缩垃圾车结构的载荷描述与优化设计
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０前言
各种散装垃圾由填料器破碎、压缩、填入车厢， 在填入、卸出及运输过程中，车厢内壁和填料器内
与散装垃圾车相比压缩垃圾车具有容量大、密 封性好、装卸自动化程度高等优点而在国内外城市 的环卫绿色工程中获得广泛应用。后装式压缩垃圾 车基本结构由汽车底盘、车厢、填料器等组成，如 图ｌ所示，车厢包括项板、底板、侧板和推板，填 料器包括破碎板和挤入板。
难度。要准确确定车厢内压缩垃圾对车厢内壁的压
力分布，可采用压力敏感器对车厢内壁压力进行实
际测试。但采用压力敏感器测试成本太高，只好先
对车厢结构的变形应力进行测试，而后对垃圾力学
性质与自重、惯性、压缩、挤入以及推出等基本工
图１车厢与填料器结构
况下压缩垃圾载荷分布规律进行变参数基本假设。 根据这些假设给出各种实际综合工况压缩垃圾载荷
（７）
Ｐ＝Ｐｏ×（１一，ｕ）ｓｉｎａ；Ｃ０５，切向
（８）
式中ｉ‰为车厢侧板最大工坐标；而＋，缸分别为以
ｚ）点垃圾曲面工向正负坐标；璐为与侧板夹角，侧
板为０。其他板为９０。。
（３）ｚ向惯性力载荷密度。由刹车与冲击引起，
ｚ向加速度取０．５９，推板处压力最大。
Ｐｏ＝０．５ＸＰＸｍａｘ（ｍｉｎ（ｚ，Ｚ。＋（工，ｙ））一
事学＋孚一． ㈣
直到计算应力与测试应力基本相符。保证了利用 ＡＮＳＹＳ软件对该压缩垃圾车结构在满载挤入、满载 推出、满载平稳行驶与满载颠簸行驶等实际工况下
事《＋譬一 后半椭球（填料器端）
，（２）
有限元分析计算的正确性，获得了该结构在以上工 况下的变形与应力分布。
国内生产如图１所示的压缩垃圾车结构具有强
５０４ ＭＰａｔｏ １７６ ＭＰａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｌｏａｄ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
Ｇｕｉｄｅ．ｗｅｉｇｈｔ ｍｅｔｈｏｄ ＡＮＳＹＳ ｓｏＲｗａｒｅ
度图解如图３所示。当口＝００与口＝９００时，切向力
载荷密度为零，法向力载荷密度分别等于伽与／４００， 印。反映垃圾自重载荷引起的水平方向压强。
个前后不对称的椭球面与车厢板相切割共同围起来
的形状，该形状的车厢内部分模拟车厢内压缩垃圾
实际形状，车厢外部分模拟无车厢时的垃圾堆形状，
切向
％
如图２所示。
破碎板
ｍห้องสมุดไป่ตู้ｘ（ｚ。一（ｘ，ｙ），Ｚ。），０）
（９）
Ｐ＝Ｐｏ Ｘ【１一（１－ｐ）ｓｉｎ２口：】 法向 （１０）
Ｐ＝Ｐｏ Ｘ（１一／ａ）ｓｉｎａ：ＣＯＳ： 切向 （１１）
式中，Ｚｍ为似力点垃圾厢最大ｚ坐标；孙，缸为似 力点垃圾曲面ｚ向正负坐标；口：为与ｚ卸平面的夹
角，顶板、侧板为９００。
１．４垃圾压缩力载荷密度
式中，ａ，ｂ为Ｏｘｙ断面上椭圆的长短半轴长；Ｃｌ， Ｃ２为前、后半椭球的ｚ向半轴长；ｚｃ为前后半椭球 接合处的ｚ向坐标。由椭球方程可以推得各坐标平
