環(huán)衛(wèi)車輛水罐封頭壓型深度值對(duì)比分析

劉建培 尹騰飛 朱永智 李斌

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

隨著國民對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求逐漸提高，市場上對(duì)灑水保潔類環(huán)衛(wèi)車輛的需求日益增大，尤其是抑塵車、清洗車、灑水車等，而此類車型最為核心的部件應(yīng)屬載水罐體。罐體本體結(jié)構(gòu)主要包括筒體、封頭和防浪板，而封頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度對(duì)罐體整體結(jié)構(gòu)性能起決定性作用，因此對(duì)封頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析顯得十分必要。傳統(tǒng)的封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅局限于封頭的形狀、尺寸等，而對(duì)于壓型后封頭的強(qiáng)度與剛度的分析，以及壓型的深度對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度的影響，仍鮮有討論。本文采用有限元法，借用有限元分析軟件HyperWorks，通過對(duì)某環(huán)衛(wèi)車輛水罐進(jìn)行全模型分析，旨在解決此問題。

2 物理模型

有限元分析結(jié)果的精確度隨著物理模型完整度的提高而提高，而有限元分析需要的計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間隨著物理模型完整度的提高亦提高，其為相互矛盾體。結(jié)合本文的研究目的，盡可能保留罐體結(jié)構(gòu)的完整性，簡化對(duì)分析結(jié)果影響較小，而對(duì)資源和時(shí)間影響較大的結(jié)構(gòu)，如：罐體頂部人孔、吊耳、行走平臺(tái)和防護(hù)欄等[1]。本文重點(diǎn)研究封頭的結(jié)構(gòu)，故假定防浪板在筒體內(nèi)均勻布置，簡化后的罐體三維物理模型如圖1所示，圖2為罐體封頭壓型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 罐體三維物理模型

圖2 罐體封頭壓型結(jié)構(gòu)示意圖

本文分三種不同封頭壓型深度值M（如圖2所示）進(jìn)行對(duì)比分析，即M=80/100/125 mm，防浪板壓型深度同封頭保持一致，其余罐體參數(shù)保持一致。如表1所示為罐體關(guān)鍵參數(shù)。

表1 罐體關(guān)鍵參數(shù)

3 有限元模型

3.1 有限元法原理

有限元法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，其基本求解思想是把計(jì)算域離散為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。

在有限元法中，把計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元，在每個(gè)單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看作由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。

3.2 有限元模型建立

有限元模型的簡化[2]：a. 不考慮液體流動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，未采用流固耦合計(jì)算；b. 焊接和螺紋連接等連接對(duì)力和力矩傳遞可靠，且不考慮焊接過程對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；c. 加工和裝配中參與應(yīng)力的制造因素的影響被忽略；d. 承載區(qū)的載荷均布；e. 結(jié)構(gòu)上的小圓角、倒角、工藝孔等工藝因素不予考慮。

在真實(shí)反映該罐體主要力學(xué)特性的前提下，盡可能地選取較少的節(jié)點(diǎn)和單元，對(duì)罐體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型進(jìn)行簡化：a. 由于罐體絕大部分結(jié)構(gòu)是由各種不同厚度的板材支撐，因此采用板殼單元模擬具有足夠的精度，同時(shí)可以大大提高計(jì)算速度；b.因罐體本體各部件之間，以及罐體本體與支撐梁、緊固拉馬等底架結(jié)構(gòu)均為焊接連接，故對(duì)焊接部位采用共節(jié)點(diǎn)處理。

抽取罐體三維物理模型中面，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，單元數(shù)量為679 349，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為679 414。

圖3 罐體有限元模型

4 邊界條件

4.1 約束施加

罐體通過緊固拉馬螺栓固定在底盤上，對(duì)緊固拉馬螺栓孔周邊節(jié)點(diǎn)約束其所有自由度，罐體縱梁下平面緊貼底盤縱梁上平面，約束其垂直于底盤上表面方向的移動(dòng)自由度。

4.2 載荷施加

根據(jù)GB 18564.1-2006《道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛第1部分:金屬常壓罐體技術(shù)要求》規(guī)定，罐體在運(yùn)輸工況中所承受的慣性力有以下四種：a. 縱向，即車輛行駛方向；b. 橫向，即與車輛行駛方向成直角方向；c. 垂直向上；d. 垂直向下[2]。考慮環(huán)衛(wèi)車輛實(shí)際工作狀況并結(jié)合筆者從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，環(huán)衛(wèi)車輛多在城鎮(zhèn)作業(yè)，實(shí)際作業(yè)路面相對(duì)平穩(wěn)，故情況c和d對(duì)罐體封頭強(qiáng)度和剛度影響較小，本文在分析過程中予以忽略，只考慮情況a和b，其中情況a縱向方向可分為車輛啟動(dòng)與制動(dòng)，而車輛啟動(dòng)與制動(dòng)情況下的慣性力對(duì)罐體封頭的作用效果是一致的，但車輛制動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于車輛啟動(dòng)加速度，故本文忽略車輛啟動(dòng)工況。罐體除了受縱向、橫向加速度引起的慣性力外，還受結(jié)構(gòu)自重G和罐體內(nèi)部水的壓力P0影響。

