液體箱的強度分析與設(shè)計

沙鵬

摘? 要：液體箱憑借其較大的體積容量、較高的安全可靠性能和較靈活便捷的運輸方式，在多式聯(lián)運和工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了越來越廣泛的應用。在此背景下，該文探究了液體箱強度計算標準，在分析有限元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對液體箱的設(shè)計標準、規(guī)范及設(shè)計條件進行了綜述，并探討了它優(yōu)化參數(shù)的確定方法和材料的選擇，進而對液體箱的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入探討，旨在為液體箱強度分析和設(shè)計水平的穩(wěn)步提升提供更多參考。

關(guān)鍵詞：液體箱;強度分析;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： TE28? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

當前我國工業(yè)經(jīng)濟社會飛速發(fā)展，液體箱在液體運輸和氣體儲存與移動式運輸?shù)戎T多方面有較廣泛的應用，憑借其投資額度小、實際裝載能力大、運輸安全性能高和成本效益強等諸多優(yōu)勢，得到了各行各業(yè)的廣泛青睞。其具有較高的安全可靠性、穩(wěn)定性和足夠的強度，更是保證液體危險品安全運輸?shù)闹匾?。在考慮液體箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際使用過程中復雜度不斷提升這一基本前提下，液體箱的設(shè)計往往參照ISO標準進行規(guī)范分析，液體箱的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度設(shè)計以及罐體連接部位設(shè)計應用水平不斷提升，但強度分析與優(yōu)化設(shè)計仍舊存在一定問題，因此，對液體箱的強度分析與優(yōu)化設(shè)計進行深入探討與研究有其必要應用價值。

1 液體箱強度計算判據(jù)

不論是在液體箱的規(guī)則設(shè)計，還是在液體箱的應力結(jié)構(gòu)分析過程中，強度計算判斷依據(jù)都主要涉及材料應力設(shè)計和結(jié)構(gòu)應力設(shè)計兩大部分內(nèi)容。在液體箱的正常運輸過程中，當液體箱處于慣性力荷載作用時，罐體、罐體框架甚至連接部位的材料屈服強度除以1.5計算，即：許用應力 = Re/1.5 ，盡可能地保證液體箱連接部位在慣性力荷載下正常工作。在液體箱的應力分析和強度判斷過程中，根據(jù)液體箱檢驗標準和相關(guān)依據(jù)可知，液體箱的板殼單元實際應力判斷對象中心為單元中心點，且應選擇表面應力值的最大合成值。

在我國，罐式集裝箱的相關(guān)檢驗標準和規(guī)程中明確指出，罐式集裝箱的有限元計算規(guī)則主要依賴于板、殼單元的分類，判斷對象應該為罐式集裝箱的單元中心點和表面應力值的最大合成值。也就是說，罐式集裝箱有限元板、殼單元的應力表面彎曲應力值和中部應力值的平均合成值大小，即為罐式集裝箱應力值大小的最終確定。在此過程中，罐式集裝箱應力值最終合成過程中的平面y方向的合成正應力與單元平面x方向的合成剪應力，最終得到最大合成應力。在慣性力條件下，罐式集裝箱的整體或部分單元的危險截面最大合成應力值大小應滿足相關(guān)條件。與此同時，根據(jù)國家關(guān)于鋼制壓力容器分析的相關(guān)標準和規(guī)程可知，以彈性計算為基礎(chǔ)計算原理的壓力容器分析過程中依照塑性失效準則、彈塑性失效準則，應分別采用應力分類的方式精確計算，實際評定辦法主要根據(jù)板殼結(jié)構(gòu)評定方法相互區(qū)分。對罐式集裝箱來說，當罐式集裝箱的一次薄膜應力強度許用值已知時，局部薄膜應力強度的使用值為總體薄膜應力強度許用值的1.5倍，而一次薄膜加一次彎曲應力強度的許用值應為一次總體薄膜應力強度許用值的1.5倍，一次加二次應力強度許用值應為一次總體薄膜應力強度許用值的3倍。進一步分析可知，罐式集裝箱的支座局部、框架局部以及罐式集裝箱罐體和框架連接處局部往往為高壓應力區(qū)，同一高壓應力區(qū)應嚴格按照相關(guān)標準評定。由于罐式集裝箱檢驗規(guī)范中，進一步將應力值控制在許用應力值范圍內(nèi)，而按照JB4732標準計算時，上述局部高應力區(qū)往往存在著二次應力的情況，因此，其總應力必須控制在3倍許用應力范圍內(nèi)，由此可知，罐式集裝箱檢驗標準規(guī)范強度要求過高，較一般情況下的力學估計和驗算過于保守，從而造成罐式集裝箱內(nèi)壁厚度往往較大，造成材料、人力、物力等的浪費，也進一步增加了罐式集裝箱的整體質(zhì)量，造成運輸類設(shè)備的浪費。最后，由于罐式集裝箱的各部件往往大多采用塑性、韌性較好的材料，而罐式集裝箱局部發(fā)生塑性變形時，并不會引起罐式集裝箱的整體效能失去，因此，采用JB4732分析方法對罐式集裝箱進行設(shè)計，能在一定程度上降低罐式集裝箱設(shè)備成本，也能滿足罐式集裝箱工業(yè)生產(chǎn)和運輸要求，具備較強的科學性與合理性。