度差、质量大，材料利用率低的缺点，企业亟需对 其进行优化设计，以达到“减肥”即减轻结构质量， 增加结构强度的目的。为此，在上述压缩垃圾载荷 数学表达与结构有限元分析基础上，采用作者创立 的工程实用的结构优化方法——ＡＮＳＹＳ与导重法 相结合的优化方法１１】对该型压缩垃圾车结构的外形
应的垃圾曲面点高度；Ｙｍ为０力点对应的垃圾厢高 度，Ｐ为压缩垃圾密度，取７．５ ｋＮ／ｍ３。式（３）表示车 厢内结构水平面上某点承受的压缩垃圾自重载荷密 度与压缩垃圾密度及该点以上压缩垃圾实际高度成 正比。
１ 压缩垃圾载荷密度的数学表达
自重载荷对车厢内推板、挤入板与破碎板等斜 板的法向力载荷密度与切向力载荷密度分别为
Ｌｏａｄ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｒｕｂｂｉｓｈ Ｖｅｈｉｃｌｅ
ＣＨＥＮ Ｓｈｕｘｕｎ ＷＡＮＧ Ｓｕｎｕａｎ ＢＡＩ Ｂｉｎ ＹＩＮＧ Ｈｏｎｇｌｉｅ ＴＡＮＧ Ｙｏｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００４）
面内不同位置节点对应的椭球表面点坐标ｘ，ｔｙ，ｚ），
弘Ｏ，力，毛Ｇ，力。 １．２垃圾自重载荷密度
垃圾自重载荷密度表达公式为
Ｐｏ＝ｐｘ ｍａｘ（ｍｉｎ（ｙ。（工，ｚ），Ｙ。）一Ｙ，０）
（３）
式中，工，Ｙ，ｚ为车厢板的节点坐标；Ｙｓ为（ｘ力点对
与构件尺寸成功地进行了优化设计，得到了一种外 形新颖时尚的压缩垃圾车结构设计方案。在保证垃 圾装载量相同的前提下，结构最大应力从５０４ ＭＰａ 下降到１７６ ＭＰａ，结构质量减少２９．３％。
图２车厢内垃圾形状 垃圾椭球面的数学表达如下。 前半椭球（推板端）
万方数据
椭球面．
图３法向载荷密度与切向载荷密度
１．３ 垃圾惯性力载荷密度 根据垃圾自重载荷密度数学表达可推得运输中
压缩垃圾各向惯性力的数学表达如下。 （１）Ｙ向惯性力载荷密度。由上下颠簸引起，Ｙ
向加速度与重力加速度之和取１．５９，Ｙ向惯性力载 荷密度与自重载荷密度成正比，前者为后者的１．５倍。
厢内部挤压力的水平与垂直压强可表达为
Ｐ。＝ｐｓｉｎｆｌｘＨｙ）Ｘ尺（ｚ）
（２１）
Ｐ：＝ｐｅｏｓｆｌｘｒ（夕）ＸＳ（ｚ）
（２２）
衰减函数黝，Ｒ∞，蚴设为
ｒ◇）＝【ｍａｘ（ｙ。－ｙ，Ｏ）／ｙ。】”
（２３）
Ｒ（ｚ）＝｛０．５ｘ［１＋ｅｏｓ（ｚ／ｚ。一Ｏ．５ｙ／ｙ。）７【】｝４（２４）
ｓ（力：／．Ｉ半＋竿． ×ｃｏｓ三冗ｌ、ｋ （２５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｓｅｓ ａｎｄ ｔｃｓｔ，ｌｏａｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｔｏ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ
ｇｉｖｅｎ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｅｎｓｕｒｅｄ．Ｕｓｍｇ ｇｕｉｄｅ－ｗｅｉｇｈｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｆｍｉｔｏ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，８ｔｎｌｃ－
