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拉臂式压缩垃圾车具有容量大、密封性好、自动化程度高的优点，是收集、运输城市生活垃圾的理想工具之一。拉臂式压缩垃圾车由汽车底盘、车厢、拉臂等几个部分组成，如图1。
在垃圾中转站利用填料器将各种散装垃圾装入车厢，在填入、上车、运输及倾卸过程中，车厢承受由压缩垃圾和拉臂施加的各种载荷，要对车厢结构进行有限元分析与优化设计，必须确定车厢结构在各种工况下所承受载荷的数学表达，这些载荷主要由压缩垃圾对结构的作用产生。压缩垃圾是一种力学性质很不确定的混合物质，除了以往的对有关后装式压缩垃圾车的项目研究以外，目前尚未见到对压缩垃圾力学性质及其对车厢作用载荷的研究资料。与后装式压缩垃圾车不同，拉臂式压缩垃圾车内的垃圾并不充满车厢，由于压缩程度不同，车厢内的压缩垃圾是变密度的，这又增加了垃圾载荷确定的难度。为准确确定压缩垃圾对车厢内壁的压力分布，可先对车厢结构的变形应力进行测试，而后对压缩垃圾密度以及相应的自重、惯性、压缩、挤入等基本工况下的压缩垃圾载荷的分布规律进行变参数假设。根据这些假设给出各种实际工况下压缩垃圾载荷的数学表达，再叠加上对拉臂车进行动力学分析得到的拉臂对车厢的作用力，组成各工况车厢所承受的载荷。将其施加于车厢结构进行有限元分析。通过对应力计算结果数值与实际测试应力数值的比较，对载荷数学表达中的变参数进行调整，直到计算应力与测试应力基本相符，以保证该压缩垃圾车结构有限元分析计算的正确性，获得了该结构在各工况下的变形应力分布。国内生产的拉臂式压缩垃圾车强度差、质量大、材料利用率低，急需对其进行优化设计，以达到减轻质量，增加强度的目的。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法，对该拉臂式压缩垃圾车结构的外形与构件尺寸成功地进行了优化设计。在保证垃圾装载量相同的前提下，结构最大应力从254.85MPa下降到167.87MPa，结构总质量减少了31%。
1车厢载荷密度的数学表达
拉臂式压缩垃圾车的车厢所承受的基本作用力有：垃圾自重力、惯性力、压缩力、挤入力、摩擦力和拉臂作用力。车厢结构在装卸、上下车及运输过程中所承受的载荷为以上几种基本作用力的组合。给出车厢内以上几种基本作用力载荷密度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和变密度压缩垃圾的密度函数作为以上几种基本作用力载荷数学表达的辅助函数。限于篇幅这里不详细列出，如读者对本文感兴趣请与作者联系。
2优化前车厢结构有限元分析
2.1有限元分析模型
结构优化的基础是结构分析。使用ANSYS软件对拉臂式压缩垃圾车的车厢结构进行有限元分析。车厢主要由钢板焊接而成，故采用六自由度板单元SHELL63，对于少量较厚的板，采用三自由度实体单元SOLID45。整车结构共划分48764个单元，56499个节点。单元网格划分后的车厢结构如图2所示。
图2有限元分析模型
2.2约束与加载
拉臂式压缩垃圾车结构的实际载荷工况主要有九种，下面重点描述最危险工况1与工况8：
[工况1]满载挤入工况：车厢结构所承受的载荷包括y向结构自重、y向垃圾自重+max{压缩力，挤入力}、车箱内壁摩擦力。承载约束为后轮与插板y向平动约束，与填料器插钩z向平动约束；定位约束为车箱底部z轴原点与z轴后点的x向平动约束。[工况8]满载颠簸行驶与刹车工况：车厢结构所承受的载荷包括车厢结构与垃圾的x、y、z向惯性力(其数值分别为0.5、1.5、1.0倍重力加速度)与垃圾压缩载荷；承载约束为车厢6个支点y向平动约束、后2支点x向平动约束及吊钩z向平动约束；定位约束为车厢底板z轴原点x向平动约束。
根据各种载荷密度公式，利用ANSYS的函数加载功能仔细输入各种载荷密度公式，软件即可自动根据节点坐标与载荷密度函数施加节点载荷，完成各工况的加载。
2.3分析计算结果
限于篇幅，下面仅给出最危险工况8的有限元分析结果的Von-Mises复合应力云图，颜色越浅处表示应力越大。
由分析结果可知结构整体大应力出现在车厢底部大面积板的中心位置及后门的加强框上。整车结构大部分应力均小于100MPa，由工况8的应力云图可以看出，优化设计前原始结构的最的最大应力发生在满载颠簸行驶与刹车工况的车厢底板前部中心点处，Von-Mises复合应力达到254.85MPa，很容易发生破坏。除个别应力集中点外，以上ANSYS有限元分析计算结果与测试结果相符。
3压缩垃圾车结构优化设计
3.1优化设计模型与优化设计方法
3.1.1外形优化
为降低车厢结构应力、节省材料，目前压缩垃圾车厢的截面形状已由带加强筋的平板组成的矩形向光滑曲面板组成的形状发展。根据厂方意见采用国际流行的分段弧线截面型车厢。为减小垃圾对后门板的作用力，并使后门下部对垃圾产生向上运动的导向作用，以便使垃圾充满车厢提高车厢利用率，将后门封板由平板改为弧面板结构。
3.1.2构件尺寸优化
拉臂式压缩垃圾车车厢结构尺寸优化的数学模型表示为
式中x1，x2，…xN为车厢壁板厚度等设计变量，M(x)为结构质量目标函数，V(x)为垃圾车容积，V0为垃圾车优化前容积，[σ]为许用应力，为结构特征应力，在数值上等于所有构件应力的最大值，在表达上为所有构件应力的k次均方根包络函数。
3.2优化设计迭代历程
按生产实际要求，结构外形尺寸设计变量取值不得大于行业设计规范限制，钢板厚度设计变量的优化设计结果应圆整为钢材厂供应的板厚序列数值，最大Von-Mises复合应力数值不得大于钢材许用应力180MPa。经过4次迭代，优化计算收敛。迭代计算历程如表1所示。 从表中可以看出，优化后车厢结构质量从原矩形车厢的2.65t减少到1.828t，总质量减少了0.822t，减少31%，最大应力从原始结构的254.85MPa下降为167.87MPa，满足了许用应力约束，圆满实现了企业提出的减重目标。
3.3优化后的结构分析
下图为优化后车厢结构工况1有限元分析计算结果的Von-Mises复合应力分布云图。颜色越浅处表示应力越大。由应力云图可以看出：优化设计后的最大应力发生在图5所示工况1即车箱底板第三横梁处，Von-Mises复合应力为167.87MPa。
可以看出，在结构总质量下降31%的情况下，车厢结构的最大应力仅为167.87MPa，未超过材料的许用应力180MPa。
4结语
拉臂式压缩垃圾车内的压缩垃圾是变密度的，变密度压缩垃圾对车厢的作用载荷确定具有较大难度。根据Eggshell法，采用假设、试验与调整相结合的方法，给出了各种工况下压缩垃圾载荷密度的数学表达。利用ADAMS进行动力学仿真分析，求得各种实际工况下拉臂与汽车底盘作用在车厢上的包括瞬时加速度惯性力等在内的实际载荷，保证了车厢结构有限元分析计算的正确性。利用ANSYS与导重法相结合方法对车厢结构成功地进行了优化设计，在垃圾装载量相同的前提下，结构最大应力从254.85MPa下降到167.87MPa，结构总质量减少31%。
参考文献：略
