本文建立了包括上装部分和底盘主要结构件的自卸车整车模型，分析了自卸车的多种工况，并采用多体动力学方法找出了举升卸货工况下的货箱最大受力状态，同时对底盘非结构件按集中质量和刚体化处理，建立自卸车整车的精确有限元模型，利用有限元分析软件计算得出自卸车的变形情况和应力分布，并对计算结果进行了比较分析。

2012年，全国自卸车销量达到了43.17万辆，其中轻量化产品约占30%，且该占比呈明显的逐年上升趋势。本文所分析的U型货箱自卸车是一款主流的轻量化产品。相比传统结构的自卸车，同样载重量的货箱的自重可减少25%。由于自卸车的使用条件恶劣，因此，如何保证“轻量化”后车辆的强度和寿命相当棘手。乘用车行业的轻量化发展历程表明，在设计阶段全面结合CAE分析是一种有效的解决办法。本文利用ADAMS和HyperWorks软件对该自卸车进行了动力学仿真和有限元分析。

本文研究的主要目的是校核自卸车货箱、副车架等上装部分的强度和刚度。为了提高数值模拟分析的准确度和可信度，作者建立的分析模型除包括必需的货箱、液压系统和副车架等上装部件外，还包括车架、悬架总成、驱动桥、转向桥和驾驶室等主要的底盘结构件。通过研究分析自卸车工作时各个工况的重要程度，选取了垂直弯曲、弯扭联合和举升卸货三个工况进行仿真分析，得到上装各部件的变形情况和应力分布，根据分析结果判断自卸车上装是否满足使用要求。

自卸车工况分析

自卸车工作状态多样，承受十分复杂的载荷作用，具有多种多样的工作工况。常规的静态计算主要考虑垂直弯曲工况、弯扭联合工况和举升卸货工况，侧向弯曲工况、制动工况则作为验算校核。

1. 垂直弯曲工况

垂直弯曲工况反映车辆在平坦路面上以较高速度匀速直线行驶时的对称垂直动载荷。为考虑由于车身振动和路面颠簸引起的动载荷，工程上通常采用给静态载荷乘上动载系数的方法，将动载荷下的结构分析问题转换为静态问题处理。由于该工况下车速较高，动载系数取2.5。

图2  U型货箱轻量化自卸车有限元模型   

2. 弯扭联合工况

当车辆遇到不平道路时车架会发生扭转。此时车辆除所受到垂直弯曲载荷外，还受来自前后桥间的扭转载荷，即弯扭联合。在满载情况下将一个车轮悬空而将另一个车轮抬高，模拟自卸车以低速通过崎岖不平路面时产生的斜对称动载荷。由于该工况下车速较低，动载系数取1.5。

3. 举升卸货工况

自卸车举升时，货物被不断卸出，车辆整体的质量、重心和转动惯量也随之不断变化。使用传统的有限元方法分析该动态工况显得力不从心。因此，本文在通过试验得到了货物质量减少的规律之后，使用动力学分析软件ADAMS对自卸车的举升卸货过程进行了分析，得到图1所示的货箱受力随举升角度变化图。从图中可以看出，货箱举升到4.4°时，受到的支撑力最大，而非传统上认为的货箱底板与副车架脱离接触的时刻。出现这种现象的原因是货箱在举升到8°之前后门并未完全开启。

有限元模型

本文建立的自卸车整车模型底盘部分自身质量为9t，上装部分为3.9t。货箱和副车架通过前后的举升油缸和后部的翻转轴连接在一起。副车架通过底盘连接板、U形螺栓和连接支架三种方式固定到底盘纵梁上，各种运动机构按实物建模。上装主要部件的材料特性见表。

建立自卸车整车的三维模型，然后导入HyperMesh中进行有限元网格的划分，为了提高计算精度和速度，主要零部件均采用壳单元建模，其他如油缸上支座、后翻转轴和后翻转轴套等形状复杂零件采用实体建模。该模型共有305535个节点，425882个单元，总质量为13.9t。所有的部位按实际情况进行连接，建立的有限元模型（见图2）。

