泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體優(yōu)化設(shè)計

陳 宇 朱守琴 鄭 祥 陳席國 胡緒照

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

關(guān)鍵字：泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)；油罐車罐體；MOGA；目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化

1 引言

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展對油罐車需求量的不斷增加及對油罐車性能要求的不斷提高，研究提高油罐車節(jié)能、環(huán)保及安全性新途徑成為國內(nèi)外關(guān)注的課題。目前國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在兩方面：其一是對鋼材料結(jié)構(gòu)罐體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化，二是采用新材料。泡沫鋁是一種新型結(jié)構(gòu)功能材料，其獨特的結(jié)構(gòu)特性使其具備輕質(zhì)、減振、高比剛度、高比強度和高碰撞吸能性等優(yōu)異性能，將泡沫鋁制成的夾芯結(jié)構(gòu)運用于特種車型上是未來特種車型輕量化及提高安全性的有效途徑之一。本文對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行探討，以期證明泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體在提高油罐車節(jié)能性、環(huán)保性和安全性方面的可行性和有效性，為油罐車罐體生產(chǎn)廠家設(shè)計罐體提供理論支持。

2 泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體設(shè)計

選取某公司所生產(chǎn)的JHK9402GYYA半掛油罐車為研究原型，如圖1所示。即原型罐體的截面為圓矩形、壁厚7 mm、長12100 mm的筒體，加7 mm厚的兩塊封頭板和中間間隔排列的7塊帶孔防波板，罐體通體材料為Q235。依據(jù)此原型罐體，設(shè)計泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體。防波板上有通氣孔、通液孔及人孔，采用原型的防波板。但罐體筒體和封頭均采用泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)，如圖2所示。設(shè)內(nèi)層鋼板厚度為t1，外層鋼板厚度為t2，泡沫鋁芯層厚度為c，將三個變量作為目標(biāo)輸入?yún)?shù)。

圖1 原型罐體結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體截面局部放大圖

兩種結(jié)構(gòu)罐體所涉及的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3 罐體靜態(tài)特性分析

3.1 分析過程

依據(jù)上文所述罐體結(jié)構(gòu)，建立兩種罐體三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體內(nèi)外層鋼板厚度3 mm，泡沫鋁層芯厚度30 mm作為基本迭代。夾芯結(jié)構(gòu)罐體的筒體的內(nèi)外層鋼板與中間層夾芯板接觸界面處理采用粘接的方式。按照表1設(shè)置材料參數(shù)。對油罐車罐體的底架底面施加全約束，劃分網(wǎng)格后的模型用圖3所示，泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體共含有121796個節(jié)點，25180個單元。

圖3 罐體網(wǎng)格模型

根據(jù)道路運輸液體危險貨物罐式車輛相關(guān)要求罐體施加如下載荷：（1）通過施加Standard Earth Gravity來模擬罐體自重；（2）通過施加Hydrostatic Pressure來模擬液體沖擊力及所載液體自重；（3）對罐體側(cè)面施加540 Pa的壓力模擬側(cè)向風(fēng)力；（4）為了解負(fù)壓后罐體的狀況，對罐體表面施加0.021 Mpa的外壓校核力；（5）考慮路況的不同，車輛牽引緩沖裝置產(chǎn)生縱向的拉伸與壓縮，在罐體車架的前后端板及橫梁上施加1125 kN的縱向力，最終載荷施加情況如圖4所示。

圖4 載荷施加

3.2 結(jié)果與分析

圖5 應(yīng)變云圖

依據(jù)上述設(shè)置，分別對兩種結(jié)構(gòu)罐體進(jìn)行分析，分析得到兩種罐體的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。鑒于篇幅所限，僅給出泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的應(yīng)變和應(yīng)力云圖，如圖5及圖6所示，將兩種罐體靜態(tài)特性分析得到的主要性能參數(shù)列于表2。

圖6 應(yīng)力云圖

表2 兩種罐體主要性能參數(shù)

由表2可見，泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的最大應(yīng)力及應(yīng)變相比原結(jié)構(gòu)罐體有所下降，但質(zhì)量相比原型罐體有所提高，考慮實際因素復(fù)雜，為了提高節(jié)能環(huán)保性和安全性，需要進(jìn)一步優(yōu)化提高性能。

4 泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計分析

4.1 設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)設(shè)置

泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體的最大等效應(yīng)力及應(yīng)變，罐體質(zhì)量為設(shè)計目標(biāo)。這三個目標(biāo)小于原型結(jié)構(gòu)罐體的靜態(tài)分析結(jié)果即可得到最優(yōu)值，但是泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的質(zhì)量和應(yīng)力及應(yīng)變目標(biāo)相悖，傳統(tǒng)的優(yōu)化難以實現(xiàn)，可以利用ANSYS的多目標(biāo)遺傳算法MOGA進(jìn)行優(yōu)化。

