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[摘 要]EQ5141X系列厢式货车车厢的在我国应用广泛，确保车厢结构合理是延长其使用寿命的关键。基于此，本文首先对EQ5141X系列厢式货车车厢的有限元特点进行了分析。其次，重点对车厢结构以及材料进行了设计，强调了合理设置结构、合理选择材料的重要性。最后，主要利用有限元分析法，分析了车厢的力学参数，为车厢使用性能的增强奠定了基础。
[关键词]EQ5141X系列厢式货车；车厢设计；有限元分析
中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0373-01
前言：EQ5141X系列厢式货车车厢种类较多，骨架结构封闭车厢、无骨架车厢、轻量化车厢为其主要组成部分。近些年来，随着科学技术水平的提高，轻量化车厢逐渐成为了EQ5141X系列厢式货车车厢中较为常用的类型。与传统车厢相比，轻量化车厢对结构、材料设计水平的要求更高。为提高车厢的性能、延长其使用寿命，有必要对其设计方法进行研究。
1 EQ5141X系列厢式货车车厢的有限元分析
1.1 工况分类
EQ5141X系列厢式货车车厢工况较为复杂，可将其分为静载与动载两种，对车厢的有限元特征进行分析。所谓静载工况，指车辆处于静止状态时的受力情况。反之，动载工况则指车辆行驶过程中的受力情况。车辆行驶的过程中，影响其受力情况的因素包括路面情况、货物装载情况等多种。可见，动载情况下，影响车厢有限元特征的变化量较多[1]。为提高分析效率，本课题将车厢位移的约束与静载时的约束视为了相同的约束。就装载问题而言，当车厢满载时，如需建立有限元模型，应首先对车厢装载货物的临界状态进行分析。此外，还需将车厢自身的动力荷载变化特征纳入到分析过程中，提高分析内容的全面性。
1.2 不同工况下的有限元特征
1.2.1 静载工况
假设EQ5141X系列厢式货车车厢运载的货物以粉煤灰为主，分析其静载工况时，应首先明确粉煤灰的力学指标。粉煤灰密度为1.5g/cm3，假设满载时车辆的载重量为40t，利用上述两项数据，便可得到静载工况下车辆底板等部位的最大应力值[2]。经计算发现，此时底板的最大应力值为238MPa。通常情況下，EQ5141X系列厢式货车车厢底板材料的屈服极限为237MPa，塑性应变为0.2%。可见，上述工况能够满足车辆的静载需求，满足强度设计要求。通过对后板受力情况的分析发现，运送粉煤灰时，车辆后板应力为93MPa，屈服极限为206MPa，塑性应变为0。可见，后板的力学参数同样满足设计要求。通过对前板及其他位置受力情况的分析，均未发现明显异常。
1.2.2 动载工况
通常情况下，如EQ5141X系列厢式货车车厢工况以动载工况为主，则其载重情况可达到静载工况的1.4倍。如满载时车辆的载重量为40t，则其动载时的载重量可达到56t。侧板、底板、后板以及前板为车辆受力的主要区域，如上述区域的最大应力满足屈服强度的要求，则表明车辆具有一定的轻量化空间。本课题通过计算发现，动载工况下，EQ5141X系列厢式货车车厢的侧板最大应力为72MPa，底板最大应力为241MPa，后板及前板最大应力分别为131MPa以及84MPa[3]。上述部位的最大应力，均未超过屈服强度值。由此可见，动载工况下，EQ5141X系列厢式货车车厢存在较大的轻量化空间。可对车厢进行轻量化设计，在满足车辆性能的基础上，进一步提高设计水平。
2 EQ5141X系列厢式货车车厢的轻量化设计
2.1 车厢材料的选择
2.1.1 静载工况下的车厢材料