施加载荷和约束

1. 载荷

根据静力等效原则，将发动机、变速器、驾驶室、电池盒、储气筒、油箱和消声器等底盘非结构部件的质量对车架的作用力简化为车架上的集中载荷。货箱中的货物对货箱底板和侧板的载荷需要根据力学的相关理论进行计算。

根据朗肯（Rankine，1857）主动土压力理论，货物对底板的竖向自重压强计算公式为：

σz=γ.z （1）

式中，σz为砂石的自重应力；γ为砂石的重度；z为货箱底部某点距砂石上表面的竖向距离。

货物对箱体侧板的压强计算公式为：

σo=ko.γ.z （2）

式中，σo为砂石的侧向应力；ko为砂石的侧压力系数。

可以看出，砂石对箱体侧板的压力要比按静水压力计算出来的数值小，是它的ko倍。假设装载货物为砂石，则密度1.7t/m3，侧压力系数0.7。

2. 约束

为了使数值解存在且惟一，系统要求必须消除结构的刚体位移，因而必须对模型进行约束。约束位移包括纵向位移、横向位移、垂向位移以及各转动刚体位移等。车身在垂直弯曲工况、弯扭联合工况和举升卸货工况下的约束方式参见图3、图4和图5，图中数字表示各支承点约束的方向，1代表X方向约束，2代表Y方向约束，3代表Z方向约束。

计算结果和分析

金属类材料的屈服准则，在有限元分析中一般采用密塞斯（Von Mises）屈服准则，密塞斯屈服条件为：

 （3）

式中，σ表示等效应力；σ1、σ2、σ3分别表示X、Y、Z方向的正应力；σs表示材料的屈服极限。

为考虑使用条件、材料性质以及应力分析中的一些不确定因素，通常以等效应力σ小于和等于许用应力[σ]为结构是否发生破坏的判断标准。

 （4）

式中，σ表示等效应力；[σ]表示等效应力；n表示材料的安全系数，对于上装结构取n=1.3。

分别计算垂直弯曲、弯扭联合和举升卸货三个工况，得到

图3～图5所示的货箱的变形云图，可以看出：

（1）垂直弯曲工况下最大变形发生在货箱侧板中部，变形量为39.73mm，在横向和竖向均发生了较大的变形；

（2）弯扭联合工况下最大变形发生在货箱前板的右上角，变形量为58.42mm，侧板前部、车架和副车架的前半部分的也有明显的变形；

（3）举升卸货工况下的货箱的变形情况和垂直弯曲工况类似，最大变形发生在货箱侧板中部，变形量为40.48mm，不同的是，车架和副车架的后悬部分也发生了明显的垂向变形。这是因为此工况下货箱已经翻转了4.4°，而后门尚未开启。

根据应力分布的规律，取货箱和副车架上应力集中现象比较严重的7个节点作为研究对象（见图6）。由表和式4可以计算出，T700材料的许用应力为465MPa，Q345材料的许用应力为260MPa。

取上述7个节点的应力值作为评价标准，如果各节点的应力值均低于材料的许用应力[σ]，则认为结构的强度足够。通过分析计算得到上述7个节点在三个工况下的应力数值，并绘制如图7所示的自卸车上装关键节点应力曲线。

从图中可以看出：

（1）全部7个节点在三个工况下的应力值均低于材料的许用应力，该自卸车上装强度满足使用要求。

（2）节点1（后门拉板）在弯扭联合工况下的应力值最小， 这是因为该工况下右前轮悬空。

（3）节点3（货箱翻转座）、节点5（油缸下支座侧板）、节点6（副车架第一纵梁）和节点7（副车架固定油缸下支座处）在垂直弯曲工况下应力值最小，这是因为该工况下货箱未举升。