淺談液體罐式運輸車罐體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

謝忠輝

（東莞市永強汽車有限公司，廣東東莞 523400）

0 引言

圖1 液罐車實物結(jié)構(gòu)圖

液體罐式運輸車主要是通過車輛上自帶的罐式容器，將介質(zhì)從一個地方運輸?shù)搅硪粋€地方的運輸車輛（圖1）。有些罐式運輸車還自帶多種功能模塊，能完成不同的專用功能，比如飛機運加油車等。罐式運輸車有多種，而使用最多的卻是運輸危險液體的危險品液罐運輸車。由于液體像汽柴油都存在蒸汽且溫度高會發(fā)生膨脹，一般危險品液罐車均保有5%的膨脹容積。而液罐運輸車，特別是大容量的液罐車在曲線、加速、減速、坡道行駛時，在未裝滿的情況下，會發(fā)生質(zhì)心轉(zhuǎn)移，影響其行駛穩(wěn)定性。因此在油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需采取有效措施，給介質(zhì)的流動增加阻力，減少液體的質(zhì)心的過度轉(zhuǎn)移。在實際應(yīng)用中，主要是在罐內(nèi)增加阻浪板，可有效減少浪涌對罐體和整個車輛穩(wěn)定性的影響。本文通過計算機幾何學(xué)和計算機的圖形技術(shù)，真實而精確地描述產(chǎn)品的幾何特性及各零件之間的相互關(guān)系，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB18564的要求，模擬罐體幾種極限工況下對整體的影響，通過動態(tài)仿真進行預(yù)先檢驗和修正，分析罐體受力情況及其頻率進行分析，增加車輛穩(wěn)定性[1]。

1 模型建立

1.1 罐體材料的選型

液體罐式運輸車運輸?shù)慕橘|(zhì)多種多樣，而標(biāo)準(zhǔn)GB18564附錄B中危險品能被罐式運輸車運輸?shù)臄?shù)量就有36種，罐式車輛作為危險品運輸?shù)淖畲笕后w，主要承擔(dān)壓縮氣體、液化氣體及液體物質(zhì)運輸，所運貨物性質(zhì)包括易燃、易爆、腐蝕及毒性等。[2]而主要罐體的材料主要就是鋁合金、304不銹鋼、316不銹鋼。根據(jù)介質(zhì)的不同，可以采用不同的材料。

液罐車經(jīng)常運輸?shù)慕橘|(zhì)主要是汽柴油。汽柴油本身物理特性比較穩(wěn)定，對板材腐蝕性較小，但由于其易燃易爆也需要做特別的設(shè)計。比如罐內(nèi)的浪涌的摩擦不能產(chǎn)生大量的靜電，否則會讓介質(zhì)爆炸。因此，在大多數(shù)的汽柴油運輸車上，都是使用鋁合金材質(zhì)作為罐體的材料。鋁合金與油摩擦，靜電倒除容易，而且質(zhì)量輕，能使車輛承載的介質(zhì)增多，具有多種實用價值。而國內(nèi)液罐運輸車的主要使用的鋁合金材料為牌號為5083的鋁合金，其物理特性如表1所示[3]。

表1 材料屬性

1.2 液體罐式運輸車UG模型

將液罐車按其功能區(qū)分，可分為行走支撐部分的底盤、副車架等結(jié)構(gòu)，用于貯存介質(zhì)的罐式容器結(jié)構(gòu)，作為安全附件的側(cè)護欄、爬梯、消防裝置等。罐體及附件通過螺栓或者其他的活連接方式與底盤連接，底盤對上裝的作用力與罐體內(nèi)部應(yīng)力綜合對車輛的穩(wěn)定性有決定性的影響。

用CAM軟件模擬罐車的工作狀態(tài)，進行結(jié)構(gòu)靜力分析，找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及較大位置以及各部件的固有頻率，對液體罐式運輸車的設(shè)計和改良有很大的指導(dǎo)意義。本文作者選用某公司典型的易燃液體罐式運輸車為例進行分析，主要介質(zhì)是汽柴油，其主要的參數(shù)如表2所示。

表2 液罐車參數(shù)

根據(jù)參考液罐車實車結(jié)構(gòu)，將罐體的結(jié)構(gòu)進行簡化，然后進行三維建模工作，模型主要反映的是罐體和主要用于罐體與底盤固定部分的主要結(jié)構(gòu)，如圖2所示的易燃液體罐式運輸車的罐體UG三維模型。