MOGA是一種單程排序遺傳算法的變體算法。遺傳算法是概率意義下的全局并行隨機優(yōu)化搜索算法對設(shè)計變量為離散變量的優(yōu)化問題。

4.2 參數(shù)設(shè)置

利用Response Surface模塊分析各設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的靈敏度；利用Direct Optimization模塊優(yōu)化各設(shè)計變量，求得最優(yōu)結(jié)構(gòu)。分析時各設(shè)計變量范圍參照原型油罐車罐體，各設(shè)計變量的代號及范圍如表3所示。為使泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體的剛度和強度得到提高及質(zhì)量減輕，應(yīng)使其最大應(yīng)力和最大位移小于原型結(jié)構(gòu)罐體，并且其質(zhì)量也應(yīng)不大于原型結(jié)構(gòu)罐體，具體目標(biāo)函數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 設(shè)計變量

泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體外鋼板厚度、夾芯層厚度和內(nèi)鋼板厚度對應(yīng)ANSYS中的P5~P7，把泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的最大應(yīng)變P3，最大等效應(yīng)力P4和質(zhì)量P8設(shè)置為輸出參數(shù)，選取優(yōu)化方法為MOGA，初始種子數(shù)為100，最大迭代次數(shù)為20，收斂穩(wěn)定比例為2，最大允許帕累托百分比為70%。綜上所述，該優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

4.3 結(jié)果與討論

經(jīng)過迭代計算求得結(jié)果，部分迭代曲線如圖7所示，圖中由上到下依次為應(yīng)變約束曲線，應(yīng)力約束曲線和質(zhì)量約束曲線，由圖可知絕大部分樣本點均符合約束條件，表明在設(shè)計空間內(nèi)可以取得最優(yōu)結(jié)果，各參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)的敏感性圖如圖8所示，由此可見，泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的外鋼板厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的應(yīng)力及應(yīng)變影響最大，泡沫鋁芯層厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的應(yīng)力及應(yīng)變影響最小，泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的內(nèi)外鋼板厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)罐體的應(yīng)力及應(yīng)變影響基本一致，外鋼板厚度影響更大一些；在分析數(shù)值范圍內(nèi)可以選用合適的三個參數(shù)，可以在質(zhì)量減小的條件下增強罐體的強度和剛度。

圖7 迭代曲線

圖8 敏感性圖

外鋼板厚度對剛度強度的靈敏度分析：如下圖9所示，外鋼板厚度在設(shè)置區(qū)間內(nèi)，從靈敏度曲線可以看出外鋼板厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體其結(jié)構(gòu)強度剛度的影響成拋物線關(guān)系，在1.5 mm附近為最大變形量，在2.5 mm~2.6 mm區(qū)間附近變形量達(dá)到最小值。

圖9 外鋼板厚度對罐體結(jié)構(gòu)剛度強度影響程度

泡沫鋁夾芯層厚度對剛度強度的靈敏度分析：如下圖10所示，泡沫鋁夾芯層的尺寸參數(shù)在設(shè)置的區(qū)間內(nèi)，隨著泡沫鋁夾芯層厚度值越大，結(jié)構(gòu)剛度性能越好，在達(dá)到29 mm時趨于穩(wěn)定。泡沫鋁夾芯層厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體其結(jié)構(gòu)強度的影響成拋物線關(guān)系，在30 mm附近達(dá)到最小變形量，而在25 mm和35 mm處變形量都很大。

圖10 夾芯層厚度對罐體結(jié)構(gòu)剛度影響程度

內(nèi)鋼板厚度對剛度強度的靈敏度分析：內(nèi)鋼板厚度在設(shè)置區(qū)間內(nèi)，從靈敏度曲線圖11可以看出內(nèi)鋼板厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體其結(jié)構(gòu)強度剛度的影響成拋物線關(guān)系，在1.5 mm附近為最大變形量，在2.2 mm~2.3 mm區(qū)間附近變形量達(dá)到最小值。

圖11 內(nèi)鋼板厚度對罐體結(jié)構(gòu)剛度影響程度

通過以上各參數(shù)對最大應(yīng)力、最大應(yīng)變及質(zhì)量的影響力大小的分析，可以從這3個候選的設(shè)計點之中選擇Candidate 3（見表4）作為最優(yōu)設(shè)計點，并對其參數(shù)進(jìn)行圓整，然后更新求解計算，便得出優(yōu)化后的泡沫鋁油罐車罐體的最大應(yīng)變、最大應(yīng)力值及質(zhì)量。最大應(yīng)變?yōu)椋?.6135 mm，相比原型下降了17.11%；最大應(yīng)力為：113.12 Mpa，相比原型下降了24.94%；質(zhì)量為：34214 kg，相比原型下降了6.97%?？梢钥闯鲈谫|(zhì)量減小的前提下改善了罐體的應(yīng)力和應(yīng)變。

表4 候選優(yōu)化點

5 結(jié)論

（1）運用 ANSYS的 Design Exploration模塊對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體進(jìn)行多參數(shù)目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析，可以方便快捷地得出其主要尺寸參數(shù)對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度曲線，從而找出對優(yōu)化目標(biāo)影響最大的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)之上優(yōu)化確定最佳的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2）運用上述優(yōu)化方法對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)油罐車罐體多種參數(shù)的優(yōu)化，可以在減小質(zhì)量的前提下提高罐體的強度和剛度，從而提高汽車的輕質(zhì)性和安全性。