淺談液體罐式運(yùn)輸車罐體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

謝忠輝

（東莞市永強(qiáng)汽車有限公司，廣東東莞 523400）

0 引言

圖1 液罐車實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

液體罐式運(yùn)輸車主要是通過(guò)車輛上自帶的罐式容器，將介質(zhì)從一個(gè)地方運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的運(yùn)輸車輛（圖1）。有些罐式運(yùn)輸車還自帶多種功能模塊，能完成不同的專用功能，比如飛機(jī)運(yùn)加油車等。罐式運(yùn)輸車有多種，而使用最多的卻是運(yùn)輸危險(xiǎn)液體的危險(xiǎn)品液罐運(yùn)輸車。由于液體像汽柴油都存在蒸汽且溫度高會(huì)發(fā)生膨脹，一般危險(xiǎn)品液罐車均保有5%的膨脹容積。而液罐運(yùn)輸車，特別是大容量的液罐車在曲線、加速、減速、坡道行駛時(shí)，在未裝滿的情況下，會(huì)發(fā)生質(zhì)心轉(zhuǎn)移，影響其行駛穩(wěn)定性。因此在油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需采取有效措施，給介質(zhì)的流動(dòng)增加阻力，減少液體的質(zhì)心的過(guò)度轉(zhuǎn)移。在實(shí)際應(yīng)用中，主要是在罐內(nèi)增加阻浪板，可有效減少浪涌對(duì)罐體和整個(gè)車輛穩(wěn)定性的影響。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)的圖形技術(shù)，真實(shí)而精確地描述產(chǎn)品的幾何特性及各零件之間的相互關(guān)系，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB18564的要求，模擬罐體幾種極限工況下對(duì)整體的影響，通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行預(yù)先檢驗(yàn)和修正，分析罐體受力情況及其頻率進(jìn)行分析，增加車輛穩(wěn)定性[1]。

1 模型建立

1.1 罐體材料的選型

液體罐式運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)多種多樣，而標(biāo)準(zhǔn)GB18564附錄B中危險(xiǎn)品能被罐式運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)臄?shù)量就有36種，罐式車輛作為危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)淖畲笕后w，主要承擔(dān)壓縮氣體、液化氣體及液體物質(zhì)運(yùn)輸，所運(yùn)貨物性質(zhì)包括易燃、易爆、腐蝕及毒性等。[2]而主要罐體的材料主要就是鋁合金、304不銹鋼、316不銹鋼。根據(jù)介質(zhì)的不同，可以采用不同的材料。

液罐車經(jīng)常運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)主要是汽柴油。汽柴油本身物理特性比較穩(wěn)定，對(duì)板材腐蝕性較小，但由于其易燃易爆也需要做特別的設(shè)計(jì)。比如罐內(nèi)的浪涌的摩擦不能產(chǎn)生大量的靜電，否則會(huì)讓介質(zhì)爆炸。因此，在大多數(shù)的汽柴油運(yùn)輸車上，都是使用鋁合金材質(zhì)作為罐體的材料。鋁合金與油摩擦，靜電倒除容易，而且質(zhì)量輕，能使車輛承載的介質(zhì)增多，具有多種實(shí)用價(jià)值。而國(guó)內(nèi)液罐運(yùn)輸車的主要使用的鋁合金材料為牌號(hào)為5083的鋁合金，其物理特性如表1所示[3]。

表1 材料屬性

1.2 液體罐式運(yùn)輸車UG模型

將液罐車按其功能區(qū)分，可分為行走支撐部分的底盤、副車架等結(jié)構(gòu)，用于貯存介質(zhì)的罐式容器結(jié)構(gòu)，作為安全附件的側(cè)護(hù)欄、爬梯、消防裝置等。罐體及附件通過(guò)螺栓或者其他的活連接方式與底盤連接，底盤對(duì)上裝的作用力與罐體內(nèi)部應(yīng)力綜合對(duì)車輛的穩(wěn)定性有決定性的影響。

用CAM軟件模擬罐車的工作狀態(tài)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及較大位置以及各部件的固有頻率，對(duì)液體罐式運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)和改良有很大的指導(dǎo)意義。本文作者選用某公司典型的易燃液體罐式運(yùn)輸車為例進(jìn)行分析，主要介質(zhì)是汽柴油，其主要的參數(shù)如表2所示。

表2 液罐車參數(shù)

根據(jù)參考液罐車實(shí)車結(jié)構(gòu)，將罐體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行三維建模工作，模型主要反映的是罐體和主要用于罐體與底盤固定部分的主要結(jié)構(gòu)，如圖2所示的易燃液體罐式運(yùn)輸車的罐體UG三維模型。