为达到轻量化设计的目的，本课题采用“高强度板替代方案”对 EQ5141X系列厢式货车车厢进行了优化设计。EQ5141X系列厢式货车车厢的材料以钣金为主，通过对钣金力学参数的计算，可得到普通钢板构件的壁厚以及应力指标。根据上述计算结果，便可计算出需要替换的高强度钢板的相应力学参数。目前， EQ5141X系列厢式货车车厢的传统材料以普通薄壁钣金构件为主，可采用以下公式将，对能够等效替代的高强度板材刚度进行计算：
t={[（ρs）oi/（ρs）ti]toi}1/2
上述公式中，t代表能够等效替代的高强度板材的刚度，ρ代表板材的密度。采用Hyper works对各项参数进行计算发现，采用NM450作为车厢的主体结构材料，能够有效满足车辆的装载以及运行要求。该材料屈服强度为659MPa，抗拉强度726MPa，延伸率20%。静载工况下，车辆完全能够正常运行。
2.1.2 动载工况下的车厢材料
为确保动载工况下的车厢材料能够达到轻量化的目的，且能够满足装载需求，对其最大应力进行仿真及计算是关键。本课题研究发现，动载情况下，EQ5141X系列厢式货车车厢的受力部位以底板与后板的连接处为主。经计算发现，该部位的最大应力为589MPa。NM450结构材料的屈服强度为659MPa，较589MPa相比更高，可以认为，采用该材料对EQ5141X系列厢式货车车厢材料进行优化设计，能够满足车辆的运行需求。除底板外，动载工况下，车厢的侧板、后板同样需承受一定的力。本文通过对以上部位力学参数的计算发现，上述部位的最大应力同样未超过轻量化材料的屈服强度。进一步观察发现，采用NM450结构材料对EQ5141X系列厢式货车车厢进行优化设计后，车厢质量可减轻16%。
2.2 车厢结构的设计
2.2.1 静载工况下的车厢结构
传统的EQ5141X系列厢式货车车厢结构，以普通矩形结构为主。为达到轻量化的目的，本课题考虑将其设计为U型结构，采用耐磨板材作为车厢的主要材料，对车厢进行轻量化设计。U型结构的车厢，主体强度相对较大，且车厢外部无需使用加强筋，结构相对更加简单，车厢的重量同样可有所减轻。此外，与传统的矩形结构车厢相比，U型车厢同样具有重心下降的特点。经计算发现，U型车厢的重心下降幅度为120mm左右。受其影响，车辆的稳定性将进一步提升。就车厢的容积而言，与EQ5141X系列厢式货车矩形结构车厢相比，U型车厢容积未见明显减小，表明其容积满足车辆的装载需求。
2.2.2 动载工况下的车厢结构
动载工况下，通过对U型车厢受力情况的分析发现，侧板的应力相对更高。计算发现，本课题所设计的EQ5141X系列厢式货车U型车厢，侧板最大应力为434MPa，应力最大的区域处于侧板中心部位。将该数据与车厢材料的屈服强度相比可以发现，侧板的最大应力完全满足屈服强度的要求。上述研究结果表明，采用U型车厢对EQ5141X系列厢式货车车厢进行优化设计，车辆的力学性能能够满足其装载需求。通过对车厢减重情况的计算发现，原Q235材质的矩形车厢，重量为2906kg。现NM450材质的U形车厢，重量为1863kg。
结论：
综上所述，本课题所设计的EQ5141X系列厢式货车轻量化车厢，力学参数能够有效满足不同工况的需求，车厢的使用性能值得肯定。将其推广应用到生产过程中，能够进一步提高生产效率，提高各领域的发展水平。未来，随着生产需求的不断加大，有关领域应不断对EQ5141X系列厢式货车的车厢进行优化，从结构与材料方面，不断提高其性能，使其应用价值得以进一步体现。
参考文献：
[1]吴秀兰.Hercules推出新厢式小货车和轻型载重汽车轮胎[J].轮胎工业，2018，38（08）：500-501.
