基于有限元的液罐車側(cè)防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)強度分析

摘要：以某型液罐車為研究對象，運用Solidworks建立液罐車側(cè)防護(hù)裝置三維模型，利用Workbench對側(cè)防護(hù)裝置在靜壓力作用下的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用鋁合金材質(zhì)的側(cè)防護(hù)裝置可以滿足GB 11567-2017的強度要求。研究結(jié)論可為液罐車的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：液罐車；側(cè)防護(hù)裝置；結(jié)構(gòu)強度；有限元分析

中圖分類號：U463.9 收稿日期：2023-06-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.012

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通事故日益頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，70%～80%的危險貨物道路交通事故涉及液罐車[1]，且在該類事故中碰撞和側(cè)翻事故的發(fā)生率較高，液罐車發(fā)生事故時容易將行人、非機(jī)動車以及乘用車卷入車底造成嚴(yán)重的傷亡事故，由此給人民生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅[2-3]。

側(cè)防護(hù)裝置作為液罐車的重要組成部分，主要用于避免未受保護(hù)的道路使用者跌入車輛側(cè)面而被卷入車輪底下[4-5]，因此，研究側(cè)防護(hù)裝置對于提升液罐車整體被動安全性，減輕行人、非機(jī)動車的傷害程度意義重大。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型建立

以某型液罐車為研究對象，如圖1所示，對側(cè)防護(hù)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度仿真分析。

2.2 有限元模型的建立

在Solidworks軟件中對液罐車側(cè)防護(hù)裝置進(jìn)行三維建模，將三維模型以x_t格式保存，然后導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到側(cè)防護(hù)裝置的有限元模型如圖2所示，單元平均尺寸4 mm，共計單元數(shù)200 637個，節(jié)點數(shù)796 024個。

2.3 材料參數(shù)的選擇

進(jìn)行側(cè)防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)強度分析時，各個構(gòu)件的材料屬性對分析結(jié)果具有重要影響。側(cè)防護(hù)裝置設(shè)計時，各部件材料選取在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的前提下，兼顧輕量化及經(jīng)濟(jì)性等因素考慮。其中，安裝護(hù)欄支架選用Q235，護(hù)欄面板和護(hù)欄支架選用鋁型材6061T6，材料屬性如表1所示。

2.4 加載位置的選取

根據(jù)液罐車側(cè)防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)特點，選擇4個最惡劣的工況點，即側(cè)防護(hù)裝置前端圓弧P1、側(cè)防護(hù)裝置末端橫桿P2、側(cè)防護(hù)裝置中部橫桿P3和P4，如圖3所示。

根據(jù)GB 11567-2017的要求，用直徑220 mm±10 mm的圓形平壓頭施以1 kN的靜壓力垂直作用于側(cè)防護(hù)裝置。作用于該裝置外表面的各部分時，其因受力而產(chǎn)生的變形在施壓中心點測量應(yīng)滿足以下要求[4]：

a.防護(hù)裝置在最后250 mm段的變形量不超過30 mm。

b.其余部分變形量不超過150 mm。

3 側(cè)防護(hù)裝置強度分析

3.1 加載位置P1的仿真結(jié)果

加載位置P1時，在Workbench中求解后得到的應(yīng)力云圖和總變形圖分別見圖4和圖5。由圖可知，側(cè)護(hù)欄支架處所受最大應(yīng)力為80.499 MPa，側(cè)護(hù)欄端板圓弧處最大變形量為0.944 57 mm。

3.2 加載位置P2的仿真結(jié)果

加載位置P2時，在Workbench中求解后得到的應(yīng)力云圖和總變形圖分別見圖6和圖7。由圖可知，側(cè)護(hù)欄支架處所受最大應(yīng)力為139.37 MPa，側(cè)護(hù)欄面板處最大變形量為1.327 8 mm。

3.3 加載位置P3的仿真結(jié)果

加載位置P3時，在Workbench中求解后得到的應(yīng)力云圖和總變形圖分別見圖8和圖9。由圖可知，側(cè)護(hù)欄支架處所受最大應(yīng)力為127.31 MPa，側(cè)護(hù)欄面板處最大變形量為4.045 7 mm。

3.4 加載位置P4的仿真結(jié)果

加載位置P4時，在Workbench中求解后得到的應(yīng)力云圖和總變形圖分別見圖10和圖11。由圖可知，側(cè)護(hù)欄支架處所受最大應(yīng)力為80.249 MPa，側(cè)護(hù)欄面板處最大變形量為1.636 5 mm。

3.5 結(jié)果分析

綜上分析結(jié)果，在側(cè)防護(hù)裝置各個加載點時的最大應(yīng)力值如表2所示，最大總變形值如表3所示。根據(jù)表 2的仿真結(jié)果表明，4種情況下的最大應(yīng)力為139.37 MPa，小于屈服極限235 MPa；根據(jù)表3的仿真結(jié)果可以得到側(cè)面防護(hù)裝置的最大變形為4.045 7 mm，遠(yuǎn)小于GB 11567-2017對側(cè)防護(hù)裝置所要求的30 mm。因此，可以得出本方案側(cè)防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)強度滿足GB 11567-2017相關(guān)要求。

4 結(jié)語

本文以液罐車側(cè)防護(hù)裝置為研究對象，建立了側(cè)防護(hù)裝置的數(shù)值模擬有限元模型，根據(jù)GB 11567-2017要求對側(cè)防護(hù)裝置施加不同部位載荷，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強度仿真分析。仿真結(jié)果表明，4種情況下的最大應(yīng)力為139.37 MPa，小于屈服極限235 MPa，最大變形為4.045 7 mm，遠(yuǎn)小于GB 11567-2017對側(cè)防護(hù)裝置所要求的30 mm，因此該側(cè)防護(hù)裝置能夠滿足GB 11567-2017所規(guī)定的要求。相較于傳統(tǒng)普通碳鋼材質(zhì)側(cè)防護(hù)裝置，本文采用鋁合金型材結(jié)構(gòu)能夠提升液罐車的輕量化指標(biāo)，研究結(jié)論為液罐車優(yōu)化設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈小燕，張凡，呂卉燾，等.追尾碰撞下液罐車罐體變形失效仿真研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2019，29（4）：37-42.

[2]張凡，沈小燕，閆艷，等.非滿載罐車罐體在追尾碰撞中變形失效研究[J].汽車工程學(xué)報，2019，9（1）：52-60.

[3]畢朋飛，余顯忠，黃暉，等.基于路譜的車輛側(cè)防護(hù)欄隨機(jī)振動疲勞分析[J].計算機(jī)輔助工程，2023，32（1）：16-20.

[4]GB/T 11567-2017 汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求[S].

[5]季小冬.汽車和掛車側(cè)面防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].專用汽車，2017（4）：36-38.

作者簡介：

程偉林，男，1988年生，工程師，研究方向為專用汽車設(shè)計。