JDB2000A电动垃圾车底盘结构分析和优化
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摘 要：JDB2000A型电动垃圾清扫车已经投入生产使用中，但是底盘的结构设计的并不是完全的合理，而且重量相对而言过重，需要进行一定的结构优化。所以对底盘结构进行三维建模，并且用ANSYS分析软件进行应力学分析，找出底盘结构的应力薄弱区和可以优化的部分。进行一定程度的结构优化。这样避免了底盘结构的薄弱区域破坏，并且在保证车辆正常使用功能的情况下，使得电动垃圾清扫车实现了轻量化。减轻了整车的重量，加长了电动垃圾清扫车的工作时间。
关键词：电动垃圾清扫车 底盘 ANSYS 结构优化
中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0099-02
1 内清扫车的发展历经了3个阶段
第一阶段，在20世纪60年代，由德国率先研制出纯扫式清扫车。但是其单位时间清扫性和效果均不太理想，同时由于地面条件的限制，从而导致只有少数大城市使用并没有被大多数城市所接受。直到80年代末我国制造出了一台吸扫一体式清扫车，其在单位时间内的清扫效率有了明显提升，并拥有极高的性价比，随后才在各大中城市中得到了广泛的认可。
第二阶段，0世纪末期，由于科技的发展，使得清扫车也得到了很快的迭代。清扫车不光在我国得到了普遍的应用，也在全世界的各个国家出现。各种类型和各种规格的吸扫式清扫车也不断涌现。清扫车多数为2～8t汽车底盘改装，常用于城市主干道、城乡结合部、高速公路的路面清扫作业。近年来，生产企业又开发了专用底盘、多种规格的中小型全液压清扫车。
第三阶段，2000年之后，清扫车市场依旧保持了快速发展的形式。目前清扫车的品种规格、使用性能已能基本满足国内的需求，产品线有2～10t各个型号。
由这3个阶段也可以看出来，国内的垃圾清扫车也经历了一个过程，它并不是一蹴而就的，而是慢慢地发展起来的。在这个发展过程中，会发现很多的问题，这些问题，有些已经很好地解决了，但是有些依然存在。并且，在发展的过程中，还会发现很多新的问题。
2 ANSYS优化设计基本过程
2.1 使用ANSYS进行优化设计的流程
利用ANSYS优化设计通常有两种途径：一是批量处理方法，二是通过GUI交互式进行优化。在实际优化过程中，通常需要根据对ANSYS的习惯和熟悉程度在这两种方法间进行选择。如果对于ANSYS程序有一个深刻的认知，可以用命令输入全部需要优化的文件并选择第一种方法进行优化。第一种方法在应对需用大量计算的分析任务例如非线性计算，其效率比较出众。然而GUI交互方式就相对于批量处理方法有更好的灵活性，可以对结果进行循环实时监控。在使用第二种方法即GUI方式进行优化时，关键的一步是要建立模型的分析文件，然后利用优化处理器所提供的功能来进行交互式操作。这些基础的交互式的操作可以缩小设计空间的大小，从而提高优化过程效率。
2.2 Solid186（3-D）实体单元
该文选取的建模单元为Solid186（3-D）实体单元。Solid186是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式可以更好地模拟不规则的网（如通过不同的CAD/CAM系统建立的模型）。单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着X-Y-Z方向平移的自由度。SOLID186可以具有任意的空间各向异性、单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化、大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。
3 基于ANSYS的电动垃圾清扫车底盘的优化
优化底盘的过程如下。
电动垃圾清扫车采用的是Q235结构材料，主要使用的是型材槽钢。其具有的材料属性为：杨氏模量E为210GPa;材料的密度是7.85g/cm3;泊松比为0.3。在ANSYS中的分析，从结果中可以看出来，这个底盘结构的中间部分的受力最大，发生的变形非常明显。而且中间的变形结果出现了红色，这个就说明了中间的变形过大，可能会直接导致底盘的崩坏。同时还有一个问题，就是底盘前面的主纵梁变形过大，这个可能会存在问题。
然后关于问题已经发现了，现在就是解决问题，优化方面了。首先，针对薄弱点，最直观的方法是直接采用加厚处理，然后在变形最大的点采用更加厚的钢板来进行分析。首先是采用直接优化的方式，当薄弱点增加到10的时候，分析结果依然类似，当时以为是加厚不够。当以为是厚度不够的时候，采用厚度继续增加的方式，可是当厚度增加到30的时候，结构变形依然如此。由此可以得出结论，最終的位移和这个薄弱点板的厚度相关度并不是太大，而是应该和这个底盘的结构有关，简支梁的结构中间受力，两边支撑，这样的结构必然会导致底盘的中间部分受到最大的应力和产生最大的挠度。这个时候的优化就不再是一些参数的变化，而是结构的改变来实现这个功能，使得这个底盘的应力承受能力更加强。
后来经过分析，是结构出了问题，是否可以通过改变结构的方式来强化中间部分，因为主纵梁的断开，中间没有强有力的支撑，导致中间部分的应力最大。现在可否直接把主纵梁直接延伸到后面，这样可以使得中间得到部分的支持，使结构更加完善，中间变形挠度过小。不过这种解决方案存在一定的问题，就是电动垃圾清扫车的主刷机构在中间部位，这样就导致了这个结构无法实现，毕竟清扫车的最主要功能就是清扫。
当延伸主纵梁的方案不能实现的时候，又考虑是否可以使用把主纵梁之间的距离拉开的方式来实现这个结构的优化，当向公司的技术主管反应这个问题的时候，这个方案也遭到了反驳，如果改变了这个结构，则底盘的车轮安装将会受到影响，可能会直接导致到转弯半径等一系列问题的更改。相当于重新设计这个底盘，如果这样的话，这个优化设计就没有什么价值了。
这个处理方案也不行的时候，在结构的更改方面没有了更好的方案，于是另外一个思路，降低应力这个方法。这个方案是不再改变底盘的结构，而是在不影响电动垃圾清扫车功能的情况下，改善清扫车的其他部分，降低底盘在工作过程中的工况，由此来达到降低底盘应力的目的。这个优化思路与开始的思路完全不同，但是却一样能很好地解决问题。
经过分析以后发现，最方便的是在电动垃圾清扫车电池上做改动，对于电池采用的不同，重量是完全不同的，而采用电容电池，则可以做到施加的重量减轻一般，使得类似简支梁的结构可以很好地承受住所需要的力。
在减轻重量的底盘优化过程中，可以采用减小前后车头和车尾处应力不集中区钢板厚度的方式来实现。最方便的是直接将6mm厚的钢板直接减薄到4mm，分析下来使用寿命依然完好。
4 结语
在文中一开始讨论了ANSYS优化设计的基本过程，其中对该研究采用的优化方法和优化设计时选用的建模单元进行了介绍。然后是说明了一下这次的优化过程，当然，最主要的是在分析过程中，发现这个优化并不是传统的一些系统参数的优化，因为这样的优化并不能解决问题，其实初始的想法是针对底盘结构进行改变来达到优化的效果，但是这种方式很难实现，于是采用了另外一种方式来达到优化的目的。通过改变工况的方式来实现优化。
参考文献
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[2] 周雷青.国内清扫车概况及使用维护[J].中国市政工程，2008（3）：88-89，100.
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