表達(dá)壓縮垃圾車結(jié)構(gòu)載荷的函數(shù)

1、表達(dá)壓縮垃圾車結(jié)構(gòu)載荷的函數(shù)    摘要：為了對(duì)后裝式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須給出壓縮垃圾對(duì)垃圾車結(jié)構(gòu)作用載荷的函數(shù)表達(dá)，而壓縮垃圾是一種力學(xué)性質(zhì)很不確定的混合物。為此，研究了垃圾載荷的作用機(jī)理， 建立了垃圾形狀的曲面函數(shù)，采用應(yīng)力測(cè)試與變參數(shù)法，給出自重、慣性、壓縮、擠入、推出及其組合工況下壓縮垃圾對(duì)車廂與填料器作用載荷的數(shù)學(xué)函數(shù)，為的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化提供了必要條件。關(guān)鍵詞：  1  前言目前，后裝式已得到廣泛應(yīng)用，它與散裝垃圾車相比具有容量大、密封性好、裝料方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。后裝式的基本結(jié)構(gòu)由汽車底盤、車廂、填料

2、器等組成，車廂與填料器結(jié)構(gòu)如圖1所示。車廂包括頂板、底板、側(cè)板和推板，填料器包括破碎板和擠入板（圖2）。車廂 填料器          圖1 車廂與填料器結(jié)構(gòu)在垃圾填入、卸出及運(yùn)輸過程中，主要由車廂和填料器承受壓縮垃圾的各種載荷。要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，必須給出結(jié)構(gòu)在各種工況下所承受載荷的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，這些載荷主要來自垃圾的作用力。壓縮垃圾是一種力學(xué)性質(zhì)很不確定的混合物質(zhì)，目前尚未見到對(duì)壓縮垃圾力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)車廂與填料器作用的研究資料。要準(zhǔn)確確定車廂內(nèi)垃圾的壓力載荷分布，應(yīng)該采用壓力

3、敏感器進(jìn)行測(cè)試，但由于測(cè)試成本太高，只好先對(duì)車廂結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，而后對(duì)垃圾力學(xué)性質(zhì)與各工況垃圾載荷分布規(guī)律進(jìn)行變參數(shù)基本假設(shè)。根據(jù)這些假設(shè)給出各工況垃圾載荷的函數(shù)表達(dá)式，將其施加于車廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。比較計(jì)算應(yīng)力與測(cè)試應(yīng)力，對(duì)基本假設(shè)中的變參數(shù)進(jìn)行修正，直到計(jì)算應(yīng)力與測(cè)試應(yīng)力基本相符，以保證利用有限元軟件ANSYS對(duì)該結(jié)構(gòu)在滿載擠入、滿載推出、滿載平穩(wěn)行駛與滿載顛簸行駛等實(shí)際工況下有限元分析計(jì)算的正確性。2  垃圾外形曲面函數(shù)為得到車廂內(nèi)載荷密度隨節(jié)點(diǎn)位置變化的函數(shù)表達(dá)式，需給出盡可能符合實(shí)際的垃圾外形曲面函數(shù)作為載荷表達(dá)的輔助函數(shù)。由于滿載時(shí)車廂內(nèi)的垃圾一般并不能充滿整

4、個(gè)廂體，我們將垃圾曲面形狀描述為由兩個(gè)前后不對(duì)稱的半橢球面與車廂板相切割共同圍起來的形狀。該形狀的車廂內(nèi)部分模擬垃圾實(shí)際形狀，而其車廂外部分模擬無車廂時(shí)的垃圾堆的虛擬形狀，如圖2所示。X        圖2  車廂內(nèi)垃圾形狀垃圾橢球面的數(shù)學(xué)函數(shù)如下：（1）前半橢球（推板端）                    (1)

5、（2）后半橢球（填料器端）                  (2)式中，a、b為XOY截面上橢圓的長短半軸長；c1、c2為前、后半橢球的Z向半軸長；Zc為前后半橢球接合處的Z軸坐標(biāo)。由橢球方程可以推得各坐標(biāo)平面內(nèi)不同位置節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橢球表面點(diǎn)坐標(biāo)Xs(Y,Z)、Ys(X,Z)、Zs(X,Y)。3  車廂內(nèi)垃圾載荷密度的數(shù)學(xué)函數(shù)后裝式車廂內(nèi)垃圾對(duì)車廂的作用力由以下幾部分組成：垃圾自重力、壓縮力、擠入力、推出力、慣性力和摩擦力。各

