鋁合金液罐車局部損傷分析與維修

謝顯亮 劉現(xiàn)允

摘 要：隨著鋁合金罐車在成品油運(yùn)輸行業(yè)的廣泛應(yīng)用，罐車局部損傷與維修問題也逐漸成為一個(gè)新的行業(yè)熱點(diǎn)。由于鋁合金材料的自身特性及焊接時(shí)的環(huán)境要求有別于碳鋼材料，故維修市場(chǎng)上基于碳鋼罐車的維修經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用于鋁合金液罐車并不適用，經(jīng)常出現(xiàn)維修后，車輛經(jīng)短期使用又發(fā)生二次損傷的問題。針對(duì)這一狀況，本文以一款鋁合金運(yùn)油半掛罐車鞍座位置罐體損壞原因分析及維修方案確認(rèn)為例，系統(tǒng)闡述鋁合金運(yùn)油半掛罐車局部損傷后的原因研究與維修方案制定流程。同時(shí)針對(duì)維修后使用情況進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤記錄，以理論驗(yàn)證與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的方式，驗(yàn)證維修方案的可行性。

關(guān)鍵詞：鋁合金液罐車;車架;經(jīng)典力學(xué)

0 引言

環(huán)境污染和資源消耗已成為全球性問題。減輕車輛自重、降低油耗、提高運(yùn)輸效益等措施成為政府、科研院校、用戶及企業(yè)普遍關(guān)心的問題。鋁合金以其質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)、抗沖擊性好等特點(diǎn)，在專用汽車產(chǎn)業(yè)逐漸得到廣泛應(yīng)用。但硬度低、抗磨性不佳、易磨損等缺陷，使其不適合用于經(jīng)?；顒?dòng)的部位。近年來(lái)，越來(lái)越多的專家學(xué)者應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，并取得了理想的結(jié)果。

1 罐體模型的建立

1.1 劃分單元網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格之前，首先指定單元類型。罐體和車架均是一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，宜離散為板殼單元SHELL63單元和BEAM3單元。依據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)件確定單元網(wǎng)格的大小，并可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同構(gòu)件或同一構(gòu)件的不同部分進(jìn)行不同單元大小的網(wǎng)格劃分。

1.2 模型采用的坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理

在前筒位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，前筒直徑2000mm的圓筒，后筒直徑2300mm的圓筒。負(fù)Y向?yàn)橹亓Ψ较?。在真?shí)反映罐體主要力學(xué)特性的前提下，盡可能選取較少的節(jié)點(diǎn)和單元，焊接小件等建模時(shí)忽略不計(jì)。以殼單元模擬罐體圓筒、錐筒、橢圓封頭，防波板、翼板底板、腹板、后支座、橫梁。將支撐筋，加強(qiáng)槽鋼等簡(jiǎn)化為梁。建模時(shí)：翼板和墊板與筒體焊接在一起時(shí)，忽略焊接的影響，在有限元建模時(shí)，該位置厚度為兩層板厚度之和。

2 有限元模型

2.1 載荷與邊界條件

載荷：液體對(duì)罐體壓力、自重。

邊界條件：約束牽引銷處全部自由度，約束懸掛處上下、左右的自由度。

2.2 整車設(shè)計(jì)參數(shù)

該車為道路運(yùn)輸三軸液體罐式半掛車，運(yùn)輸介質(zhì)為汽柴油，該半掛車總質(zhì)量：40000kg，整備質(zhì)量：10500kg，滿載質(zhì)量：29500kg，軸距：6740+1305+1305mm，前懸/后懸：1450mm/1500mm，掛車外廓尺寸為12300mm×2500mm×3750mm。罐車屬于非承載式半掛車，車架采用鋁合金材質(zhì)，型號(hào)5083H111，抗拉強(qiáng)度極限275MPa，屈服極限125MPa;副車架材料Q345A，抗拉強(qiáng)度520MPa，屈服強(qiáng)度345MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥21%。懸架采用鋼板懸架，板簧片數(shù)為10片。