２００８年３月
陈树勋等：压缩垃圾车结构的载荷描述与优化设计
２１５
（２）ｘ向惯性力载荷密度。由侧向冲击晃动引起，
工向加速度取０．５９，左右两侧板其中一侧压力最大，
另一侧压力为零。
Ｐｏ＝０．５ｘｐｘｍａｘ（ｒａｉｎ（ｘ，＋（Ｊ，，ｚ），．ｋ）一
ｍａｘ（ｘ，一（ｙ，ｚ），曲，０）
（６）
Ｐ＝Ｐｏ×【１一（１－＃）ｓｉｎ２口。】 法向
＼ｚ
ｚ
Ｚｍ／
式中Ｙ。，Ｙｍ，‰意义同前；式（２３）～（２５）中ｍ，ｎ，ｋ，
ｔ／均为可调参数，调整参数使计算应力值与测试应
力相符，ｍ，疗，缸ｒ／分别取１．６，３．０，２．０，０．５。
考虑到水平与垂直压力的相互影响，得到三向
综合挤入力载荷密度公式为
ｆ，以１ ｆ∥矿２∽足２（ｚ）ｃｏｓ２ｐ＋Ｓ２（ｚ矿２∽ｓｉｎ２用帖１
＋广西科技厅科技攻关项目。２００７０３１８收到初稿，２００７１０２９收到修 改稿
的数学表达，将其施加于车厢结构进行有限元分析。 通过对分析计算应力与实际测试应力数值的比较，
万方数据
２１４
机械工程学报
对载荷数学表达中的变参数进行修正，将参数修正 后的载荷施加于车厢结构，再次进行有限元分析，
第４４卷第３期
取１．８。
Ｈ１推板压缩力载荷密度
Ｐｏ＝Ｋ矾Ｘｐ×ｍａｘ（ｚ。＋（ｘ，Ｙ）一ｚ，０）（１５）
Ｐ＝Ｐｏ×【１一（１一，ｕ）ｓｉｎ２口：】 法向
（１６）
Ｐ＝Ｐｏ×（１一ｐ）ｓｉｎａ：ｃｏｓ口：切向
（１７）
式中ｚｓ＋为阮力点对应的垃圾曲面前半椭球面ｚ向坐
标，昵为推板与Ｚ＝０平面的夹角，恐ｌ为可调参数，
调整其大小使应力计算值与测试值相符，恐ｌ取１．０。
Ｉ ｐ，｜－Ｐ ｌ ＩＴ２∽尺２（ｚ）ｃｏｓ２夕＋∥２Ｓ２（ｚ）丁２∽ｓｉｎ２用”Ｉ
（５）破碎板挤压板压缩力载荷密度
Ｐｏ＝Ｋ：２ Ｘｐｘｍａｘ（ｚ—Ｚｓ－（ｘ，Ｊ，），０）
（１８）
Ｐ＝Ｐｏ×【ｌ一（１一ｕ）ｓｉｎ２口：】 法向（１９） Ｐ＝Ｐｏ ｘ（１一ｐ）ｓｉｎａｚ ｃ０Ｓ口ｚ 切向（２０）
式中≈为∞力点对应的垃圾曲面前半椭球面ｚ向坐
标，昵为与ｚ＝０平面的夹角，杨为可调参数，调
整其大小使应力计算值与测试值相符，／Ｃａ取３．１。 １．５垃圾挤入力载荷密度
ｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｃｔｕａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ￥ａｍｅ ｒｕｂｂｉｓｈ ｌｏａｄａｇｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆｔｈｅ ｃｏｍｐｍｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｌｉｇｈｔｅｎｅｄ ２９．３％ａｎｄ ｔｈ。ｅ ｍａｘｉｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ
。、
（２）底板压缩力载荷密度
Ｐ＝Ｚ×彭，×Ｐ×陟。ＯＬｚ）】
（１３）