將罐體所受慣性力按照公式(1)轉(zhuǎn)換為壓力進(jìn)行計(jì)算。

式中，P為施加壓力， MPa；A為罐體在垂直于對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向的投影面面積[3]， 縱向方向?yàn)?.12×106，橫向方向?yàn)?.54×106，mm2；a為罐體的加速度，縱向方向?yàn)?×103，橫向方向?yàn)?.25×103[4]， mm/s2，其他參數(shù)如表1所示。

5 計(jì)算分析

將建立的有限元模型，在HyperMesh中按照4.1、4.2所述，進(jìn)行約束、載荷的施加，以及計(jì)算求解，得到不同壓型深度的罐體在橫向和縱向沖擊作用下的應(yīng)力與變形云圖。圖中應(yīng)力單位為MPa，變形單位為mm。

Ⅰ、漲型深度M=80 mm罐體的應(yīng)力與變形云圖，如圖4所示。

圖4 80 mm深度的罐體在橫向和縱向沖擊作用下的應(yīng)力與變形云圖

Ⅱ、漲型深度M=100 mm罐體的應(yīng)力與變形云圖，如圖5所示。

從以上分析結(jié)果可以得知：

a. 罐體在橫向方向工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)在罐體與支撐梁結(jié)合處，而罐體在縱向方向工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到封頭與筒體結(jié)合處，且大片應(yīng)力區(qū)域位于封頭下半部分，此兩處在焊接過程應(yīng)特別注意保證焊接質(zhì)量；

b. 橫向、縱向兩種工況下，罐體最大變形位置均為封頭中、下部位；

c. 壓型深度在80 mm、100 mm和125 mm條件下，罐體縱向最大應(yīng)力分別為240 MPa、178 MPa和165 MPa，最大變形量為13.9 mm、6.5 mm和3.75 mm，可見罐體最大應(yīng)力和最大變形量隨著封頭壓型深度的增加而減小；

圖5 100mm深度的罐體在橫向和縱向沖擊作用下的應(yīng)力與變形云圖

圖6 125 mm深度的罐體在橫向和縱向沖擊作用下的應(yīng)力與變形云圖

d. 在壓型深度為80 mm條件下，罐體的最大應(yīng)力已超過了材料的許用應(yīng)力，而在壓型深度為100 mm和125mm條件下，罐體最大應(yīng)力分別為17 8MPa（安全系數(shù)1.3）和165 MPa（安全系數(shù)1.4），均滿足強(qiáng)度要求，但考慮壓型模具的制作成本及封頭壓型后回彈量控制的難易程度，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)性能要求范圍內(nèi)，盡可能地減小壓型深度值。

6 結(jié)語

a. 通過對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛水罐全模型的有限元分析，得出罐體在不同工況下的最大應(yīng)力和最大變形的位置。設(shè)計(jì)時(shí)，可在受力和變形最大部位進(jìn)行局部加強(qiáng)；加工時(shí)，應(yīng)在受力和變形最大部位進(jìn)行重點(diǎn)指導(dǎo)；

b. 罐體封頭壓型深度的不同直接影響著罐體的強(qiáng)度與剛度，罐體最大應(yīng)力和最大變形量隨著封頭壓型深度的增加而減小；

c. 罐體整體強(qiáng)度與剛度性能隨著罐體封頭壓型值的增大而提高，但考慮實(shí)際壓型模具的制作成本及封頭壓型后回彈量控制的難易程度，應(yīng)在滿足強(qiáng)度和剛度要求范圍內(nèi)，盡可能減小壓型深度值。

d. 運(yùn)用有限元法對(duì)環(huán)衛(wèi)車輛水罐進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能預(yù)估，可以大大縮短開發(fā)周期，提高一次設(shè)計(jì)成功率，降低生產(chǎn)成本。

[1]劉建培.汽車輪邊減速器系統(tǒng)耦合動(dòng)態(tài)特性分析及動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[2]GB 18564.1-2006道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛 第一部分：金屬常壓罐體技術(shù)要求[S].

[3]翟繪軍,李紅.罐體承載式液罐車罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào),2010,13(3):74-78.

[4]劉洋,覃先云.環(huán)衛(wèi)車輛矩形水箱的CAE結(jié)構(gòu)分析[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2013,21(1):85-88.