3 計(jì)算與分析

一般引起機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷的涉及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、撞擊三類設(shè)計(jì)因素，靜態(tài)設(shè)計(jì)是針對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度;動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是針對(duì)使用壽命的疲勞特性，撞擊設(shè)計(jì)是針對(duì)操作或碰撞過程的能量吸收。從損傷的情況可以判斷損傷原因?yàn)殪o態(tài)或動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)因素導(dǎo)致的。對(duì)于哪一種是導(dǎo)致?lián)p傷的主要原因，筆者采用排除法，先利用有限元單元法對(duì)罐車模型進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)因素分析。

3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

有限元模型的簡(jiǎn)化：a.不考慮罐內(nèi)液體的晃動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;b.附件如管路箱、備胎、罐頂圍框等，相對(duì)總質(zhì)量較小予以省略。同時(shí)對(duì)牽引座上部罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部細(xì)化，以保證計(jì)算精度。模型單元數(shù)量為320244，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為352793。

3.1.1 靜載工況

車輛在靜載荷工況下，外部支撐處、防波板背部加強(qiáng)環(huán)處、防波板下過油孔處應(yīng)力云圖。靜載工況下，支撐角件根部最大應(yīng)力為93MPa，加強(qiáng)環(huán)最大應(yīng)力為83MPa，過油孔邊緣最大應(yīng)力56MPa。

3.1.2 扭曲工況

車輛在扭曲工況下，外部支撐處、防波板背部加強(qiáng)環(huán)處、防波板下過油孔處應(yīng)力云圖。扭曲工況，支撐角件根部最大應(yīng)力為123MPa，加強(qiáng)環(huán)最大應(yīng)力為117MPa，過油孔邊緣最大應(yīng)力為98MPa。

3.2 損傷原因分析

疲勞損傷通常是由高應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生最初裂紋導(dǎo)致的。一般在恒定負(fù)載情況下，裂紋會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)。但疲勞應(yīng)力在周期應(yīng)力頻繁變化、波動(dòng)的情況下會(huì)增大，當(dāng)裂紋以外的剩余截面不能夠充分承擔(dān)施加的峰值負(fù)荷，損壞就會(huì)發(fā)生。在結(jié)構(gòu)上疲勞損傷一般多發(fā)生在幾何形狀的突然變化點(diǎn)、結(jié)構(gòu)中突然出現(xiàn)的斷點(diǎn)、熔焊的焊趾和焊根、緊固件螺紋的根部、機(jī)械損壞產(chǎn)生的斷點(diǎn)、焊接缺陷處、因腐蝕引起的凹坑處等位置。比對(duì)罐車與牽引車鞍座連接的位置附近結(jié)構(gòu)件損傷的情況可發(fā)現(xiàn)，此位置為罐體上的高應(yīng)力區(qū)，同時(shí)受路況影響，所受應(yīng)力頻繁變化波動(dòng)。牽引車鞍座對(duì)應(yīng)的外部支撐角件根部損傷為沿焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里熔焊的焊趾位置發(fā)生的疲勞損傷。罐內(nèi)防波板下過油孔邊緣處損傷為橫向焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里焊接缺陷處發(fā)生的疲勞損傷。罐內(nèi)防波板背部加強(qiáng)環(huán)處損傷為沿焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里結(jié)構(gòu)中突然出現(xiàn)的斷點(diǎn)處發(fā)生的疲勞損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

建立車架有限元模型，進(jìn)行滿載工況的靜力學(xué)分析，對(duì)比分析結(jié)果和經(jīng)典力學(xué)計(jì)算結(jié)果，從而驗(yàn)證有限元模型的正確性。有限元分析結(jié)果表明，整車應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。相比于不銹鋼和碳鋼，鋁合金車架的重量減輕約30%，從而大幅增加有效載荷，提高運(yùn)輸效率。因此，鋁合金材質(zhì)在專用汽車零部件及整車結(jié)構(gòu)中將發(fā)揮巨大價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。

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