式中Ａ为可调参数，调整五值使车厢的Ｙ向支反力 为零，五取０．１８。
（３）两侧板压缩力载荷密度
Ｐ＝巧ＸＰＸ（ｍａｘ（ｘ，＋（Ｙ，ｚ）一工，０” （１４）
式中船为◇，ｚ）点垃圾曲面工向正坐标，墨为可调 参数，调整其大小使应力计算值与测试值相符，墨
后装式压缩垃圾车车厢内压缩垃圾对车厢与填
Ｐ＝Ｐｏ×【ｌ－（１－＃）ｓｉｎ２口】
（４）
料器的作用力由以下几种力组成：·垃圾自重力、压 缩力、挤入力、推出力、惯性力和摩擦力，垃圾车 在各种工作工况下结构承受的载荷为以上几种力的 组合，下面给出以上几种力的载荷密度在车厢内随 位置变化的函数表达。为此还需给出压缩垃圾外形 曲面函数作为载荷数学表达的辅助函数。 １．１垃圾外形曲面函数
由于满载时车厢内的压缩垃圾一般并不能充满 整个厢体的边角部位，将垃圾曲面形状描述为由半
Ｐ＝Ｐｏ×（１－＃）ｓｉｎ ＣＯＳ口
（５）
式中，ａ为斜板的角度，水平时为０。，垂直时为９００；
∥为垃圾的泊松比，是待定的可变参数，经比较结
构分析计算与试验测试结果，声诹０．５。自重载荷对
车厢内非水平板的法向力载荷密度与切向力载荷密
设车厢内垃圾由于被压缩而对结构的反作用力
与压缩程度成正比，而压缩程度又与第１．１节给定
的垃圾外形曲面与车厢板的间距成正比，由此可得
垃圾压缩力载荷密度。
（１）顶板压缩力载荷密度
Ｐ＝Ｋ，Ｘｐｘ（ｍａｘ（ｙ。（ｘ，ｚ）一Ｙ。，０））
（１２）
式中弘，‰意义同前，局为可调参数，调整其大小
使应力计算值与测试值相符，墨取４．８。
第４４卷第３期 ２００８年３月
机械工程学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｖ０１．４４ Ｍａｒ．
Ｎｏ．３ ２００ ８
压缩垃圾车结构的载荷描述与优化设计宰
陈树勋 王素暖 白斌 应鸿烈 汤勇
（广西大学机械工程学院南宁５３０００４）
摘要：通过建立垃圾堆曲面函数，给出自重、惯性、压缩、挤入和推出等基本工况下压缩垃圾载荷作用机理的变参数数学描 述以及各种实际组合工况下压缩垃圾载荷的数学表达式。利用ＡＮＳＹＳ软件对压缩垃圾车进行结构有限元分析，调校载荷数 学表达中的可变参数，保证分析计算与试验测试结果一致，采用导重法对压缩垃圾车结构的外形与构件尺寸进行优化设计， 在结构最大应力从５０４ ＭＰａ下降到１７６ ＭＰａ的同时，结构质量减少２９．３％。 关键词：压缩垃圾车压缩垃圾载荷描述有限元分析结构优化导重法ＡＮＳＹＳ软件 中图分类号：０２２４，
壁承受由压缩垃圾施加的各种载荷，要对压缩垃圾 车结构进行有限元分析与优化设计，必须搞清垃圾 车结构在各种工况下所承受载荷的数学表达，这些 载荷是由压缩垃圾对结构的作用力产生的，压缩垃 圾是一种力学性质很不确定的混合物质，目前尚未 见到对压缩垃圾力学性质及其对车厢与填料器作用 载荷的研究资料，因此研究工作具有原创性和较大
根据填料器挤入板、破碎板的驱动油缸测试压
力可以求出在破碎板处的工作挤压力Ｐ，其垂直与
水平分量分别等于ｐｓｉｎ］痢ｐｅｏｓｆｌ，芦为破碎板与水
平面的夹角。在垃圾被挤入车厢过程中，由于垃圾 与车厢板之间的摩擦以及垃圾之间的摩擦作用，挤
压力将沿着车厢的长度和高度方向衰减，其衰减规
