罐體傾覆保護裝置強度測試方法研究

關(guān)鍵詞：罐式危險貨物運輸車；傾覆保護裝置；有限元分析；結(jié)構(gòu)強度；測試方法中圖分類號：U467.5 收稿日期：2025-05-15 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.02

Abstract：Theoverturingprotectiondeviceisinstalledonthetopoftheroadtankerfordangerous liquidgoods transportationto protectthetopatachments.Thecurrentnationalstandardsstipulatethatthedeviceshouldbeabletowithstandtherequirementof\"the inertiaforceoftwiceeicle'stotalasulildyeavitatioalaceleratio\"，uttheisespodgstaadtet method，andtereisarthofelevantresearchina.Iniewofisspaperpropoestrengthtestmetodfotaertuingprotectiondevicesbsedontheanalsisofrloveracidentcharacteristicsndthstrcturalharacteristsofthevice，adco ductedcomparativeverificationtroughsimulationTeactualtestresultsareininewithtesimulationresults，indicatingtatetest methodisfeasibleaccurateandectiItabectielyvaluatetestrengthofteoverturngprotectiodeviceandasfillethe industrygaptoacertainextent，andisexpectedtoprovide technicalsupportforthestandardizeddevelopmentoftheindustry.

Keywords：Roadtankerfordangerousliquidgoodstransportation;Overturingprotectiondevice;FiniteelementanalysisStructur al stress;Test method

1前言

罐式車輛發(fā)生事故時，罐體頂部安全附件和裝卸附件極易遭受撞擊而損壞，導(dǎo)致危險品泄漏，加重了安全事故的危險性[1]。因此，在罐體頂部會設(shè)置有傾覆保護裝置，以保障車輛發(fā)生傾翻事故時罐頂附件免遭損毀，避免二次危害的發(fā)生[2]。

傾覆保護裝置的強度關(guān)乎安全，國內(nèi)外標準均有明確規(guī)定。49 CFR178.337—10 Accidentdamageprotec-tion指出[3]，罐式危險貨物運輸車輛保護裝置設(shè)計需能承受罐體滿載時總質(zhì)量2倍的各方向靜載荷，保障附件不損壞;EN13094：2020（E）Tanks for the transport of dan-gerous goods-Metallic gravity-discharge tanks-Design andconstruction規(guī)定[4]，危險貨物運輸車輛罐頂保護裝置在垂直方向要能承受罐車最大設(shè)計質(zhì)量2倍的靜態(tài)載荷及垂直行駛方向的代表性靜態(tài)載荷且不變形；GB18564.1—2019《道路運輸液體危險貨物罐式車輛第1部分：金屬常壓罐體技術(shù)要求》[5]（以下簡稱GB18564.1）和GB7258—2017《機動車運行安全技術(shù)條件》6要求傾覆保護裝置承受車輛總質(zhì)量2倍重力加速度的慣性力。

針對傾覆保護裝置強度的測試方法，國外有學(xué)者開展了相關(guān)研究，美國Sharma公司的Trent等[7]，以仿真計算結(jié)合罐體滿載側(cè)翻試驗對比的方式分析了罐頂保護裝置強度，并評價了不同形式保護裝置的有效性。在該領(lǐng)域，國內(nèi)暫無相關(guān)研究，并且目前針對標準文本中的要求沒有相應(yīng)的測試方法，傾覆保護裝置結(jié)構(gòu)強度難以有效保證，存在潛在的安全風(fēng)險。

通過統(tǒng)計近年來危險貨物運輸罐式車輛典型事故案例[8]，發(fā)現(xiàn)單方側(cè)翻事故發(fā)生頻次最高。因此，本文基于側(cè)翻事故特征分析，結(jié)合罐體傾覆保護裝置結(jié)構(gòu)特點，提出了一種罐體傾覆保護裝置強度測試方法，并結(jié)合仿真對比驗證了測試結(jié)果的準確性。

2總體思路

根據(jù)GB18564.1中所要求的傾覆保護裝置應(yīng)能承受車輛總質(zhì)量的2倍乘以重力加速度的慣性力?？紤]到試驗開展的便利性，本文選用輕型罐式危險貨物運輸車的罐體作為檢測對象，該車輛總質(zhì)量為 4000kg 。靜壓載荷計算公式如下：

