某宽体自卸车驾驶室白车身的仿真分析

肖扬国 张召春 唐 笑

(三一重工股份有限公司 车身研究所，湖南 长沙 410100)

0 前言

宽体自卸车具有价格低、装载量大、整车重心低、适应能力强、运输效率高、盈利性好，以及投资回报快等特点。近年来，宽体自卸车作为露天矿山的一种新的物料运输工具，得到了广泛的推广与应用，主要用于运输露天矿山土石方剥离和运输。宽体自卸车的主要目标市场为露天煤矿，次要目标市场为水电站等大型基建工程、有色金属矿山，以及中小型铁矿等[1]。

驾驶室作为宽体自卸车的非承载部件，其强度要求在车辆的设计过程中经常被忽视，但实际上驾驶室的固有频率对驾乘人员的舒适性影响很大[2]。由于宽体自卸车的使用环境复杂多变，车辆承受着来自路面和装载物品的各种复杂载荷作用，因此在驾驶室的设计开发中，需要足够的强度和刚度使驾驶室部件的相对位置在行驶过程中不发生改变，并保证其可靠性和使用寿命[3]。如果驾驶室的刚度不足，容易激起驾驶室内的振动和噪声，从而影响驾乘人员的乘坐舒适性和操纵稳定性；此外，振动的幅值和频率也会使部分零件的寿命缩短，可靠性下降。驾驶室易受到非平整路面、发动机的燃烧振动等多个激励源的激励，从而发生受迫振动。当外界激励与驾驶室固有频率相近时，驾驶室会出现共振现象，产生令驾乘人员极度不舒适的噪声和振动，影响驾乘人员的驾乘体验。因此，驾驶室设计还需要考虑主激励源工作频率的影响。

1 强度分析

对某宽体自卸车驾驶室白车身进行了计算机辅助工程(CAE)有限元强度仿真分析。该白车身强度仿真模型的单元数为806 392，节点数为797 748，焊点采用ACM单元，胶粘类型为RBE3-HEXA-RBE3，约束驾驶室与悬架连接点，边界载荷为车身硬点处载荷，采用惯性释放法。白车身所用材料参数见表1。按照表2中9种典型工况(其中，g为重力加速度)进行加载并分别进行强度仿真分析。

表1 白车身使用材料参数

表2 宽体自卸车载荷工况

各工况下白车身的最大应力及位置见表3。通过计算求解，左转弯、四轮垂跳、过坑冲击、刹车右转向等4种工况的最大应力主要集中在前围右侧横梁下部支架焊接处(图1(a)中位置1)；右转弯、1g对角悬空、向前制动、反向制动、刹车左转向等5种工况的最大应力主要集中在前围左侧钣金与横梁焊接处(图1(b)中位置2)。

图1 应力云图

由表3可知：位置1处所用材料为Q235B低碳钢，该材料的屈服强度为235 MPa，最大应力出现在四轮垂跳工况，为183.7 MPa，所用材料满足强度要求；位置2处所用材料为DC04不锈钢，该材料的屈服强度为150.0 MPa，最大应力出现在右转弯工况，为148.3 MPa，仅比材料屈服强度小1.7 MPa，因此需要进行加强。鉴于材料成型性和材料成本的约束，建议不更改材料，采用增加加强板的方式进行补强。

表3 各工况最大应力及位置

2 刚度分析

白车身刚度仿真模型的单元数为725 219，节点数为713 829，焊点采用ACM单元，胶粘类型为RBE3-HEXA-RBE3，螺栓采用RBE2单元。在后悬置处及前悬置处施加约束，在前后悬置中点对应地板处分别施加向下10 000 N的Z轴向力，模拟计算白车身的弯曲刚度；在后悬置处施加约束，在前悬置处施加绕X轴5 000 N·m的力矩，模拟计算白车身的扭转刚度。计算结果为：白车身的弯曲刚度为80 482.9 N/mm，远大于目标值(20 000.0 N/mm)；白车身的扭转刚度为60 975.6 N·m/(°)，大于目标值(50 000.0 N·m/(°))，满足刚度要求。

3 一阶自由模态分析

白车身一阶自由模态仿真模型的单元数为663 300，节点数为 654 548，焊点采用ACM单元，胶粘类型为RBE3-HEXA-RBE3，螺栓采用RBE2单元，无约束、无载荷。白车身的一阶自由模态分析如图2所示。由图2可知，白车身一阶弯曲模态频率为46.1 Hz，一阶扭转模态频率为24.2 Hz。本文中驾驶室搭配6缸发动机，怠速为(600±50)r/min，怠速频率为27.5～32.5 Hz。白车身一阶弯曲模态频率及一阶扭转模态频率距离发动机怠速频率区间均超过3.0 Hz，不会引起车身的低频共振，满足设计要求。

图2 白车身一阶自由模态

4 结论

本文以某宽体自卸车驾驶室白车身作为研究对象，针对9种典型使用工况，对驾驶室白车身的强度进行了仿真分析研究；同时，对白车身的刚度及一阶自由模态进行了仿真分析。研究结论如下：

(1)通过CAE 分析发现，该驾驶室在左转弯、四轮垂跳、过坑冲击、刹车右转向4种工况下的最大应力主要集中在前围右侧横梁下部支架焊接处，其材料强度满足要求；右转弯、1g对角悬空、向前制动、反向制动、刹车左转向5种工况下，最大应力主要集中在前围左侧钣金与横梁焊接处，且该处所受最大应力基本接近材料的屈服强度，需要进行优化改进以满足强度要求。

(2)该驾驶室白车身的弯曲刚度和扭曲刚度相对目标值有较大余量，说明该驾驶室的结构设计可以很好地满足驾驶室的刚度要求。

(3)该驾驶室白车身的一阶弯曲模态频率为46.1 Hz，一阶扭转模态频率为24.2 Hz，均距离发动机怠速频率区间超过3.0 Hz，满足设计要求。