6、實(shí)際工況的載荷為以上各力的組合，下面給出以上各力的載荷密度在車廂內(nèi)分布的函數(shù)表達(dá)式。3.1  垃圾自重載荷密度     (3)式中，X、Y、Z為車廂板的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值；Ys為(X,Z)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的垃圾曲面點(diǎn)高度；Ym為(X,Z)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的垃圾廂高度；為壓縮垃圾比重，取0.75 e-5 N/mm3；公式(3)表示車廂內(nèi)結(jié)構(gòu)某點(diǎn)承受的壓縮垃圾自重載荷密度與壓縮垃圾密度及該點(diǎn)以上壓縮垃圾實(shí)際高度成正比。自重載荷對(duì)車廂內(nèi)推板、擠入板與破碎板等斜板的法向力載荷密度與切向力載荷密度分別為：法向：       

7、;   (4)切向：          (5)式中，為斜板的角度，水平0°，垂直90°；為垃圾的泊松比，是待定的可變參數(shù)，經(jīng)比較分析計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，取為0.5。自重載荷對(duì)車廂內(nèi)斜板的法向力載荷密度與切向力載荷密度的圖解如圖3所示。當(dāng) = 0°與 = 90°時(shí)，切向力載荷密度為零，法向力載荷密度分別等于P0 與 P0 ， P0反映了垃圾自重載荷引起的水平方向壓強(qiáng)。        

8、60; 圖3  法向載荷密度與切向載荷密度3.2  垃圾慣性力載荷密度根據(jù)垃圾自重載荷密度數(shù)學(xué)函數(shù)可推得運(yùn)輸中壓縮垃圾各向慣性力的數(shù)學(xué)表達(dá)式：（1）Y向慣性力載荷密度由上下顛簸引起，Y向加速度與重力加速度之和取為1.5g，因此，Y向慣性力載荷密度與自重載荷密度成正比，前者為后者的1.5倍。（2）X向慣性力載荷密度由側(cè)向晃動(dòng)沖擊引起，X向加速度取0.5g，左右兩側(cè)板其中一側(cè)壓力最大，另一側(cè)壓力為零。    (6)法向：         (7)切向：  

9、60;     (8)式中，Xm為垃圾廂側(cè)板最大X坐標(biāo)；Xs+、Xs-為(Y,Z)點(diǎn)垃圾曲面X向正負(fù)坐標(biāo)；aX為與側(cè)板夾角，側(cè)板為0°其他板為90°。（3）Z向慣性力載荷密度由剎車與沖擊引起，Z向加速度取0.5g，推板處壓力最大。     (9)法向：        (10)切向：       (11)式中，Zm為(X,Y)點(diǎn)垃圾廂最大Z坐標(biāo)；Zs+、Zs-為(X,Y)點(diǎn)垃圾曲面Z向正負(fù)

10、坐標(biāo)；aZ為與Z0平面的夾角，頂板、側(cè)板為90°。3.3  垃圾壓縮力載荷假設(shè)車廂內(nèi)垃圾由于被壓縮而對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用力與壓縮程度成正比，而壓縮程度又與前面給定的垃圾外形曲面與車廂板的間距成正比，由此可得垃圾壓縮力載荷密度：（1）頂板壓縮力載荷密度：     (12)Ys、Ym意義同前，KY為可調(diào)參數(shù)，調(diào)整其大小使頂板應(yīng)力與測(cè)試值相符，這里取值為4.8。（2）底板壓縮力載荷密度：         (13)為可調(diào)參數(shù)，調(diào)整值使車廂的Y向支反力為零，取值為0.18

11、。（3）兩側(cè)板壓縮力載荷密度：    (14)Xs+為(Y,Z)點(diǎn)垃圾曲面X向正坐標(biāo)，KX為可調(diào)參數(shù)，調(diào)整其大小使應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)試值相符，取值為1.8。（4）推板壓縮力載荷密度：         (15)法向：        (16)切向：       (17)Zs-為(X,Y)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的后半橢球曲面Z向坐標(biāo)，aZ為推板與Z0平面的夾角，KZ1為可調(diào)參數(shù)，調(diào)整其大小使推

12、板計(jì)算應(yīng)力值與測(cè)試值相符，這里取值為1.0。（5）破碎板擠壓板壓縮力載荷密度：         (18)法向：         (19)切向：       (20)ZS+為（X,Y）點(diǎn)對(duì)應(yīng)的垃圾曲面前半橢球面Z向坐標(biāo)，aZ為與Z0平面的夾角，KZ2為可調(diào)參數(shù), 調(diào)整其大小使應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)試值相符，KZ2取值為1.2。3.4  垃圾擠入載荷密度后裝式的填料器由擠入板、破碎板和油缸組成。根據(jù)

