鋁合金立式粉罐半掛車罐體的優化設計

喬莉

QIAO Li

安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

鋁合金立式粉罐半掛車罐體的優化設計

喬莉

QIAO Li

安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

基于彈塑性理論，采用有限元方法分析了鋁合金立式粉罐半掛車罐體在常規工作壓力情況下的應力、位移情況，分析結果表明，整車應力分布較為均勻，但第一個錐與第二個錐之間的過渡區域處應力集中較為明顯。對此，提出了在第一錐與第二錐之間增加加強圈并延伸至車架處的優化措施，分析結果顯示改進方案可有效降低應力集中問題。通過制作試驗車輛，并進行罐體強度等相關試驗，同時結合實際使用狀況進行跟蹤觀察，結果良好。

立式粉罐半掛車 有限元分析 輕量化 優化設計

1 前言

粉粒物料運輸車（簡稱粉罐車）通過可重復使用的專用容器，可代替并節約一次性物料包裝袋，降低了物料運輸過程中的資源消耗，同時可以避免包裝袋破損及流通過程中的物料損耗，且可以防止物料受潮變質，保證物料質量[1]。

2 立式粉罐半掛車的優勢

2.1 散裝運輸的特點［2］

散裝運輸與傳統運輸相比，具有以下優勢：

a.運輸效率高。可以直接將散裝物料從工廠運輸到中轉站或工地，減少了包裝程序；

b.提高了運輸的安全性。由于粉罐車罐體都是密封式的，有效地減小了在運輸和裝卸過程中發生事故的可能性，安全性得到提高；

c.保證物料的質量。物料在密閉式罐體內基本不受外界環境和氣候條件的影響，而且運輸過程中，可以對罐體內的溫度、濕度等進行調節控制，從而保證物料不會變質和損壞，物料的完好率得到大幅提高；

d.改善裝卸條件，降低裝卸強度。傳統物料運輸采用袋裝，裝卸時耗費大量的人力，且裝卸時粉塵飛揚，散發出異味，裝卸工人的身體健康得不到保障。而采用粉罐車，就可以實現機械化裝卸，大大減輕了工人裝卸時的勞動強度，還減少了粉塵污染；

e.降低運輸成本。實行散裝物料可以實現的裝卸、運輸、貯存、加工等的全面機械化，在提高運輸效率的同時，節省了大量人力、物力。

粉粒物料散裝運輸在國外發達國家已經普及應用，粉粒物料散裝運輸率已達到80%以上。近年來，國內外知名企業，越來越注重粉粒物料產品的運輸方式，除了需要滿足質量要求外，還要避免粉粒物料在包裝與運輸過程中可能帶來的各種潛在的環境安全風險，并且簡化粉粒物料使用企業的操作過程，因此，散裝技術在粉粒物料企業的運用大量增加。

2.2 立式粉罐半掛車的優點

立式粉罐半掛車按結構劃分是粉罐車的三大車型之一，如圖1所示。目前，立式粉罐半掛車在國內主要承擔著散裝面粉、飼料、PVC、石灰石顆粒等粉狀、顆粒狀物料的運輸。其與我國常用的流化氣帶臥式粉罐半掛車相比，具有以下幾個優點：

a.由于具有合理的罐體形狀以及先進的流化元件，立式粉罐半掛車卸料殘余率極低，幾乎可達到零殘余，具有卸料干凈的優點。

b.使用范圍廣，可以輸送流化性能不好的粉狀、顆粒狀物料，如面粉、潮細粉煤灰、加粒粉煤灰、重質純堿、飼料、花崗巖石料、PA66等物料。

立式粉粒物料運輸半掛車的罐體結構由柱狀筒體和若干錐形倉體組成，需確保錐倉與水平面夾角不小于物料安息角，物料僅依靠重力即可流動到出料口。因立式粉罐罐體采用此種結構，且連接處采用圓弧切線過渡，所以可杜絕罐內死角，防止物料出現掛壁、殘留的現象，但此種制作工藝較為復雜。另外，立式粉罐可根據容積需求，從單倉結構可做到五倉或更多倉結構，滿足不同容積要求。

