輕量化鋁合金罐車罐體有限元分析

王若平，韋 偉

(江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江212013)

汽車輕量化，即在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染.實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩個途徑:1是選用強度更高、重量更輕的新材料，例如鋁合金、高強度鋼材等[1];2是設(shè)計更合理的車身結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對車身零部件進行結(jié)構(gòu)和工藝改進等[2].途徑1是當(dāng)前汽車輕量化的主要方法;途徑2是結(jié)合優(yōu)化設(shè)計和有限元法對車身的結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到在保證結(jié)構(gòu)強度的條件下降低結(jié)構(gòu)重量.目前國內(nèi)的專用汽車制造企業(yè)，在公路運輸罐車的輕量化設(shè)計上也主要以采用輕型材料的方法，但這些企業(yè)對采用新材料后的罐車的分析鮮有涉及.針對某專用汽車制造企業(yè)的鋁合金罐車罐體模型，在幾種工況下進行有限元分析，以檢驗罐體的剛度和強度是否滿足要求.

1 模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)分析

罐車為承載式結(jié)構(gòu)，如圖1所示.主要由罐體、牽引支座、車架、爬梯、擋泥板等組成，罐體為常壓容器，壓強為0.036 MPa，總?cè)莘e45 m3，最大充裝質(zhì)量為3×104kg.牽引支座在罐體前端，以連接牽引車和由罐體、車架等組成行走機構(gòu).罐體分為3段，前后段為不同直徑的圓柱筒體，中間通過變截面形式過渡連接前后罐，罐體內(nèi)部有隔板和防波板.車架上設(shè)有支座用來固定罐體.罐體采用鋁合金5083-H112，密度為2.66 g/cm3，抗拉強度為180 MPa，屈服強度為211 MPa;牽引支座和車架均采用鋁合金6061-T651，密度為2.7 g/cm3，抗拉強度為310 MPa，屈服強度為276 MPa.

圖1 罐車結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)簡化

在真實反映罐體主要力學(xué)特性的前提下，建模時罐體上的人孔及一些附屬裝置忽略不計.另外，不考慮液體流動的影響，罐體承載區(qū)的載荷分布以及結(jié)構(gòu)上的小圓角等工藝因素也不考慮.在CATIA中建立罐體、牽引支座和車架的板殼模型.

1.3 單元的選擇

在真實反映該罐體主要力學(xué)特性的前提下，盡可能地選取較少的節(jié)點和單元[3]，對罐體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型進行簡化.由于罐車的罐體、車架，牽引支座等部件都由各種不同厚度的鋁合金板制成，這里選取4節(jié)點SHELL63單元來模擬.SHELL63單元是一個彈性殼單元，它既可以承受法相載荷，也可以承受內(nèi)張力載荷，在單元的每個節(jié)點上具有6個自由度，即沿坐標(biāo)軸的位移自由度UX，UY，UZ和繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動自由度ROTX，ROTY，ROTZ.

1.4 網(wǎng)格劃分

將CATIA中建立好的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，設(shè)置單元及屬性.在劃分網(wǎng)格時，考慮到計算的復(fù)雜性，在不影響計算精度的前提下，對于不同的結(jié)構(gòu)部位，不同厚度的連接處、應(yīng)力集中處等重要部位，網(wǎng)格劃分得細(xì)而密;對于罐體上部、防波板、隔板等部位則劃得稀疏一些，最后得到罐體劃分好網(wǎng)格后的模型，如圖2所示，共有183 340個單元，188 425個節(jié)點.

圖2 罐體有限元模型

1.5 多點約束(MPC)的應(yīng)用

在實際的制造過程中，罐車的各個部件是通過焊接或鉚釘連接成的，如隔板、防波板與罐體間的焊接.在建立有限元模型時，不考慮焊縫、鉚接對結(jié)構(gòu)的影響，將其看做剛性連接，這里采用MPC方法將罐車有限元模型的不同結(jié)構(gòu)連接起來.

利用MPC法可以不需要交接處的節(jié)點一一對應(yīng)就能將不連續(xù)、自由度不協(xié)調(diào)的單元網(wǎng)格連接起來.MPC將需要連接的兩部分定義為接觸關(guān)系，建立連接對，設(shè)置接觸單元的接觸算法為MPC algorithm，并且將接觸面行為定義為綁定，就實現(xiàn)了不同單元的連接[4].

2 約束與載荷的確定

罐體前端依靠牽引銷支撐在牽引車的牽引支座上，施加載荷時，牽引支座固定不動，對牽引支座的下平面約束UX(橫向)、UY(垂直方向)、UZ(縱向).車架依靠鋼板彈簧及簧支架支撐在車軸上，簧支架焊接于行走機構(gòu)的下平面.不考慮鋼板彈簧的作用，施加約束時，在車架下平面連接簧支架處約束垂直方向位移UY.

罐車在實際工作的過程中，由于裝載量、行駛工況的不同，產(chǎn)生的應(yīng)力也不同.根據(jù)GB18564.1-2006[5]，罐體在運輸工況中所承受的靜態(tài)力按照下列確定:①縱向，即行駛方向:最大充裝質(zhì)量×2倍重力加速度;②橫向，即與行駛方向成直角:最大充裝質(zhì)量×重力加速度;③垂直向上:最大充裝質(zhì)量×重力加速度;④垂直向下:最大充裝質(zhì)量×2倍重力加速度.除了以上幾種靜態(tài)力，還要考慮結(jié)構(gòu)自重和罐體內(nèi)部壓力的影響.

3 計算分析

將建立的力學(xué)模型，在ANSYS中進行邊界條件約束、加載和計算求解，得到各工況下罐體的應(yīng)力與應(yīng)變云圖，如圖3～6所示，圖中應(yīng)力單位為MPa，應(yīng)變單位為mm.

由圖可知:縱向工況中，最大應(yīng)力位于第2塊隔板與罐體的焊縫處，為178.08 MPa，最大變形量0.86 mm;橫向工況中，最大應(yīng)力位于最后一塊隔板與罐體的焊縫處，為182.75 MPa，最大變形量8.85 mm;垂直向上工況中，最大應(yīng)力位于第3塊隔板與罐體的焊縫處，為179.14 MPa，最大變形量6.58 mm;垂直向下工況中，最大應(yīng)力位于第2塊隔板與罐體的焊縫處，為177.696 MPa，最大變形量2.809 mm.幾種工況的最大應(yīng)力值均未超過材料的需用應(yīng)力.

圖6 垂直向下工況罐體的應(yīng)力、應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

對鋁合金罐車罐體的有限元分析，得到了罐體各位置處的應(yīng)力、應(yīng)變大小，為設(shè)計該鋁合金罐體的剛度和強度提供了理論依據(jù).通過分析，可知該鋁合金罐車罐體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，同時發(fā)現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對罐體的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義.

[1] 范軍鋒，陳 銘.中國汽車輕量化之路初探[J].鑄造，2006，55(10):995-1003.

[2] 張 宇，朱 平，陳關(guān)龍，等.基于有限元法的轎車發(fā)動機罩板輕量化設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40(1):163-166.

[3] 王柱江，胡志國.散裝水泥車罐體有限元分析[J].專用汽車，1999，26(3):7-8.

[4] 劉 坤，吳 磊.ANSYS有限元方法精解[M].北京:國防工業(yè)出版社，2005.

[5] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB18564.1-2006道路運輸液體危險貨物罐式車輛第1部分:金屬常壓罐體技術(shù)要求[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.