[2]王金刚，李悦怡，荣玉良.一种铝合金翼开启厢式货车车厢两翼的优化设计[J].机床与液压，2017，45（22）：194-198.
[3]刘现允.气动附加装置在降低厢式货车后体阻力中的有效应用[J].时代汽车，2017，10（02）：70-71.
[关键词]EQ5141X系列厢式货车；车厢设计；有限元分析
中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0373-01
前言：EQ5141X系列厢式货车车厢种类较多，骨架结构封闭车厢、无骨架车厢、轻量化车厢为其主要组成部分。近些年来，随着科学技术水平的提高，轻量化车厢逐渐成为了EQ5141X系列厢式货车车厢中较为常用的类型。与传统车厢相比，轻量化车厢对结构、材料设计水平的要求更高。为提高车厢的性能、延长其使用寿命，有必要对其设计方法进行研究。
1 EQ5141X系列厢式货车车厢的有限元分析
1.1 工况分类
EQ5141X系列厢式货车车厢工况较为复杂，可将其分为静载与动载两种，对车厢的有限元特征进行分析。所谓静载工况，指车辆处于静止状态时的受力情况。反之，动载工况则指车辆行驶过程中的受力情况。车辆行驶的过程中，影响其受力情况的因素包括路面情况、货物装载情况等多种。可见，动载情况下，影响车厢有限元特征的变化量较多[1]。为提高分析效率，本课题将车厢位移的约束与静载时的约束视为了相同的约束。就装载问题而言，当车厢满载时，如需建立有限元模型，应首先对车厢装载货物的临界状态进行分析。此外，还需将车厢自身的动力荷载变化特征纳入到分析过程中，提高分析内容的全面性。
1.2 不同工况下的有限元特征
1.2.1 静载工况
假设EQ5141X系列厢式货车车厢运载的货物以粉煤灰为主，分析其静载工况时，应首先明确粉煤灰的力学指标。粉煤灰密度为1.5g/cm3，假设满载时车辆的载重量为40t，利用上述两项数据，便可得到静载工况下车辆底板等部位的最大应力值[2]。经计算发现，此时底板的最大应力值为238MPa。通常情況下，EQ5141X系列厢式货车车厢底板材料的屈服极限为237MPa，塑性应变为0.2%。可见，上述工况能够满足车辆的静载需求，满足强度设计要求。通过对后板受力情况的分析发现，运送粉煤灰时，车辆后板应力为93MPa，屈服极限为206MPa，塑性应变为0。可见，后板的力学参数同样满足设计要求。通过对前板及其他位置受力情况的分析，均未发现明显异常。
1.2.2 动载工况
通常情况下，如EQ5141X系列厢式货车车厢工况以动载工况为主，则其载重情况可达到静载工况的1.4倍。如满载时车辆的载重量为40t，则其动载时的载重量可达到56t。侧板、底板、后板以及前板为车辆受力的主要区域，如上述区域的最大应力满足屈服强度的要求，则表明车辆具有一定的轻量化空间。本课题通过计算发现，动载工况下，EQ5141X系列厢式货车车厢的侧板最大应力为72MPa，底板最大应力为241MPa，后板及前板最大应力分别为131MPa以及84MPa[3]。上述部位的最大应力，均未超过屈服强度值。由此可见，动载工况下，EQ5141X系列厢式货车车厢存在较大的轻量化空间。可对车厢进行轻量化设计，在满足车辆性能的基础上，进一步提高设计水平。
2 EQ5141X系列厢式货车车厢的轻量化设计
2.1 车厢材料的选择
2.1.1 静载工况下的车厢材料
为达到轻量化设计的目的，本课题采用“高强度板替代方案”对 EQ5141X系列厢式货车车厢进行了优化设计。EQ5141X系列厢式货车车厢的材料以钣金为主，通过对钣金力学参数的计算，可得到普通钢板构件的壁厚以及应力指标。根据上述计算结果，便可计算出需要替换的高强度钢板的相应力学参数。目前， EQ5141X系列厢式货车车厢的传统材料以普通薄壁钣金构件为主，可采用以下公式将，对能够等效替代的高强度板材刚度进行计算：
