收稿日期:2007211207;修改稿收到日期:20082042201基金项目:广西科技厅科技攻关项目,广西制造系统与先进制造技术重点实验室基金(07109008020072Z )资助项目1作者简介:陈树勋3(19452)男,教授,博士生导师(E 2mail :chenshx @ )第26卷第6期2009年12月　计算力学学报　Chinese Journal of Computational MechanicsVol.26,No.6December 2009文章编号:100724708(2009)0620977205一种新型后装式垃圾车结构优化设计陈树勋31,　秦建宁2,　范长伟1,　汤　勇1(1.广西大学机械工程学院,南宁530004,2.广西玉柴专用汽车厂,南宁530001)摘　要:首先对后装式压缩垃圾车的车厢截面形状进行优化,设计出一种具有椭圆截面车厢的新型后装式垃圾车。

给出椭圆截面车厢的自重、惯性、压缩、挤入、推出等压缩垃圾载荷的数学表达。

而后对车厢与填料器结构进行多种危险工况的有限元分析,采用导重法对结构构件尺寸进行优化设计,在保证结构应力小于许用应力的前提下,本新型椭圆截面后装式垃圾车结构质量比原来的矩形截面压缩垃圾车减少了33.5%,是同类后装式压缩垃圾车中的最轻者。

关键词:新型后装式垃圾车;椭圆截面;垃圾载荷数学表达;结构优化;导重法中图分类号:O224 文献标识码:A1　引言后装式压缩垃圾车基本结构由汽车底盘、车厢和填料器等组成,车厢包括顶板、底板、侧板和推板,填料器包括破碎板和挤入板,如图1所示。

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,车厢和填料器内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和优化设计,必须明确各种载荷的数学表达。

压缩垃圾是一种力学性质很不确定的混合物质,除了作者以往的原创性研究外[1],国内外尚未见有关压缩垃圾对车厢作用载荷分布规律的研究资料。

要准确确定车厢内压缩垃圾对车厢内壁的压力随空间与时间的分布规律,可采用压力敏感器及量力器等对车厢内壁压力进行实际测试,由于测试成本较高,文献[1]提出了工程实用的压缩垃圾载荷表达法———Eggshell 法:先对自重、惯性、压缩、挤入及推出等基本工况下车厢结构在压缩垃圾载荷作用下的变形应力进行测试,再对垃圾力学性质与以上基本工况下压缩垃圾载荷分布规律进行基本假设,给出各工况载荷的变参数数学表达,利用ANSYS 软件的函数加载功能,将其施加于车厢结构进行有限元分析,获得车厢结构的变形和应力分布。

通过对分析计算应力与实际测试应力数值比较,对载荷数学表达中的变参数进行修正,再将参数修正后的载荷施加于车厢结构进行结构再分析,直到计算应力与测试应力基本相符。

图1为某企业生产的矩形截面车厢压缩垃圾车,文献[1]已详细给出该车结构有限元分析结果,其总质量为3960kg ,在满载颠簸行驶和刹车工况的推板支架与推板液压缸结合处的最大集中应力高达504.44M Pa ,很容易发生强度破坏,为减轻结构质量,增加结构强度,企业提出了进行结构优化设计的迫切要求,先对车厢截面形状进行优化,在保证容积不变、整车高度和宽度满足行业规范前提下,为减少车厢质量,降低车厢结构集中应力,设计出一种表面积最小,曲率变化最小的椭圆截面形状车厢,并对该车厢和填料器结构进行了多种危险工况下的有限元分析。

在上述压缩垃圾载荷表达与结图1　车厢与填料器结构Fig.1　St ructures of box and loader构分析基础上,采用一种工程实用的结构优化高效方法———以ANS YS为分析器的导重法[2]软件SO GA1[5]对该结构构件尺寸进行了优化设计,在保证结构应力小于许用应力180M Pa前提下,新设计的椭圆截面车质量比原矩形截面车下降了1327千克,质量减少达33.5%。

2　车厢截面形状优化2.1　车厢截面形状为提高车厢结构强度和减轻车厢结构质量,目前压缩垃圾车厢的截面形状已由带加强筋平板组成的矩形向光滑曲面板组成的截面形状发展,国际流行多为具有分段弧线型截面的车厢,作者在文献[1]中,已设计出更轻、强度更好的切割椭圆型车厢,并对车厢截面形状进一步进行优化,首先推导出切割椭圆周长公式: L=π[115(a+b)-ab]-∫2a c-c2-2a c-c21+b2x2a2×(a2-x2)d x+4a c-c2(1)切割椭圆面积公式:S=π2ab+2ab×(2c-1)×c-c2(2)式中a和b分别为椭圆的长短半轴长,c为切割椭圆的Y轴长度与全椭圆Y轴长度的比例。

2.2　车厢截面形状优化数学模型车厢截面形状优化目的,是使切割椭圆型车厢壁板面积最小。

在车厢长度不变的前提下,就是使车厢截面的周长L最小化,设计变量是椭圆的长、短轴和切割椭圆高度与全椭圆高度之比,约束为(1)为了使整车高度和宽度满足行业规范,压缩垃圾车宽不大于2500mm,高不超过2000mm。

