机箱一体式垃圾转运箱箱体的轻量化设计

机箱一体式垃圾转运箱箱体的轻量化设计
作者：何洪姜涛
来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2013年第06期
本文根据机箱一体式垃圾转运箱箱体的结构特点和工作原理，确定箱体结构的危险工况。

应用ANSYS建立箱体结构的参数化模型，对箱体结构在压缩垃圾、装车、运输及卸载等危险工况下的强度进行分析，得到各工况下箱体最大应力值和应力分布情况。

采用ANSYS与SOGA相结合的方法对箱体结构进行轻量化设计。

设计结果表明：在保证容积率不变而且强度足够的前提下，该机箱一体式垃圾转运箱箱体结构减重625kg，减重率为12.39%，轻量化效果显著。

一、引言
垃圾的收集和运输一直是环卫部门的难题之一，快捷、方便地收集和清运生活垃圾是现代社会所面临的一个永恒主题。

目前国内有多家环卫专用车生产企业，其产品众多，垃圾转运站的规格、形式也是多种多样，但是在这些产品中普遍存在着如下几个问题。

（1）机箱一体式垃圾转运箱的箱体质量普遍较大，这就增加了生产成本，而结构的不合理导致其强度性能较差。

（2）垃圾压缩率低，导致环卫工人的劳动强度大，增加了垃圾转运的成本。

（3）垃圾转运站的噪声大，对周围居民的生活也有一定的影响。

（4）垃圾转运站在垃圾处理过程中会产生大量发霉发臭的味道。

这就迫切需要我们设计一款质量小、成本低、密封性能好的机箱一体式垃圾转运箱箱体。

基于上述问题，本文对某机箱一体式垃圾转运箱的箱体进行轻量化设计，使其具有质量小、强度高、垃圾压缩率大及全封闭作业等优点，从而提高市场竞争力。

20世纪80年代，欧美国家就着手于垃圾的处理和回收，垃圾车辆品种规格都已齐全，如后装压缩垃圾车、侧装压缩垃圾车、前装压缩垃圾车、全自动侧装压缩垃圾车以及混合动力垃圾运输车等。

各种型号的垃圾车都已经得到广泛的使用。

目前比较著名的国外垃圾车生产企业有：美国史坎顿、德国Haller、德国Faun、德国MAN和意大利IVECO等。

机箱一体式垃圾转运箱在国外的应用较为广泛，而在国内还处于起步阶段。

主要有两方面的原因：一是垃圾的压缩密度大，在垃圾的压缩过程中，垃圾对转运站箱体的组成部分如前板、侧板等产生较大的压力，如果压力超过材料的许可范围，就容易导致箱体产生塑性变形以及开裂等情况；二是空载或者满载的垃圾转运站箱体质量较大，在长期的使用过程中，会加大运输车辆的损耗，降低运输车辆的使用寿命。

鉴于上述两方面的原因，对转运站箱体进行刚
度、强度和轻量化方面的研究，不但能够提高转运站箱体的整体性能，而且还可以减小原材料的消耗，从而降低制造成本。

转运站箱体整体性能的提升和成本的下降，必然能够提高产品的竞争力。

综上所述，各式各样的垃圾车是目前的一个热点问题，对城市的生活环境至关重要。

二、机箱一体式垃圾转运箱箱体的有限元分析
1.箱体结构的有限元模型
本文的研究对象是为某公司设计的一款机箱一体式垃圾转运箱箱体（以下简称箱体），该箱体主要由盖板总成、压缩腔总成、底板总成、箱体侧顶板总成、翻转门总成、锁紧装置和推头等7大部分组成，箱体结构的初始质量为5 046kg。

在ANSYS中建立的整个箱体的参数化有限元模型如图1所示。

ANSYS单元库中提供了一百多种单元类型，如线单元、杆单元、梁单元、壳单元和实体单元等。

单元类型的选择与分析的问题密切相关，在选择单元类型时，首先要对模型的结构、工作状态、受力情况等有个明确的认识；其次，要了解每种单元类型的节点数目、相关特性及使用条件。

因此，需要根据分析模型的特点来选择合适的单元类型。

根据箱体的结构和单元的属性，油缸采用二维杆单元Link1来模拟，箱体结构的薄板件采用Shell63单元来模拟，箱体结构的三维实体结构部分采用Solid45单元来模拟。