t={[（ρs）oi/（ρs）ti]toi}1/2
上述公式中，t代表能够等效替代的高强度板材的刚度，ρ代表板材的密度。采用Hyper works对各项参数进行计算发现，采用NM450作为车厢的主体结构材料，能够有效满足车辆的装载以及运行要求。该材料屈服强度为659MPa，抗拉强度726MPa，延伸率20%。静载工况下，车辆完全能够正常运行。
2.1.2 动载工况下的车厢材料
为确保动载工况下的车厢材料能够达到轻量化的目的，且能够满足装载需求，对其最大应力进行仿真及计算是关键。本课题研究发现，动载情况下，EQ5141X系列厢式货车车厢的受力部位以底板与后板的连接处为主。经计算发现，该部位的最大应力为589MPa。NM450结构材料的屈服强度为659MPa，较589MPa相比更高，可以认为，采用该材料对EQ5141X系列厢式货车车厢材料进行优化设计，能够满足车辆的运行需求。除底板外，动载工况下，车厢的侧板、后板同样需承受一定的力。本文通过对以上部位力学参数的计算发现，上述部位的最大应力同样未超过轻量化材料的屈服强度。进一步观察发现，采用NM450结构材料对EQ5141X系列厢式货车车厢进行优化设计后，车厢质量可减轻16%。
2.2 车厢结构的设计
2.2.1 静载工况下的车厢结构
传统的EQ5141X系列厢式货车车厢结构，以普通矩形结构为主。为达到轻量化的目的，本课题考虑将其设计为U型结构，采用耐磨板材作为车厢的主要材料，对车厢进行轻量化设计。U型结构的车厢，主体强度相对较大，且车厢外部无需使用加强筋，结构相对更加简单，车厢的重量同样可有所减轻。此外，与传统的矩形结构车厢相比，U型车厢同样具有重心下降的特点。经计算发现，U型车厢的重心下降幅度为120mm左右。受其影响，车辆的稳定性将进一步提升。就车厢的容积而言，与EQ5141X系列厢式货车矩形结构车厢相比，U型车厢容积未见明显减小，表明其容积满足车辆的装载需求。
2.2.2 动载工况下的车厢结构
动载工况下，通过对U型车厢受力情况的分析发现，侧板的应力相对更高。计算发现，本课题所设计的EQ5141X系列厢式货车U型车厢，侧板最大应力为434MPa，应力最大的区域处于侧板中心部位。将该数据与车厢材料的屈服强度相比可以发现，侧板的最大应力完全满足屈服强度的要求。上述研究结果表明，采用U型车厢对EQ5141X系列厢式货车车厢进行优化设计，车辆的力学性能能够满足其装载需求。通过对车厢减重情况的计算发现，原Q235材质的矩形车厢，重量为2906kg。现NM450材质的U形车厢，重量为1863kg。
结论：
综上所述，本课题所设计的EQ5141X系列厢式货车轻量化车厢，力学参数能够有效满足不同工况的需求，车厢的使用性能值得肯定。将其推广应用到生产过程中，能够进一步提高生产效率，提高各领域的发展水平。未来，随着生产需求的不断加大，有关领域应不断对EQ5141X系列厢式货车的车厢进行优化，从结构与材料方面，不断提高其性能，使其应用价值得以进一步体现。
参考文献：
[1]吴秀兰.Hercules推出新厢式小货车和轻型载重汽车轮胎[J].轮胎工业，2018，38（08）：500-501.
[2]王金刚，李悦怡，荣玉良.一种铝合金翼开启厢式货车车厢两翼的优化设计[J].机床与液压，2017，45（22）：194-198.
[3]刘现允.气动附加装置在降低厢式货车后体阻力中的有效应用[J].时代汽车，2017，10（02）：70-71.