隨著新GB1589實施，輕量化已經成為國內專用車發展的趨勢。目前國內實現產品輕量化主要有兩個途徑：a. 選用強度更高、質量更輕的新材料，如鋁合金、高強鋼；b. 優化罐體、車架結構，使零件壁薄化、中空化、小型化。其中途徑a是目前各專用汽車生產企業采取的主要措施；途徑b是利用CAE分析軟件對罐體、車架等結構進行分析、優化，以達到最優結構，降低自重。目前，國內多數專用車企業在輕量化方面均采用新材料的方法，而對于采用新材料后罐體、車架的強度分析涉及較少。

圖1 立式粉罐半掛車

在歐洲，立式粉罐半掛車發展程度很高，占據的粉罐半掛車市場超過一半。在我國，立式粉罐半掛車目前占有率較低，但其是粉罐半掛車未來的發展方向。近年來，隨著國內食品、化工行業對散裝物料運輸需求的增加，立式粉罐半掛車已得到了一定程度的發展。相信隨著市場的發展，這種物料殘余少、質心低、便于裝卸的立式粉罐車將得到長足發展。

筆者公司于2015年開發了鋁合金結構的立式粉罐半掛車，下面對鋁合金立式粉罐半掛車罐體厚度進行理論計算，并對罐體強度問題進行計算機輔助分析以及試驗驗證。

3 整車強度計算分析

3.1 基本參數

以某三軸立式粉罐半掛車為例，車輛罐體為五錐結構，筒體直線段（不含兩端封頭）長度為11 670 mm，最大截面高度為3 300 mm，寬度為2 550 mm。該車罐體的有效容積為60 m3，運輸介質為PVC。整車外廓尺寸為13 000 mm×2 550 mm×4 000 mm，軸距為7 990 mm+1 310 mm+1 310 mm。

筒體采用鋁合金5083-H111板材[3-4]，板材抗拉強度Rb=275～350 MPa，屈服極限Rs≥125 MPa，斷后伸長率A≥17%，名義厚度為5/6/8 mm；筒體加強圈采用鋁合金5083-H111材料，厚度為6 mm；前后封頭采用鋁合金5083-O材料，厚度為6 mm。該粉罐半掛車總質量為40 000 kg，整備質量為7 300 kg，載貨質量為32 700 kg，前/后懸分別為1 470/930 mm，輪距為2 040 mm。整車結構和罐體外輪廓圖分別如圖2、3所示。

圖2 整車結構圖

圖3 罐體外輪廓圖

3.2 罐體及車架建模

該車三維模型采用較先進的基于Pro/E的自頂向下設計手段建模，把80%的部件間的關系通過骨架進行規定和控制，便于檢查核對，極大減少出現錯誤的可能性，罐體及車架三維模型如圖4所示。

圖4 罐體及車架三維模型

3.3 罐體厚度理論計算

根據GB/T 150.3-2011，罐體和封頭的厚度計算如下[5]。

3.3.1 筒體厚度計算

由于Pc≤[σ]tΦ，設計溫度下圓筒受內壓的厚度計算公式為：

式中，Pc為計算壓力，取Pc=0.22 MPa；Di為筒體直徑，取D=2 550 mm；[σ]t為材料許用應力，鋁合金5083-H111材料的

i許用應力為68 MPa，鋁合金5083-O材料的許用應力為67 MPa（查JT/T 4734-2002《鋁制焊接容器》[6]）；Φ為焊接接頭系數，采用雙面焊全部無損檢測，取Φ=1.0。

將相應參數代入公式計算得到，外筒體計算厚度δ=4.13 mm。

3.3.2 封頭厚度計算［7］

受內壓（凹面受壓）橢圓封頭的厚度計算公式：

其中，K為橢圓封頭形狀系數，公式為：

將標準橢圓封頭Di=4hi，K=1代入公式，計算得到封頭理論計算厚度δh=4.19 mm。又有鋼板腐蝕余量0.3 mm，厚度負偏差0.3 mm，加工減薄量0.25 mm。而該型號罐車筒體名義厚度為5 mm、6 mm、8 mm，封頭名義厚度為6 mm，可見筒體及封頭厚度均能夠滿足強度設計要求。