律可以用衰减函数黝，Ｒ（ｚ）和㈣描述。于是，车
各种散装垃圾由填料器破碎、压缩、填入车厢， 在填入、卸出及运输过程中，车厢内壁和填料器内
与散装垃圾车相比压缩垃圾车具有容量大、密 封性好、装卸自动化程度高等优点而在国内外城市 的环卫绿色工程中获得广泛应用。后装式压缩垃圾 车基本结构由汽车底盘、车厢、填料器等组成，如 图ｌ所示，车厢包括项板、底板、侧板和推板，填 料器包括破碎板和挤入板。
难度。要准确确定车厢内压缩垃圾对车厢内壁的压
力分布，可采用压力敏感器对车厢内壁压力进行实
际测试。但采用压力敏感器测试成本太高，只好先
对车厢结构的变形应力进行测试，而后对垃圾力学
性质与自重、惯性、压缩、挤入以及推出等基本工
图１车厢与填料器结构
况下压缩垃圾载荷分布规律进行变参数基本假设。 根据这些假设给出各种实际综合工况压缩垃圾载荷
（７）
Ｐ＝Ｐｏ×（１一，ｕ）ｓｉｎａ；Ｃ０５，切向
（８）
式中ｉ‰为车厢侧板最大工坐标；而＋，缸分别为以
ｚ）点垃圾曲面工向正负坐标；璐为与侧板夹角，侧
板为０。其他板为９０。。
（３）ｚ向惯性力载荷密度。由刹车与冲击引起，
ｚ向加速度取０．５９，推板处压力最大。
Ｐｏ＝０．５ＸＰＸｍａｘ（ｍｉｎ（ｚ，Ｚ。＋（工，ｙ））一
事学＋孚一． ㈣
直到计算应力与测试应力基本相符。保证了利用 ＡＮＳＹＳ软件对该压缩垃圾车结构在满载挤入、满载 推出、满载平稳行驶与满载颠簸行驶等实际工况下
事《＋譬一 后半椭球（填料器端）
，（２）
有限元分析计算的正确性，获得了该结构在以上工 况下的变形与应力分布。
国内生产如图１所示的压缩垃圾车结构具有强
５０４ ＭＰａｔｏ １７６ ＭＰａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｌｏａｄ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
Ｇｕｉｄｅ．ｗｅｉｇｈｔ ｍｅｔｈｏｄ ＡＮＳＹＳ ｓｏＲｗａｒｅ
度图解如图３所示。当口＝００与口＝９００时，切向力
载荷密度为零，法向力载荷密度分别等于伽与／４００， 印。反映垃圾自重载荷引起的水平方向压强。
个前后不对称的椭球面与车厢板相切割共同围起来
的形状，该形状的车厢内部分模拟车厢内压缩垃圾
实际形状，车厢外部分模拟无车厢时的垃圾堆形状，
切向
％
如图２所示。
破碎板
ｍห้องสมุดไป่ตู้ｘ（ｚ。一（ｘ，ｙ），Ｚ。），０）
（９）
Ｐ＝Ｐｏ Ｘ【１一（１－ｐ）ｓｉｎ２口：】 法向 （１０）
Ｐ＝Ｐｏ Ｘ（１一／ａ）ｓｉｎａ：ＣＯＳ： 切向 （１１）
式中，Ｚｍ为似力点垃圾厢最大ｚ坐标；孙，缸为似 力点垃圾曲面ｚ向正负坐标；口：为与ｚ卸平面的夹
角，顶板、侧板为９００。
１．４垃圾压缩力载荷密度
式中，ａ，ｂ为Ｏｘｙ断面上椭圆的长短半轴长；Ｃｌ， Ｃ２为前、后半椭球的ｚ向半轴长；ｚｃ为前后半椭球 接合处的ｚ向坐标。由椭球方程可以推得各坐标平
度差、质量大，材料利用率低的缺点，企业亟需对 其进行优化设计，以达到“减肥”即减轻结构质量， 增加结构强度的目的。为此，在上述压缩垃圾载荷 数学表达与结构有限元分析基础上，采用作者创立 的工程实用的结构优化方法——ＡＮＳＹＳ与导重法 相结合的优化方法１１】对该型压缩垃圾车结构的外形
