变形属于弹性变形可恢复；

2）图8显示前板结构最大等效应力为896Mpa，位于前板支撑与前板焊接附近区域，安全系数S₁₁=1346/896=1.5，达到安全系数设计要求1.5；

3）图8显示靠近底部的横衬与竖衬交接处区域单元应力为373Mpa，安全系数S₂₂=730/373=1.96，相比原结构安全系数有所减小，但是超过1.5，可接受。

图8优化后前板位移云图

图9优化后前板应力云图

• 总结

优化结构采用高强钢NM450代替前板大板LG700XL材料，前板大板强度安全系数提高至1.5，同时大板厚度由3mm减薄至2mm、竖衬由4mm减薄至3mm，前板总成减重34kg，相对前板总成占比17%。

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来源：本微信公众号