F=2mg

式中， F 為傾覆保護裝置靜壓載荷， N;m 為車輛總質(zhì)量，kg;g 為重力加速度， 9.8m/s² 。

為避免傾覆保護裝置因強度不足提前失效，導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)無法完整采集、試驗中斷，試驗前對裝置關(guān)鍵部位進行壁厚增加、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等針對性補強，確保試驗數(shù)據(jù)采集連續(xù)完整，保障試驗科學(xué)嚴謹。根據(jù)側(cè)翻事故特征分析，本文提出以側(cè)向 45^° 施加靜壓載荷。為模擬側(cè)翻時單個保護裝置撞擊地面的場景，分析保護裝置最不利受力情況，設(shè)計施加靜載荷沿罐體縱軸線上仰 5^° 。靜載加載方式如圖1所示。

本文將結(jié)合仿真分析，從結(jié)構(gòu)強度、局部位移以及試驗后罐體密封性等幾個角度評價傾覆保護裝置保護功能的有效性。

3有限元分析

試驗前，通過建立三維模型，按圖1所示的靜壓加載方式進行仿真分析，仿真結(jié)果將與實際試驗結(jié)果進行對比分析，通過數(shù)據(jù)吻合度檢驗試驗過程的準確性和有效性，確保試驗結(jié)果真實可靠，為結(jié)論提供科學(xué)依據(jù)。

3.1三維建模

為簡化分析過程，不考慮罐體內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)，將頂部安全附件質(zhì)量附加在人孔蓋中。建立的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

3.2有限元模型

為了在劃分過程中充分考慮幾何體的微小特征，采用四面體網(wǎng)格劃分法和網(wǎng)格質(zhì)量更好的協(xié)調(diào)修補算法進行模型處理，罐體和保護裝置材料均采用普通碳鋼。傾覆保護裝置與罐體之間采用焊接連接，本文分析中將其與罐體作為一個整體進行網(wǎng)格均勻劃分，不對主要分析對象做網(wǎng)格細化。罐體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

罐體底部采用固定支撐，約束罐體底面節(jié)點所有方向自由度，并依據(jù)所提出的加載方式開展仿真，有限元模型如圖4所示。

3.3仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。其中，圖5所示為側(cè)向45^° 加載后的變形云圖，最大變形位置為保護裝置加載點附近區(qū)域，變形量為 5.2mm ；圖6為對應(yīng)的應(yīng)力云圖，保護裝置加載點附近區(qū)域，應(yīng)力為 519.68-593.92MPa_? 從仿真結(jié)果來看，加載處最大應(yīng)力已經(jīng)超過普通碳鋼的抗拉強度，說明已經(jīng)產(chǎn)生破壞性形變，但頂部附件未遭到破壞，從功能角度來講，傾覆保護裝置起到了有效保護作用。

4靜壓試驗

結(jié)合仿真分析結(jié)果，按圖1所示的靜壓加載方式開展靜壓試驗，采集結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)，檢驗罐體傾覆保護裝置強度。

4.1測試方案及實施

采用經(jīng)計量有效的專用工作測力機開展罐體靜壓試驗，測力機最大加載載荷 100kN ，滿足試驗載荷需求。配合工裝夾具將罐體固定在鐵地板上，保證加載點和加載面滿足圖1要求。為確保罐體固定牢靠，盡可能保障試驗過程中固定支撐點不產(chǎn)生變形，選用扭剪型高強螺栓緊固。工裝與罐底連接處外側(cè)加工成立面，協(xié)同限位并降低螺栓所受剪切力。試驗工裝示意圖如圖7所示。

同時，在罐體及保護裝置表面布置應(yīng)變花測試結(jié)構(gòu)應(yīng)力，利用數(shù)據(jù)記錄儀采集試驗過程中的應(yīng)變，并經(jīng)過第四強度理論9計算最終的等效應(yīng)力。為實現(xiàn)仿真結(jié)果與靜壓試驗數(shù)據(jù)的直觀對比分析，應(yīng)變花的布置點位參照仿真分析結(jié)果進行確定，布置位置如圖8所示。為避免應(yīng)變花與加載裝置直接接觸，點位1布置在加載處附近并盡可能靠近加載點。試驗布置如圖9所示。