3.4 力學計算

3.4.1 計算方法

根據該車型的車架結構和載荷特點，在計算時引入了2點簡化與假設：

a.載荷均勻分布在縱梁上翼面；

b. 將縱梁看做簡支梁結構。

3.4.2 彎矩方程

依據載荷分布及結構尺寸，作出彎矩方程，車架受載示意如圖5所示。

圖5 車架受載示意圖

式中，M為彎矩，q為均布載荷，R1、R2分別為牽引銷及后橋支座反力，L1、L2、L3分別為前懸、軸距及后懸，g為重力加速度。

上式可以看出，兩端支撐的中部，彎矩最大處：

可以求得，M1=90 613 619 Nmm。

牽引銷處最大彎矩：M2=－16 741 156 Nmm。

懸架中心處最大彎矩：M3=－61 664 134 Nmm。

3.4.3 彎曲應力

縱梁采用工字型結構，根據文獻資料查詢，抗彎截面模量參數W和 應力參數σ分別為：

圖6 縱梁截面示意圖

計算可得，懸架、支撐中部、牽引銷部的最大彎曲應用分布為110.9 MPa、102.9 MPa、86.2 MPa。均小于材料的許用應力，可見縱梁的強度能夠滿足設計要求。

3.5 整車強度有限元分析［9-14］

3.5.1 罐體車架模型說明

筒體采用鋁合金5083-H111板材，板材抗拉強度Rb=275～350 MPa，屈服極限Rs≥125 MPa，伸長率A≥15%。

3.5.2 整車坐標系定義

整車坐標系定義如下：X軸為運輸拖車行進方向，向前為正，向后為負；Y軸為拖車行進方向，右側為正，左側為負；Z軸為垂直于地面，向上為正，向下為負。

3.5.3 軟件支持要求

三維設計軟件采用 Siemens NX 軟件，版本為 NX8.0；有限元前處理軟件采用 Altair 公司 Hypermesh，版本為 11.0；有限元求解器采用采用 Dassault 公司 Abaqus，版本為 8.0；有限元后處理軟件采用 Altair 公司 Hyperview，版本為 11.0。

3.5.4 有限元前處理要求

3.5.4.1 單元類型

所有可變形部件的網格應該劃在幾何中面上，采用SHELL 單元模擬，并賦予對應的厚度信息和材料信息。對于不可抽取中面的 part，如支座等，采用 Solid 單元模擬。

3.5.4.2 網格的正交性

應盡可能保證網格規則，與幾何邊平行并成直角。

3.5.4.3 網格尺寸的設置

不同網格密度之間的過渡盡可能平滑整齊。

3.5.4.4 節點合并

與1D單元連接的所有節點，都需用0.1 mm的誤差進行合并，可防止自由的1D單元。該方法同樣適用于單元檢查并防止重復的焊點梁單元。

3.5.5 單元尺寸

在不影響總體強度和剛度的前提下，為了使計算更為簡單并合理，可忽略焊縫、小部件、人孔等結構對強度的影響，采用板殼單元對整車進行建模，可承受法向載荷，也可承受面內張力載荷，網格平均尺寸為20 mm，單元的每個節點具有6個自由度，有限元模型劃分后共有415 143個單元和406 738個節點。

3.5.6 載荷與邊界條件

罐車的載荷主要來自于車輛自重、貨物質量及慣性力。因有多種載荷聯合作用，故需采取逐步施加載荷的方法，第一個載荷步施加罐車自重產生的重力載荷，即在豎直方向上施加大小為9.8 m/s2的慣性載荷；第二個載荷步施加物料自重壓力，本文采用液體壓強的方法進行加載，即：將滿載時物料總質量，采用均布載荷方式施加在罐體底面上。

半掛車通過牽引銷在牽引車的牽引座上支撐，可簡化為一個剛性支撐進行全約束。半掛車后支座由三個橋組成的三軸組，是超靜定結構，通過車橋支座支撐在車橋上。各輪支承剛度直接影響其支承的反力，考慮到綜合因素，在懸掛處前進方向和垂直方向上進行約束。

3.5.7 計算工況

立式粉罐半掛車在實際工作中最大工作壓力為0.2 MPa，安全閥整定壓力為0.22 MPa，對罐體內部施加均勻的0.22 MPa的壓力載荷。

3.5.8 分析結果

根據以上條件，建立了有限元分析模型，在施加載荷和邊界條件后，用有限元分析軟件進行計算和求解，得到內壓在0.22 MPa情況下的罐體、車架應力云圖，如下圖7～9所示，位移云圖如圖10所示。

圖7 罐體應力云圖

圖8 罐體局部應力云圖

分析結果顯示，整車應力分布較為均勻，第一個錐與第二個錐之間的過渡區域應力集中較為明顯，應力值達到299 MPa。遠超過材料的屈服強度，因此需要進行結構的優化改進。