2 有限元分析

在對液體箱的強度設(shè)計進行應力分類研究時，研究人員須在應力分析前對液體箱進行有限元分析，從而得到液體箱的整體應力分布圖，并給予線性化處理。在液體箱的有限元分析過程中，可利用節(jié)點在液體箱單元外表面、內(nèi)表面甚至中間面的各項應力分量，計算出液體箱薄膜應力和整體彎曲應力值，進而根據(jù)薄膜應力值和彎曲應力值直接計算液體箱實際探查位置的薄膜應力大小，研究液體箱內(nèi)外壁的薄膜應力強度和相當應力大小。

在對液體箱的實體單元進行有限元分析時，可借助積分理論對其有限元進行處理探究。可借助壁厚大小值對不同應力分量進行積分，從而確定液體箱的薄膜和實際彎曲應力值分量大小，由此計算出液體箱應力處理線上薄膜的應力大小和內(nèi)外壁薄膜彎曲應力值大小[1]。

在此基礎(chǔ)上，該文利用三維設(shè)計軟件建立了液體箱的實體模型。在導入相關(guān)軟件分析液體箱實體模型圖的基礎(chǔ)上，對實體模型圖進行網(wǎng)格劃分，得到有限元網(wǎng)格模型。以液體箱的4個底部角件部位全約束為主要條件，將不同情況下的不同荷載分布加載于液體箱對應位置，從而經(jīng)過軟件計算，按照液體箱受到內(nèi)壓力、重力和運動方向慣性力這一基本受力情況施加荷載時，根據(jù)液體箱整體部位應力圖和液體箱框架結(jié)構(gòu)應力分布圖可知，不同工況下的液體箱整體應力變化值并不大，而液體箱的框架、連接支架等應力變化往往較大。同時，液體箱的應力往往由內(nèi)壓決定，整個液體箱框架和連接支架的實際應力則受到外在慣性力較明顯的影響。

3 液體箱的優(yōu)化設(shè)計

3.1 設(shè)計標準、規(guī)范及設(shè)計條件

罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)應力分析和強度設(shè)計主要采用第四強度理論。在罐式集裝箱的許用應力設(shè)計過程中，選擇某一標準確定罐式集裝箱的許用應力是罐式集裝箱強度結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的重要問題。國家相關(guān)標準明確指出，罐式集裝箱整個罐體承受壓力荷載時，必須采用規(guī)則設(shè)定的罐體材料計算許用應力和結(jié)構(gòu)應力，且嚴格按照相關(guān)國家規(guī)范采取和選用。當采用分析設(shè)計的罐式集裝箱方式時，材料設(shè)計應力強度和許用應力必須按照國標4732選擇。一般來說，罐式集裝箱的實際工作溫度往往為-40 ℃～50 ℃，整個罐式集裝箱的表面工作壓力往往為0.1 MPa～1.97 MPa。

3.2 設(shè)計參數(shù)的確定

由于通常情況下的液體箱工作溫度為-40 ℃～50 ℃，而根據(jù)IMDG（國際海運危險貨物規(guī)則）標準可知，其設(shè)計溫度不應低于50 ℃，因此，該文所研究設(shè)計的液體箱優(yōu)化設(shè)計最高溫度為55 ℃，最低設(shè)計溫度為-40 ℃。該文所設(shè)計的液體箱設(shè)計壓力為4 bar。與此同時，進一步探究罐式集裝箱的等效壓力、計算壓力、單位容量充裝量、水壓試驗以及氣密性試驗壓力等，該文所優(yōu)化設(shè)計的液體箱水壓試驗壓力值為6 bar，氣密性試驗壓力值為1 bar。