4.2試驗結(jié)果分析

設(shè)置專用工作測力機加載幅值 以滿足加載載荷要求，最大加載保持時間 10s ，啟動加載程序并利用數(shù)據(jù)記錄儀同步記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，最終得到加載結(jié)果如圖10和圖11所示。

由靜壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線顯示，點位1和點位3的最大應(yīng)力值分別為 558.0MPa 和 495.8MPa 。點位1對應(yīng)加載點附近區(qū)域，點位3對應(yīng)傾覆保護裝置與罐體連接焊縫附近區(qū)域，兩處應(yīng)力均超過罐體及保護裝置自身材質(zhì)Q235B的強度極限，已發(fā)生破壞性形變，因而卸載后仍有殘余變形。如圖12所示，實際試驗后加載點及周圍局部區(qū)域確有不同程度凹陷和裂紋。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果來看，對應(yīng)點位數(shù)據(jù)基本一致，試驗結(jié)果相吻合，進一步說明仿真和試驗的一致性，以及試驗結(jié)果的可靠性和準確性。

對比分析圖10所示的應(yīng)力曲線和圖11所示的載荷位移曲線，關(guān)注時間軸，加載至約90s時，點位1和點位3的應(yīng)力有階躍式的增大，加載點相對位移也陡然增加，觀察實際加載過程發(fā)現(xiàn)，加載至90s時，傾覆保護裝置加載點被壓潰。說明罐體在加載過程中表現(xiàn)為，先處于彈性變形階段，再到局部塑性形變，直至保護裝置加載區(qū)域被破壞。位移曲線顯示罐體及底部工裝夾具整體的位移， 90s 時位移為 27.26mm ，加載至最大載荷時對應(yīng)最大位移為 32.28mm ，即保護裝置被壓潰后形變量為 5.02mm ，這與卸載后殘余變形 4.9mm 基本一致。

觀察整個加載過程，加載裝置始終未觸碰到罐頂附件，并未直接對其造成破壞，試驗結(jié)束后對罐體進行注水，罐體未發(fā)生滲水，證實罐頂附件完好，這也與仿真分析結(jié)果相吻合。

4.3評價方法

最終形成的評價方法為：首先通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果，結(jié)合材料本身力學(xué)特性，判斷傾覆保護裝置的結(jié)構(gòu)強度是否滿足標準要求；當強度不滿足要求時，則通過靜壓殘余變形量指標，客觀評價傾覆保護裝置保護功能的有效性。

具體判定規(guī)則為：設(shè)加載面至罐頂附件的最小距離為 X ，若加載過程中發(fā)生塑性形變或壓潰破壞，但卸載后殘余變形量小于 X ，則表明傾覆保護裝置雖結(jié)構(gòu)強度未能滿足GB18564.1的相關(guān)要求，但在實際功能上起到了保護罐頂附件免遭破壞的效果。

5結(jié)語

本文結(jié)合罐式危險貨物運輸車輛典型事故場景以及相關(guān)標準要求開展了罐體傾覆保護裝置強度測試方法研究。研究結(jié)果表明：

a.測試條件易于滿足，數(shù)據(jù)易于采集，整套測試方法切實可行，具有普適性。

b.測試結(jié)果與仿真結(jié)果相符，測試方法準確有效。

綜上，該測試方法能夠客觀評價傾覆保護裝置強度，一定程度上填補了業(yè)內(nèi)空白，有望為行業(yè)規(guī)范化發(fā)展提供技術(shù)支撐。

6研究展望

GB18564.1指出傾覆保護裝置可設(shè)置為加強環(huán)或保護頂蓋、橫向或縱向構(gòu)件等形式。在后續(xù)的研究中，可開展不同規(guī)格罐體設(shè)置不同結(jié)構(gòu)形式保護裝置的強度仿真分析，形成系列型譜，為試驗開展時加載點和應(yīng)力測試點位的確定提供參考。

靜載試驗?zāi)軌蛴行z驗罐頂保護裝置的強度，但對于還原實際事故發(fā)生時罐頂遭受破壞沖擊的場景仍有一定的局限性。而相關(guān)標準中僅要求保護裝置能承受車輛總質(zhì)量的2倍乘以重力加速度的慣性力，以此為邊界開展動載試驗還缺少加載（碰撞）時間、初速度等輸入條件，這也是后續(xù)仿真和試驗研究需解決的關(guān)鍵問題。

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