另外，对于本文研究的机箱一体式垃圾转运箱箱体来说，很多零件彼此之间是相互接触的，接触类型为面面接触。

对于ANSYS来说，一个接触对由接触面和目标面组成。

本文选用CONTA174单元来定义接触面，选用TARGE170单元来定义目标面。

单元类型设置如图2所示。

网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。

对于同一模型，不同的网格划分将会产生不同的计算结果，有时会导致完全错误的结果。

为建立正确、合理的有限元模型，在进行网格划分时应考虑网格数量、单元阶次、网格质量、位移协调、网格布局及网格编号等几方面的内容。

根据上述网格划分的基本原则，对箱体结构进行网格划分后的箱体结构有限元模型如图3所示。

箱体局部网格加密如图4～图7所示。

2.箱体的材料参数
箱体设计过程主要采用以下材料：45#碳素结构钢、普通碳素结构钢Q235、低合金结构钢Q345、Domex wear高强度钢板及高分子材料。

另外，本文将垃圾体等效为弹性体。

通过ANSYS前处理模块中的Material Models命令来定义箱体的材料参数，如图8所示。

箱体各部分所用材料的弹性模量、泊松比等参数如表1所示。

3.箱体的危险工况
根据机箱一体式垃圾转运箱箱体的结构组成、工作原理及以往的经验，确定箱体结构在其工作过程中的多种危险工况，如表2所示。

4.有限元分析
以工况1—垃圾装载工况为例，说明有限元分析的基本流程。

（1）边界条件。

该工况是垃圾装载过程中，翻斗机构对前板有最大作用力时。

该工况下的边界条件分为承载约束与定位约束两部分：①承载约束：箱体前板坐标原点X 、Y 、Z 三个方向的平动约束，后轮Y 向的平动约束；②定位约束：箱体底板坐标原点X 、Z 两个方向的平动约束，X 轴后点Z 向的平动约束，上下档板X 、Y 、Z 方向的平动与转动约束。

该工况下的边界条件如图9所示。

图中1、2、3分别为沿X 、Y 、Z 三个坐标轴的平动自由度，4、5、6分别为绕X 、Y 、Z 三个坐标轴的转动自由度。

（2）载荷设置。

该工况是垃圾装载过程中，主要考虑翻斗机构对前板的作用力和油缸的作用力。

翻斗机构对前板的作用力由ADAMS仿真得出。

该工况下的载荷有四个：①主动臂X 向的作用力14 637N；②主动臂Y 向的作用力6 633N；③油缸X 向的作用力9 236N；④油缸Y 向的作用力21 825N。

（3）仿真结果及分析。

图10为箱体结构在垃圾装载工况下的计算结果。

从图中可以看出：箱体结构的最大应力为169.456M P a，最大应力位置为箱体前板处。

其他位置的应力较小，基本上都在30MPa以下，远小于其材料的许用应力。

侧与底部应力较大，基本上都在70M P a以上。

其他位置的应力较小，基本上都在30MPa 以下。

对11种工况分别进行分析，并将结果统计如表3所示。

三、机箱一体式垃圾转运箱箱体的轻量化设计
轻量化设计在工程实际中有广泛的应用，在优化过程中往往都会受到多个形态约束条件的限制，一般的结构优化问题可以描述为：
式中：为N 维设计变量组成的向量；
为目标函数；为不等式约束；j 为不等式约束的数量；
和分别是变量的上、下限。

本文对箱体结构进行分析与优化的目的是在保证箱体具有足够的结构强度和箱体容积率不变的前提下，使箱体结构的材料合理分配，降低箱体的重量。

在本次轻量化设计中，根据上述变量选择的基本原则选取25个设计变量，如表4所示。

SOGA软件是以导重法为基础，利用APDL开发出来的一个结构优化设计软件。

将ANSYS与SOGA结合起来进行优化有如下优点。

（1）利用A N S Y S默认的梯度法提取结构静动态形态函数和目标函数对设计变量的差分敏度。

（2）导重法能够弥补数学规划法和虚功准则法在结构优化设计方面的不足。

（3）SOGA中的迭代步长因子算法能够保证优化迭代的收敛性。

（4）将ANSYS的分析优化模块和导重法中的解析敏度表达式结合使用能够更好地实现对各种工程问题的优化设计。

采用ANSYS与SOGA相结合的方法进行优化迭代的流程如图12所示。

将迭代优化后结果代入箱体使用过程中的多种危险工况，分别对其进行计算，得到各工况下的最大应力值，并与优化前箱体的最大应力值进行比较如表5所示。

从表中可以看出，经过迭代优化后，工况1箱体的最大应力略有增加，工况2～8箱体的最大应力有明显降低。

而箱体的重量由优化前的5 046k g降到优化后4 421K g，降低了625K g，减重率为12.39%，优化效果显著。

四、结语
本文首先根据箱体的危险工况，对其进行有限元分析，得到了各危险工况下的应力分布情况，然后根据箱体的结构特点确定设计变量，建立箱体的轻量化优化模型，进行分批迭代优化。

对优化后的设计变量进行圆整，代入到箱体的多种危险工况中，对箱体再次进行结构有限元分析。

优化结果表明：优化效果显著。