(2)在车厢长度不变的前提下,为保证车厢容积,车厢截面积S0=2150×1652mm2应保持不变。

(3)各变量大于零。

可得车厢截面形状优化数学模型: Find.a,b,cmin.L(a,b,c)s.t.S(a,b,c)-S0=0a≤1250,b3c≤1000-a<0,-b<0,-c<0式中a,b和c为椭圆的长、短轴和切割椭圆高度与全椭圆高度之比,L(a,b,c)为式(1)的半椭圆周长,S(a,b,c)为式(2)切割椭圆面积。

采用罚函数法进行优化迭代得出a=1130.5, b=1000,c=1。

由于同等截面积的全椭圆周长小于切割椭圆周长,所以在车厢高度和宽度满足行业规范的前提下,全椭圆车厢质量小于切割椭圆车厢;与切割椭圆车厢相比,全椭圆车厢截面周边曲率连续,变化更少,更有利于降低集中应力,达到提高结构强度,减轻结构重量的目的;而且椭圆截面车厢可用卷板机成型,加工制造成本比矩形车厢更低。

3　压缩垃圾载荷的数学表达3.1　垃圾载荷的数学表达结构有限元分析要输入作用于结构各节点的载荷,压缩垃圾车结构节点数量多达数万个,不可能逐点输入,必须根据载荷分布规律给出车厢内载荷密度随节点位置变化的函数,而后利用结构分析软件的函数加载功能完成对结构的自动加载。

按照文献[1]的Eggshell垃圾载荷表达法,为给出压缩垃圾载荷密度的函数表达,须给出尽可能符合实际的垃圾虚拟外形曲面辅助函数,将垃圾虚拟曲面模拟为半个前后不对称的椭球面(蛋壳形)。

由椭球方程可以推得各坐标平面内不同位置节点对应的椭球表面点坐标x s(y,z),y s(x,z)和z s(x, y)。

该形状的车箱内部分模拟垃圾实际形状,车箱外部分模拟无车箱时的垃圾堆的虚拟形状。

(1)垃圾自重载荷密度p0=ρ×max[min{y s(x,z),y m}-y,0](3)式中x,y和z为车厢板的节点坐标,y s为(x,z)点对应的垃圾曲面点高度,y m为(x,z)点对应的垃圾厢高度,ρ为压缩垃圾重度,取7.5kN/m3。

自重载荷对车厢内推板、挤入板及破碎板等斜板的法向力载荷密度和切向力载荷密度分别为 p=p0×[1-(1-μ)sin2α](4) p=p0×(1-μ)sinαco sα(5)式中α为斜板的角度,μ为垃圾的泊松比,取0.5。

(2)垃圾惯性力载荷密度①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为1.5g,y向惯性力载荷密度与自重载荷密度成正比,为后者的1.5倍。

②x向惯性力载荷密度。

由侧向冲击晃动引879计算力学学报　第26卷　起,x向加速度取0.5g。

　p0=015×ρ×max[min{x s+(y,z),x m}-max{x s-(y,z),x},0](6) p=p0×[1-(1-μ)sin2αx]　(法向)(7)p=p0×(1-μ)sinαx co sαx　(切向)(8)式中x m为车厢侧板最大x坐标,x s+和x s-分别为(y,z)点垃圾曲面x向正负坐标,αx为与侧板夹角。

③z向惯性力载荷密度。

由刹车与冲击引起,z 向加速度取0.5g,推板处压力最大。

　p0=015×ρ×max[min{z,z s+(x,y)}-max{z s-(x,y),z m},0](9) p=p0×[1-(1-μ)sin2αz](法向)(10)p=p0×(1-μ)sinαz co sαz(切向)(11)式中z m为(x,y)点垃圾厢最大z坐标,z s+和z s-为(x,y)点垃圾曲面z向正负坐标,αz为与z=0平面的夹角。

(3)垃圾压缩力载荷密度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,而压缩程度又与垃圾外形曲面与车厢板的间距成正比。

①顶板压缩力载荷密度p=K y×ρ×[max{y s(x,z)-y m,0}](12) y s和y m意义同前,可调参数K y取为4.8。

②底板压缩力载荷密度p=λ×K y×ρ×[y s(x,z)](13)式中λ为可调参数,λ取为0.18。

③两侧板压缩力载荷密度　p=K x×ρ×[max{x s+(y,z)-x,0}](14) x s+为(y,z)点垃圾曲面x坐标,可调参数K x取1.8。

④推板压缩力载荷密度p0=K z1×ρ×max[z s+(x,y)-z,0](15)p=p0×[1-(1-μ)sin2αz](法向)(16)p=p0×(1-μ)sinαz co sαz(切向)(17)式中z s+为(x,y)点对应的垃圾曲面前半椭球面z 向坐标,αz为推板与z=0平面的夹角,可调参数K z1取1.0。

⑤破碎板、挤压板压缩力载荷密度p0=K z2×ρ×max[z-z s-(x,y),0](18) 法向:p=p0×[1-(1-μ)sin2αz](19) 切向:p=p0×(1-μ)sinαz cosαz(20)式中z s-为(x,y)点对应的垃圾曲面前半椭球面z 向坐标,αz为与z=0平面的夹角,可调参数K z2取为3.1。

(4)垃圾挤入力载荷密度根据填料器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p sinβ和p cosβ,β为破碎板与水平面的夹角。

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,衰减规律可以用衰减函数T(y),R(z)和S(z)描述。