应的垃圾曲面点高度；Ｙｍ为０力点对应的垃圾厢高 度，Ｐ为压缩垃圾密度，取７．５ ｋＮ／ｍ３。式（３）表示车 厢内结构水平面上某点承受的压缩垃圾自重载荷密 度与压缩垃圾密度及该点以上压缩垃圾实际高度成 正比。
１ 压缩垃圾载荷密度的数学表达
自重载荷对车厢内推板、挤入板与破碎板等斜 板的法向力载荷密度与切向力载荷密度分别为
Ｌｏａｄ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｒｕｂｂｉｓｈ Ｖｅｈｉｃｌｅ
ＣＨＥＮ Ｓｈｕｘｕｎ ＷＡＮＧ Ｓｕｎｕａｎ ＢＡＩ Ｂｉｎ ＹＩＮＧ Ｈｏｎｇｌｉｅ ＴＡＮＧ Ｙｏｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００４）
面内不同位置节点对应的椭球表面点坐标ｘ，ｔｙ，ｚ），
弘Ｏ，力，毛Ｇ，力。 １．２垃圾自重载荷密度
垃圾自重载荷密度表达公式为
Ｐｏ＝ｐｘ ｍａｘ（ｍｉｎ（ｙ。（工，ｚ），Ｙ。）一Ｙ，０）
（３）
式中，工，Ｙ，ｚ为车厢板的节点坐标；Ｙｓ为（ｘ力点对
与构件尺寸成功地进行了优化设计，得到了一种外 形新颖时尚的压缩垃圾车结构设计方案。在保证垃 圾装载量相同的前提下，结构最大应力从５０４ ＭＰａ 下降到１７６ ＭＰａ，结构质量减少２９．３％。
图２车厢内垃圾形状 垃圾椭球面的数学表达如下。 前半椭球（推板端）
万方数据
椭球面．
图３法向载荷密度与切向载荷密度
１．３ 垃圾惯性力载荷密度 根据垃圾自重载荷密度数学表达可推得运输中
压缩垃圾各向惯性力的数学表达如下。 （１）Ｙ向惯性力载荷密度。由上下颠簸引起，Ｙ
向加速度与重力加速度之和取１．５９，Ｙ向惯性力载 荷密度与自重载荷密度成正比，前者为后者的１．５倍。
厢内部挤压力的水平与垂直压强可表达为
Ｐ。＝ｐｓｉｎｆｌｘＨｙ）Ｘ尺（ｚ）
（２１）
Ｐ：＝ｐｅｏｓｆｌｘｒ（夕）ＸＳ（ｚ）
（２２）
衰减函数黝，Ｒ∞，蚴设为
ｒ◇）＝【ｍａｘ（ｙ。－ｙ，Ｏ）／ｙ。】”
（２３）
Ｒ（ｚ）＝｛０．５ｘ［１＋ｅｏｓ（ｚ／ｚ。一Ｏ．５ｙ／ｙ。）７【】｝４（２４）
ｓ（力：／．Ｉ半＋竿． ×ｃｏｓ三冗ｌ、ｋ （２５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｓｅｓ ａｎｄ ｔｃｓｔ，ｌｏａｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｔｏ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ
ｇｉｖｅｎ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｅｎｓｕｒｅｄ．Ｕｓｍｇ ｇｕｉｄｅ－ｗｅｉｇｈｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｆｍｉｔｏ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，８ｔｎｌｃ－