就罐式集裝箱運輸過程中的等效壓力和計算壓力問題來說，由于罐式集裝箱承受整個內(nèi)部介質(zhì)對其各個部分所產(chǎn)生的各個方向的慣性力，也就存在著不同運動方向，甚至與運動方向相互垂直的水平方向等應力值不同。通過相關(guān)計算可知，罐式集裝箱運動方向上的慣性力荷載為2 g，與運動方向相垂直的水平方向慣性力荷載為1 g，垂直向上方向慣性力荷載為1 g，垂直向下方向慣性力荷載為罐式集裝箱最大質(zhì)量的2 g[2]。等效計算罐式集裝箱運輸過程中的壓力值，應取各個方向上的慣性力除以所對應力的罐式集中箱所有有效截面值中的最大值。根據(jù)計算可知，縱向運動方向上兩個的慣性力荷載轉(zhuǎn)變?yōu)?.06 MPa，也就是說，罐式集裝箱的整個計算壓力值為2.26 MPa。就罐式集裝箱的單位容積充裝量問題而言，由于液化氣液體的罐式集裝箱單位容積充裝量應滿足其所裝介質(zhì)50 ℃時，罐式集裝箱罐體內(nèi)部至少保留5%左右的氣相空間。同時，由于50 ℃溫度條件下的罐式集裝箱內(nèi)部介質(zhì)實際重量不應超過罐式集裝箱所允許的最大承載力大小。此外，還應進一步確保罐式集裝箱罐體在60 ℃的溫度條件下不全部充滿液體。因此，該文所論述的罐式集裝箱單位容積充裝量為530 kg/m3。

3.3 材料的選擇

在選擇液體箱材料材質(zhì)的過程中，由于液體箱所輸送介質(zhì)的特殊性，液體箱在實際運行過程很容易受到周圍環(huán)境及空氣的污染，持續(xù)的拉應力很容易對液體箱材料造成損害，因此，在選擇材料時，應避免選用較高強度的鋼材，盡可能地采用屈服強度小于355 MPa的材料，且應盡可能地選用低溫鋼，保證材料使用狀態(tài)為正火狀態(tài)或正火+回火狀態(tài)，盡可能地降低周圍環(huán)境和不良運行條件對液體箱的損害。

3.4 框架設(shè)計

在液體箱的框架結(jié)構(gòu)加強設(shè)計過程中，借助其連接，強化罐體兩端端頭的焊接，加強對兩端端框的支撐設(shè)計，不斷提高連接框架和罐體部分的緊密程度。與此同時，保證液體箱框架結(jié)構(gòu)尺寸符合ISO相關(guān)標準及行業(yè)標準，在液體箱有限元分析過程中，確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)強度滿足橫向要求、豎向要求、垂直向上要求和垂直向下的慣性力荷載要求，確保液體箱各模塊荷載承受強度評定等級為安全。此外，針對特殊運送條件的液體箱，其有限元分析還應通過ISO1496-3 標準中所要求的堆碼試驗、吊頂試驗等各項力學試驗，確保液體箱底部角柱和角件焊接完成后的承載力符合相關(guān)標準，更應保證框架部分對罐體甚至液體箱閥件的良好防護作用，避免在使用液體箱的過程中外界突發(fā)事件沖擊力對液體箱的破壞。

4 結(jié)語

在液體箱的優(yōu)化設(shè)計過程中，必須遵循ISO 相關(guān)規(guī)范和行業(yè)標準，實現(xiàn)液體箱強度結(jié)構(gòu)設(shè)計和外在條件保護，充分發(fā)揮其自重較小、安全性能較高和容積較大等諸多優(yōu)勢，為工業(yè)經(jīng)濟的騰飛做出應有的貢獻。

參考文獻

[1]朱迪飛，陳衛(wèi)峰，丁春雄.無水液氨罐式集裝箱箱設(shè)計[J].化工設(shè)計，2020（2）：149-151.

[2]劉元勇，馮延伸，陳明華.罐式集裝箱的強度分析[J].制造業(yè)自動化，2015（4）：115-118.