13、油缸的測(cè)試壓力可以求出在破碎板處的工作壓力P，將其分解為垂直與水平分量Psin和Pcos，為破碎板與水平面的夾角。在碎板板將垃圾擠入車廂的過程中，由于垃圾與車廂板之間的摩擦以及垃圾之間的摩擦作用，擠壓作用力將沿著車廂的長度和高度方向衰減，其衰減規(guī)律可以用衰減函數(shù)T(Y)、T(Z)和S(Z)描述。于是，車廂內(nèi)部擠壓力的水平與垂直壓強(qiáng)可表示為：         (21)         (22)衰減函數(shù)T(Y)、T(Z)、S(Z) 設(shè)為：&

14、#160;        (23)   (24)     (25)Ys、Ym、Zm意義同前；m、n、k、 均為可調(diào)參數(shù)，調(diào)整參數(shù)，使其計(jì)算應(yīng)力值與測(cè)試應(yīng)力相符, m、n、k、 分別取為1.6 、3、2、0.5。考慮到水平與垂直壓強(qiáng)相互影響，可得出三向綜合擠入壓強(qiáng)公式為：                 

15、60;                      (26)頂板、底板處的擠入載荷密度為Py，兩側(cè)板擠入載荷密度為Px，推板處擠入載荷密度為法向：         (27) 切向：          (28)3.5  垃圾

16、推出力載荷密度根據(jù)推板卸料油缸的測(cè)試壓力可以求出推板水平推力的最大壓力Pm，繼而求出由水平壓力引起的三向壓強(qiáng)最大值Pm 、Pm和Pm。同理，推板的作用力也因摩擦沿車廂的長度和高度方向衰減，于是可得垃圾推出力的三向載荷密度為：        (29)式中衰減函數(shù)T(Y)、C(Z)設(shè)為          (30)     (31)Ys意義同前，Zm為車廂長度，j、l、n為可調(diào)參數(shù)，這里分別取為1.5、

17、1、0.1。在頂板、底板處推出載荷密度為Py，兩側(cè)板處推出載荷密度為Px，各斜板處推出載荷密度為：法向：        (32) 切向：         (33)式中各符號(hào)意義同前。4  結(jié)果在實(shí)際工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)所承受的載荷工況主要有以下四種:工況1 滿載靜止與平穩(wěn)行駛工況：結(jié)構(gòu)所承受的載荷包括結(jié)構(gòu)與垃圾自重、垃圾壓縮力；工況2 滿載擠入工況：結(jié)構(gòu)所承受的載荷包括結(jié)構(gòu)與垃圾自重、垃圾壓縮力、垃圾擠入力、摩擦力；   

18、; 工況3 滿載推出工況：結(jié)構(gòu)所承受的載荷包括結(jié)構(gòu)與垃圾自重、垃圾壓縮力、垃圾推出力、摩擦力；工況4 滿載顛簸行駛與剎車工況：結(jié)構(gòu)所承受的載荷包括結(jié)構(gòu)與垃圾自重、垃圾壓縮力、結(jié)構(gòu)與垃圾各方向慣性力。根據(jù)第三節(jié)所述的載荷密度分布函數(shù)，利用 ANSYS的函數(shù)加載功能，可自動(dòng)對(duì)車廂與填料器施加節(jié)點(diǎn)載荷，進(jìn)行。限于篇幅，下面僅給出工況1與工況2兩種實(shí)際載荷工況的有限元分析結(jié)果（單位：MPa）。（1）滿載靜止與平穩(wěn)行駛工況應(yīng)力云圖圖4   工況1頂板與側(cè)板應(yīng)力云圖圖5  工況1底板應(yīng)力云圖（2）滿載擠入工況應(yīng)力云圖圖6  工況2頂板和側(cè)板應(yīng)力云圖圖7  工況2底板和推板應(yīng)力云圖將ANSYS有限元分析的計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，除一些應(yīng)力集中點(diǎn)外，大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布基本相符。因此，第三節(jié)給出的載荷函數(shù)表達(dá)是合理可行的。5  結(jié)語采用假設(shè)與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，給出了各種工況下壓縮垃圾載荷密度的數(shù)學(xué)函數(shù)，保證了計(jì)算結(jié)果的合理性。壓縮垃圾是一種力學(xué)性質(zhì)很不確定的混合物質(zhì)，目