２００８年３月
陈树勋等：压缩垃圾车结构的载荷描述与优化设计
２１５
（２）ｘ向惯性力载荷密度。由侧向冲击晃动引起，
工向加速度取０．５９，左右两侧板其中一侧压力最大，
另一侧压力为零。
Ｐｏ＝０．５ｘｐｘｍａｘ（ｒａｉｎ（ｘ，＋（Ｊ，，ｚ），．ｋ）一
ｍａｘ（ｘ，一（ｙ，ｚ），曲，０）
（６）
Ｐ＝Ｐｏ×【１一（１－＃）ｓｉｎ２口。】 法向
＼ｚ
ｚ
Ｚｍ／
式中Ｙ。，Ｙｍ，‰意义同前；式（２３）～（２５）中ｍ，ｎ，ｋ，
ｔ／均为可调参数，调整参数使计算应力值与测试应
力相符，ｍ，疗，缸ｒ／分别取１．６，３．０，２．０，０．５。
考虑到水平与垂直压力的相互影响，得到三向
综合挤入力载荷密度公式为
ｆ，以１ ｆ∥矿２∽足２（ｚ）ｃｏｓ２ｐ＋Ｓ２（ｚ矿２∽ｓｉｎ２用帖１
＋广西科技厅科技攻关项目。２００７０３１８收到初稿，２００７１０２９收到修 改稿
的数学表达，将其施加于车厢结构进行有限元分析。 通过对分析计算应力与实际测试应力数值的比较，
万方数据
２１４
机械工程学报
对载荷数学表达中的变参数进行修正，将参数修正 后的载荷施加于车厢结构，再次进行有限元分析，
第４４卷第３期
取１．８。
Ｈ１推板压缩力载荷密度
Ｐｏ＝Ｋ矾Ｘｐ×ｍａｘ（ｚ。＋（ｘ，Ｙ）一ｚ，０）（１５）
Ｐ＝Ｐｏ×【１一（１一，ｕ）ｓｉｎ２口：】 法向
（１６）
Ｐ＝Ｐｏ×（１一ｐ）ｓｉｎａ：ｃｏｓ口：切向
（１７）
式中ｚｓ＋为阮力点对应的垃圾曲面前半椭球面ｚ向坐
标，昵为推板与Ｚ＝０平面的夹角，恐ｌ为可调参数，
调整其大小使应力计算值与测试值相符，恐ｌ取１．０。
Ｉ ｐ，｜－Ｐ ｌ ＩＴ２∽尺２（ｚ）ｃｏｓ２夕＋∥２Ｓ２（ｚ）丁２∽ｓｉｎ２用”Ｉ
（５）破碎板挤压板压缩力载荷密度
Ｐｏ＝Ｋ：２ Ｘｐｘｍａｘ（ｚ—Ｚｓ－（ｘ，Ｊ，），０）
（１８）
Ｐ＝Ｐｏ×【ｌ一（１一ｕ）ｓｉｎ２口：】 法向（１９） Ｐ＝Ｐｏ ｘ（１一ｐ）ｓｉｎａｚ ｃ０Ｓ口ｚ 切向（２０）
式中≈为∞力点对应的垃圾曲面前半椭球面ｚ向坐
标，昵为与ｚ＝０平面的夹角，杨为可调参数，调
整其大小使应力计算值与测试值相符，／Ｃａ取３．１。 １．５垃圾挤入力载荷密度
ｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｃｔｕａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ￥ａｍｅ ｒｕｂｂｉｓｈ ｌｏａｄａｇｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆｔｈｅ ｃｏｍｐｍｓｓｅｄ ｒｕｂｂｉｓｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｌｉｇｈｔｅｎｅｄ ２９．３％ａｎｄ ｔｈ。ｅ ｍａｘｉｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ
。、
（２）底板压缩力载荷密度
Ｐ＝Ｚ×彭，×Ｐ×陟。ＯＬｚ）】
（１３）
式中Ａ为可调参数，调整五值使车厢的Ｙ向支反力 为零，五取０．１８。