1.3 有限元模型建立

圖2 易燃液體罐式運輸車的罐體的UG模型圖

在建立模型時，不考慮焊縫對結(jié)構(gòu)強度的影響，將焊縫與各部件看作一個連續(xù)體[4]，對罐式運輸車的罐體結(jié)構(gòu)進行簡化，主要采用殼單元模擬，單元大小約為22 mm，厚度取各自設(shè)計值。罐體各質(zhì)量件按照各部件重量，采用質(zhì)量單元模擬（圖3）。罐體內(nèi)壁施加垂直于壁面0.2 MPa壓強。罐體和底座采用剛性連接，螺栓連接處定義節(jié)點耦合進行簡化（圖4）。整個模型單元共765 953個，節(jié)點597 524個。將罐內(nèi)的15 t介質(zhì)以7個質(zhì)量點方式平均分布于罐體（兩端封頭+5段罐體）的回轉(zhuǎn)中心軸線上，并與罐體內(nèi)壁耦合。

圖3 罐殼整體有限元模型

圖4 罐殼內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)有限元模型

2 液罐車模態(tài)分析計算工況

2.1 靜強度

在標(biāo)準(zhǔn)GB18564.1-2006的5.4.2.2條款中規(guī)定，罐體在運輸工況中所承受的靜態(tài)力按下列原則確定。

（1）縱向：最大充裝質(zhì)量乘以2倍的重力加速度；

（2）橫向：最大充裝質(zhì)量乘以重力加速度；

（3）垂直向上：最大充裝質(zhì)量乘以重力加速度；

（4）垂直向下：最大充裝質(zhì)量（包括重力作用的總負(fù)荷）乘以2倍的重力加速度[5]。

根據(jù)如上要求，此處規(guī)定靜強度計算包含6個工況，如表3所示，此6種工況涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)要求的方面，并考慮到加速、減速、轉(zhuǎn)彎和顛簸工況。

表3 靜強度計算工況

2.2 疲勞工況

疲勞強度計算工況如表4所示。

表4 疲勞強度計算工況

3 液罐車模態(tài)分析

3.1 靜強度

在整車設(shè)計中，會不可避免地存在一些尖角、對接溝槽等，產(chǎn)品應(yīng)力集中于此，而應(yīng)力集中部位則是大多數(shù)結(jié)構(gòu)失效的原因。在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力的最大值（峰值應(yīng)力）與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。在有限元分析中，通過對罐體不同部位進行應(yīng)力分量計算并歸類，對不同部位的應(yīng)力分量分別計算其主應(yīng)力，進而得到各不同部位的應(yīng)力強度,[6]分析最大應(yīng)力的部分，能對結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。而根據(jù)以上的靜強度計算工況，計算所得各種工況的最大應(yīng)力情況如表5所示，整體的應(yīng)力大點主要分布在副車架上面，而罐體上的應(yīng)力相對較小，但各工況的最大應(yīng)力值都小于材料的屈服強度，因此罐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的。

3.2 固有頻率

液罐車固有振型有罐車的整體振動和以罐車一個或幾個部分振動為主的局部振動兩大類。文中主要考慮局部振動模態(tài)。根據(jù)以上的條件進行計算，液罐車的固有頻率計算前六階如表6所示。

表5 應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果

表6 各部件模態(tài)的共振頻率

通常，路面不平是汽車振動的基本輸入，頻率范圍[7]約為0.5～25 Hz。解決在隨機不平路面激勵下，液罐車整車機零部件的振動問題，是提高汽車平順性、安全性和可靠性的基礎(chǔ)。通過液罐車的固有頻率計算，其第一階的固有頻率為26.88 Hz，此頻率已經(jīng)大于路面激勵，也大于大部分的內(nèi)在頻率，可以確定外界頻率的激勵對液罐車整車的各階模型的影響可以忽略。

3.3 疲勞強度分析

疲勞強度計算工況應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果如表7所示，由表7可見，各工況的最大應(yīng)力均低于DVS 1608-2011規(guī)定的相應(yīng)材料的最大許用應(yīng)力，利用系數(shù)均不大于0.30，具有較高的強度裕量[8]。

表7 疲勞計算工況應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)束語

根據(jù)以上對液罐車罐體的結(jié)構(gòu)分析，可以看出液罐體所選用的鋁合金材料和設(shè)計的結(jié)構(gòu)強度都能滿足實際應(yīng)用的需要；固有頻率的分析說明液罐車的固有頻率較高，比路面隨機頻率高且比液罐車動力結(jié)構(gòu)的頻率高，因此外界對其影響較小?？傮w來說，此型液罐的罐體設(shè)計符合整車穩(wěn)定性的要求。