汽車罐車罐體結(jié)構(gòu)斷裂形式分析

王興路

摘要：針對(duì)汽車罐車罐體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，建立36m3液化石油氣半承載式汽車罐體結(jié)構(gòu)（含副車架）三維模型，分析半承載式汽車罐車在典型工況（勻速、加速、減速、轉(zhuǎn)彎）下的受力情況并計(jì)算載荷大小，采用有限元法計(jì)算汽車罐車典型工況下的應(yīng)力分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合汽車罐車的運(yùn)行狀態(tài)確定結(jié)構(gòu)的斷裂形式，罐體結(jié)構(gòu)斷裂主要是罐體與連接板焊縫處表面裂紋疲勞擴(kuò)展引起的。

關(guān)鍵詞：汽車罐車;結(jié)構(gòu)斷裂;有限元分析;疲勞裂紋擴(kuò)展

0? 引言

汽車罐車作為液化氣體的常用運(yùn)輸工具，具有壓力高、移動(dòng)性強(qiáng)、易燃易爆等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，各行業(yè)對(duì)液化氣體需求量越來(lái)越大，汽車罐車數(shù)量也隨之逐年增加[1]。汽車罐車運(yùn)行過(guò)程中承受多重載荷的共同作用，包括自身重力、容器內(nèi)介質(zhì)的重力、轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力、運(yùn)行至不平整路面時(shí)豎直方向的沖擊力、介質(zhì)的壓力、介質(zhì)晃動(dòng)對(duì)罐體產(chǎn)生的沖擊力等，多重載荷的長(zhǎng)期共同作用下，易在罐體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著汽車罐車的承載強(qiáng)度和使用壽命[2，3]。

確定汽車罐車結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)斷裂的破壞形式，利于指導(dǎo)罐體結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，減少事故的發(fā)生。本文采用理論計(jì)算與有限元法相結(jié)合，計(jì)算多工況下罐體結(jié)構(gòu)載荷大小和應(yīng)力分布，結(jié)合汽車罐車的運(yùn)行狀態(tài)確定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)斷裂的破壞形式。

1? 罐體受力分析

液罐車在行駛過(guò)程中，由于充裝比不同、工況不同、司機(jī)駕駛習(xí)慣不同，所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變也不同，本文分析罐狀體積85%的液化石油氣[4]。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)罐車勻速、加速、減速、轉(zhuǎn)彎四種工況進(jìn)行受力分析[5]。

①液罐車在勻速行駛時(shí)，載荷由罐體自身重力和液化石油氣重力組成;

②液罐車在緊急制動(dòng)時(shí)，國(guó)標(biāo)明文規(guī)定其他車輛制動(dòng)要求為：制動(dòng)初速度為30km/h時(shí)，空載制動(dòng)距離不大于9m，滿載時(shí)制動(dòng)距離不大于10m。由此可以計(jì)算出滿載時(shí)制動(dòng)減速度為3.47m/s2，在實(shí)際行駛過(guò)程中制動(dòng)減速度往往大于3.47m/s2。因此，本文選擇罐車在緊急制動(dòng)時(shí)取加速度為4m/s2，載荷由罐體自身重力、液化石油氣重力及制動(dòng)慣性力組成;

③當(dāng)液罐車轉(zhuǎn)彎時(shí)，取離心加速度為1.15m/s2（罐車轉(zhuǎn)彎半徑為60m，車速為30km/h），載荷由罐體自身重力、液化石油氣重力及轉(zhuǎn)彎慣性力組成;

④當(dāng)液罐車加速時(shí)，罐車百公里加速空載時(shí)為20s左右，計(jì)算得出平均加速度為1.39m/s2;滿載時(shí)百公里加速約為30s，計(jì)算出加速過(guò)程平均加速度為0.93m/s2。實(shí)際情況中平均加速度均大于此值，綜上所述本文取值2m/s2，載荷由罐體自身重力、液化石油氣重力及加速慣性力組成。

液罐車罐體內(nèi)部設(shè)有防波板能大幅度降低液體晃動(dòng)，因此不考慮加速、轉(zhuǎn)彎、減速工況過(guò)程中液化石油氣流動(dòng)產(chǎn)生的質(zhì)心變化。并且在運(yùn)行過(guò)程中罐體內(nèi)液化石油氣和氣體液化石油氣的比例保持不變，即壓強(qiáng)不發(fā)生變化。分別建立靜載和四種典型工況下罐體結(jié)構(gòu)的平衡方程，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2? 有限元分析