圖9 車架應力云圖

圖10 整體位移云圖

最大位移位于第二個錐體上，最大位移為10.2 mm，筒體整體剛度較好，能夠滿足使用要求。

4 優化改進

4.1 結構優化改進

為了解決第一個錐與第二個錐之間過渡區域應力集中較為明顯的問題，采取兩種優化方案。第一種采用在第一錐與第二錐之間增加加強圈，并將其延伸至車架位置的方案，如圖11所示。第二種是在第一種方案的基礎上增加一道加強圈，具體位置如圖12所示。

在罐體內部施加0.22 MPa壓力對罐體進行受力分析，兩種方案的應力云圖分別如圖13、14所示。

4.2 結果分析

圖11 改進方案1

圖12 改進方案2

圖13 改進方案1應力云圖

圖14 改進方案2應力云圖

分析結果顯示，整車應力分布較為均勻，改進方案1與改進方案2中第一個錐與第二個錐之間的過渡區域應力分別為230 MPa和112 MPa。改進方案2中，結構的最大應力小于材料屈服強度，因此，改進方案2的結構強度滿足設計要求。

5 試驗驗證

此型鋁合金立式粉罐半掛車于2015年1～3月進行了試驗車生產。并按QC/T560-2010《散裝水泥車技術條件及性能試驗方法》進行了罐體強度試驗和密封試驗[8]。

5.1 強度試驗

a. 罐體焊好后，關閉人孔蓋及出料蝶閥，罐體無變形情況；

b. 要求外接氣源壓力不低于0 .3 MPa，閥門控制的體積流量約 12 m3/min（ 換算成常溫、常壓下的體積流量，通過外接氣源從進氣管道向罐內充壓縮空氣）；

c. 向罐內充壓至0.2 MPa，穩壓3 min，罐體無明顯變形及無滲漏；

d. 繼續向罐內充氣，每增加0.02 MPa，穩壓3 min，直至試驗壓力為0.3 MPa，穩壓5 min，觀察罐體均無明顯變形或滲漏。

5.2 氣密性試驗

在罐體強度試驗后，對罐體和氣路系統進行密封性試驗，方法如下：關閉進/卸料口、風口、閥門，并向罐體內充壓縮空氣，待達到0.2 MPa的工作壓力后，停止送氣，保持5 min后測量，該罐體氣壓無明顯下降和泄漏情況。

6 結語

基于彈塑性理論，采用有限元方法分析了鋁合金立式粉罐半掛車在罐體常規工作壓力情況下的應力、位移情況并提出了改進措施，并進行了試驗驗證，結果表明：

a. 原方案的第一錐與第二錐間筒體存在應力集中，最大應力達到299 MPa，最大位移為10.2 mm。

b. 通過對第一錐與第二錐間加加強圈并延伸至車架，可有效改善應力集中問題，改善后的最大應力為112 MPa，最大位移為7.28 mm。應力在鋁合金5083-H111材料的抗拉強度范圍內，應力集中問題得到徹底解決。

c. 通過制作試驗車驗證，對罐體進行強度及氣密性試驗，在罐內壓力為0.3 MPa時，罐體無明顯變形及滲漏；試驗車銷售后，客戶均反映使用效果良好。

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[14] 丁后頌.粉粒物料運輸車CAE分析與輕量化設計[D]山東.山東理工大學.2016.

Optimization Design of Semi-trailer Tank of Aluminum Alloy Vertical Powder Tank

Based on the theory of elastic-plastic finite element method analysis of the aluminum alloy vertical powder tank semi-trailer tank under the condition of normal working pressure of the stress and displacement, the analysis results show that the stress distribution of the vehicle is relatively uniform, but the first cone and the second the transition between the cone area of stress concentration is more obvious. In this paper,the optimization measures are proposed to strengthen the ring between the first and second cones and extend to the frame. The analysis results show that the improved scheme can effectively reduce the stress concentration problem. By making test vehicle and carrying out the test of tank strength and other related tests, the results are good.

vertical powder tank semi-trailer; finite element analysis;lightweight; the optimization design

U469.6+1.02

A

1004-0226(2017)12-0089-06

喬莉，女，1982年生，工程師，現從事技術研發及管理方面的工作。

2017-10-18