1.3 有限元模型建立

圖2 易燃液體罐式運(yùn)輸車的罐體的UG模型圖

在建立模型時(shí)，不考慮焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，將焊縫與各部件看作一個(gè)連續(xù)體[4]，對(duì)罐式運(yùn)輸車的罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要采用殼單元模擬，單元大小約為22 mm，厚度取各自設(shè)計(jì)值。罐體各質(zhì)量件按照各部件重量，采用質(zhì)量單元模擬（圖3）。罐體內(nèi)壁施加垂直于壁面0.2 MPa壓強(qiáng)。罐體和底座采用剛性連接，螺栓連接處定義節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行簡(jiǎn)化（圖4）。整個(gè)模型單元共765 953個(gè)，節(jié)點(diǎn)597 524個(gè)。將罐內(nèi)的15 t介質(zhì)以7個(gè)質(zhì)量點(diǎn)方式平均分布于罐體（兩端封頭+5段罐體）的回轉(zhuǎn)中心軸線上，并與罐體內(nèi)壁耦合。

圖3 罐殼整體有限元模型

圖4 罐殼內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)有限元模型

2 液罐車模態(tài)分析計(jì)算工況

2.1 靜強(qiáng)度

在標(biāo)準(zhǔn)GB18564.1-2006的5.4.2.2條款中規(guī)定，罐體在運(yùn)輸工況中所承受的靜態(tài)力按下列原則確定。

（1）縱向：最大充裝質(zhì)量乘以2倍的重力加速度；

（2）橫向：最大充裝質(zhì)量乘以重力加速度；

（3）垂直向上：最大充裝質(zhì)量乘以重力加速度；

（4）垂直向下：最大充裝質(zhì)量（包括重力作用的總負(fù)荷）乘以2倍的重力加速度[5]。

根據(jù)如上要求，此處規(guī)定靜強(qiáng)度計(jì)算包含6個(gè)工況，如表3所示，此6種工況涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)要求的方面，并考慮到加速、減速、轉(zhuǎn)彎和顛簸工況。

表3 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

2.2 疲勞工況

疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況如表4所示。

表4 疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況

3 液罐車模態(tài)分析

3.1 靜強(qiáng)度

在整車設(shè)計(jì)中，會(huì)不可避免地存在一些尖角、對(duì)接溝槽等，產(chǎn)品應(yīng)力集中于此，而應(yīng)力集中部位則是大多數(shù)結(jié)構(gòu)失效的原因。在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力的最大值（峰值應(yīng)力）與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。在有限元分析中，通過(guò)對(duì)罐體不同部位進(jìn)行應(yīng)力分量計(jì)算并歸類，對(duì)不同部位的應(yīng)力分量分別計(jì)算其主應(yīng)力，進(jìn)而得到各不同部位的應(yīng)力強(qiáng)度,[6]分析最大應(yīng)力的部分，能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。而根據(jù)以上的靜強(qiáng)度計(jì)算工況，計(jì)算所得各種工況的最大應(yīng)力情況如表5所示，整體的應(yīng)力大點(diǎn)主要分布在副車架上面，而罐體上的應(yīng)力相對(duì)較小，但各工況的最大應(yīng)力值都小于材料的屈服強(qiáng)度，因此罐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

3.2 固有頻率

液罐車固有振型有罐車的整體振動(dòng)和以罐車一個(gè)或幾個(gè)部分振動(dòng)為主的局部振動(dòng)兩大類。文中主要考慮局部振動(dòng)模態(tài)。根據(jù)以上的條件進(jìn)行計(jì)算，液罐車的固有頻率計(jì)算前六階如表6所示。

表5 應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 各部件模態(tài)的共振頻率

通常，路面不平是汽車振動(dòng)的基本輸入，頻率范圍[7]約為0.5～25 Hz。解決在隨機(jī)不平路面激勵(lì)下，液罐車整車機(jī)零部件的振動(dòng)問(wèn)題，是提高汽車平順性、安全性和可靠性的基礎(chǔ)。通過(guò)液罐車的固有頻率計(jì)算，其第一階的固有頻率為26.88 Hz，此頻率已經(jīng)大于路面激勵(lì)，也大于大部分的內(nèi)在頻率，可以確定外界頻率的激勵(lì)對(duì)液罐車整車的各階模型的影響可以忽略。

3.3 疲勞強(qiáng)度分析

疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示，由表7可見(jiàn)，各工況的最大應(yīng)力均低于DVS 1608-2011規(guī)定的相應(yīng)材料的最大許用應(yīng)力，利用系數(shù)均不大于0.30，具有較高的強(qiáng)度裕量[8]。

表7 疲勞計(jì)算工況應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上對(duì)液罐車罐體的結(jié)構(gòu)分析，可以看出液罐體所選用的鋁合金材料和設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要；固有頻率的分析說(shuō)明液罐車的固有頻率較高，比路面隨機(jī)頻率高且比液罐車動(dòng)力結(jié)構(gòu)的頻率高，因此外界對(duì)其影響較小。總體來(lái)說(shuō)，此型液罐的罐體設(shè)計(jì)符合整車穩(wěn)定性的要求。