2.1 三維模型

實(shí)際罐體結(jié)構(gòu)帶有大量附屬裝置，附屬裝置的存在增加建模的難度并對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響不大，因此，三維建模時(shí)將結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化方法如下：

①罐體自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：對(duì)于罐體裝卸裝置、人孔、安全閥、管路系統(tǒng)、其他附屬裝置等對(duì)分析結(jié)果影響不大的，可不建立其結(jié)構(gòu)。

②附件簡(jiǎn)化：扶梯、罐車頂部的操作平臺(tái)、護(hù)欄等可忽略。

③焊縫簡(jiǎn)化：忽略焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響。

根據(jù)某企業(yè)生產(chǎn)的36m3液化石油氣半承載式汽車罐車罐體結(jié)構(gòu)尺寸，建立簡(jiǎn)化后的罐體結(jié)構(gòu)（含副車架）三維模型，如圖1所示。

2.2 有限元模型

將建立的三維模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行有限元分析前處理，完成模型完整性檢查并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型采用殼單元，筒體和封頭網(wǎng)格尺寸選擇40mm，防波板、底座、車架選擇25mm，網(wǎng)格劃分共得到節(jié)點(diǎn)97424個(gè)，網(wǎng)格167956個(gè)，如圖2所示。

2.3 有限元分析結(jié)果

根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供罐車罐體基本參數(shù)，在有限元軟件中建材料參數(shù)和材料屬性，根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)間的連接形式添加約束及建立各部件間焊接，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果添加載荷。內(nèi)壓采用均布載荷的方式施加在罐體內(nèi)表面，大小為1.77MPa，重力和慣性力均采用重力加速度的加載方法，計(jì)算各工況下的罐體應(yīng)力分布，加速工況罐體應(yīng)力分布如圖3所示。

各工況下罐體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如表2所示，轉(zhuǎn)彎工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，為257.82Mpa。從各工況應(yīng)力云圖可以看出：最大應(yīng)力均出現(xiàn)在罐體與副車架連接板的連接位置。

3? 罐體結(jié)構(gòu)斷裂形式確定

汽車罐車運(yùn)行時(shí)，罐體結(jié)構(gòu)承受多重載荷的共同作用，包括自重、介質(zhì)的重力、介質(zhì)的壓力、加速制動(dòng)時(shí)的慣性力、轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力、介質(zhì)晃動(dòng)對(duì)罐體產(chǎn)生的沖擊力等，各載荷大小均不固定，隨汽車運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化，因此罐體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的斷裂屬于疲勞斷裂。

通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，各工況下最大應(yīng)力均出現(xiàn)在罐體圓筒與副車架連接板的連接位置，該位置為焊接連接，由于焊接工藝的影響，在焊趾部位易形成咬邊、應(yīng)力集中，在外部交變載荷的作用下形成表面微小裂紋并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的斷裂。因此，汽車罐車罐體結(jié)構(gòu)斷裂時(shí)由焊縫表面裂紋逐漸擴(kuò)展引起的，多出現(xiàn)在罐體與副車架連接板焊接位置。

4? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)36m3液化石油氣半承載式汽車罐車運(yùn)行狀態(tài)分析、理論分析和有限分析，罐體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力均出現(xiàn)在罐體與副車架連接板的連接位置，汽車罐車罐體結(jié)構(gòu)斷裂時(shí)由焊縫表面裂紋逐漸擴(kuò)展引起的。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊立軍，林琦.移動(dòng)式壓力容器常見(jiàn)檢驗(yàn)問(wèn)題綜述[J].化工管理，2017（11）：143.

[2]朱興海，張郅，陳傳斌.壓力容器疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬進(jìn)展[J].機(jī)械工程師，2015（1）：74-76.

[3]Guangxue Yang， Shuang Li. Fatigue properties of AL/AL-MG alloy laminated materials for the applications to railway tank cars[J]. International Journal of Fatigue，2019，122（25）：173-183.

[4]張書斌.鋁合金液罐車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2017，46（01）：16-18.

[5]GB7258-2017，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2017.