（３）两侧板压缩力载荷密度
Ｐ＝巧ＸＰＸ（ｍａｘ（ｘ，＋（Ｙ，ｚ）一工，０” （１４）
式中船为◇，ｚ）点垃圾曲面工向正坐标，墨为可调 参数，调整其大小使应力计算值与测试值相符，墨
后装式压缩垃圾车车厢内压缩垃圾对车厢与填
Ｐ＝Ｐｏ×【ｌ－（１－＃）ｓｉｎ２口】
（４）
料器的作用力由以下几种力组成：·垃圾自重力、压 缩力、挤入力、推出力、惯性力和摩擦力，垃圾车 在各种工作工况下结构承受的载荷为以上几种力的 组合，下面给出以上几种力的载荷密度在车厢内随 位置变化的函数表达。为此还需给出压缩垃圾外形 曲面函数作为载荷数学表达的辅助函数。 １．１垃圾外形曲面函数
由于满载时车厢内的压缩垃圾一般并不能充满 整个厢体的边角部位，将垃圾曲面形状描述为由半
Ｐ＝Ｐｏ×（１－＃）ｓｉｎ ＣＯＳ口
（５）
式中，ａ为斜板的角度，水平时为０。，垂直时为９００；
∥为垃圾的泊松比，是待定的可变参数，经比较结
构分析计算与试验测试结果，声诹０．５。自重载荷对
车厢内非水平板的法向力载荷密度与切向力载荷密
设车厢内垃圾由于被压缩而对结构的反作用力
与压缩程度成正比，而压缩程度又与第１．１节给定
的垃圾外形曲面与车厢板的间距成正比，由此可得
垃圾压缩力载荷密度。
（１）顶板压缩力载荷密度
Ｐ＝Ｋ，Ｘｐｘ（ｍａｘ（ｙ。（ｘ，ｚ）一Ｙ。，０））
（１２）
式中弘，‰意义同前，局为可调参数，调整其大小
使应力计算值与测试值相符，墨取４．８。
第４４卷第３期 ２００８年３月
机械工程学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｖ０１．４４ Ｍａｒ．
Ｎｏ．３ ２００ ８
压缩垃圾车结构的载荷描述与优化设计宰
陈树勋 王素暖 白斌 应鸿烈 汤勇
（广西大学机械工程学院南宁５３０００４）
摘要：通过建立垃圾堆曲面函数，给出自重、惯性、压缩、挤入和推出等基本工况下压缩垃圾载荷作用机理的变参数数学描 述以及各种实际组合工况下压缩垃圾载荷的数学表达式。利用ＡＮＳＹＳ软件对压缩垃圾车进行结构有限元分析，调校载荷数 学表达中的可变参数，保证分析计算与试验测试结果一致，采用导重法对压缩垃圾车结构的外形与构件尺寸进行优化设计， 在结构最大应力从５０４ ＭＰａ下降到１７６ ＭＰａ的同时，结构质量减少２９．３％。 关键词：压缩垃圾车压缩垃圾载荷描述有限元分析结构优化导重法ＡＮＳＹＳ软件 中图分类号：０２２４，
壁承受由压缩垃圾施加的各种载荷，要对压缩垃圾 车结构进行有限元分析与优化设计，必须搞清垃圾 车结构在各种工况下所承受载荷的数学表达，这些 载荷是由压缩垃圾对结构的作用力产生的，压缩垃 圾是一种力学性质很不确定的混合物质，目前尚未 见到对压缩垃圾力学性质及其对车厢与填料器作用 载荷的研究资料，因此研究工作具有原创性和较大
根据填料器挤入板、破碎板的驱动油缸测试压
力可以求出在破碎板处的工作挤压力Ｐ，其垂直与
水平分量分别等于ｐｓｉｎ］痢ｐｅｏｓｆｌ，芦为破碎板与水
平面的夹角。在垃圾被挤入车厢过程中，由于垃圾 与车厢板之间的摩擦以及垃圾之间的摩擦作用，挤
压力将沿着车厢的长度和高度方向衰减，其衰减规
律可以用衰减函数黝，Ｒ（ｚ）和㈣描述。于是，车