鋁合金液罐車局部損傷分析與維修

謝顯亮 劉現(xiàn)允

摘 要：隨著鋁合金罐車在成品油運輸行業(yè)的廣泛應(yīng)用，罐車局部損傷與維修問題也逐漸成為一個新的行業(yè)熱點。由于鋁合金材料的自身特性及焊接時的環(huán)境要求有別于碳鋼材料，故維修市場上基于碳鋼罐車的維修經(jīng)驗，應(yīng)用于鋁合金液罐車并不適用，經(jīng)常出現(xiàn)維修后，車輛經(jīng)短期使用又發(fā)生二次損傷的問題。針對這一狀況，本文以一款鋁合金運油半掛罐車鞍座位置罐體損壞原因分析及維修方案確認為例，系統(tǒng)闡述鋁合金運油半掛罐車局部損傷后的原因研究與維修方案制定流程。同時針對維修后使用情況進行長期跟蹤記錄，以理論驗證與實踐驗證相結(jié)合的方式，驗證維修方案的可行性。

關(guān)鍵詞：鋁合金液罐車;車架;經(jīng)典力學

0 引言

環(huán)境污染和資源消耗已成為全球性問題。減輕車輛自重、降低油耗、提高運輸效益等措施成為政府、科研院校、用戶及企業(yè)普遍關(guān)心的問題。鋁合金以其質(zhì)量輕、耐腐蝕性強、抗沖擊性好等特點，在專用汽車產(chǎn)業(yè)逐漸得到廣泛應(yīng)用。但硬度低、抗磨性不佳、易磨損等缺陷，使其不適合用于經(jīng)常活動的部位。近年來，越來越多的專家學者應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)對鋁合金結(jié)構(gòu)進行分析和研究，并取得了理想的結(jié)果。

1 罐體模型的建立

1.1 劃分單元網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格之前，首先指定單元類型。罐體和車架均是一系列薄壁件組成的結(jié)構(gòu)，宜離散為板殼單元SHELL63單元和BEAM3單元。依據(jù)實際的結(jié)構(gòu)件確定單元網(wǎng)格的大小，并可根據(jù)實際情況對不同構(gòu)件或同一構(gòu)件的不同部分進行不同單元大小的網(wǎng)格劃分。

1.2 模型采用的坐標和結(jié)構(gòu)簡化處理

在前筒位置為坐標原點，前筒直徑2000mm的圓筒，后筒直徑2300mm的圓筒。負Y向為重力方向。在真實反映罐體主要力學特性的前提下，盡可能選取較少的節(jié)點和單元，焊接小件等建模時忽略不計。以殼單元模擬罐體圓筒、錐筒、橢圓封頭，防波板、翼板底板、腹板、后支座、橫梁。將支撐筋，加強槽鋼等簡化為梁。建模時：翼板和墊板與筒體焊接在一起時，忽略焊接的影響，在有限元建模時，該位置厚度為兩層板厚度之和。

2 有限元模型

2.1 載荷與邊界條件

載荷：液體對罐體壓力、自重。

邊界條件：約束牽引銷處全部自由度，約束懸掛處上下、左右的自由度。

2.2 整車設(shè)計參數(shù)

該車為道路運輸三軸液體罐式半掛車，運輸介質(zhì)為汽柴油，該半掛車總質(zhì)量：40000kg，整備質(zhì)量：10500kg，滿載質(zhì)量：29500kg，軸距：6740+1305+1305mm，前懸/后懸：1450mm/1500mm，掛車外廓尺寸為12300mm×2500mm×3750mm。罐車屬于非承載式半掛車，車架采用鋁合金材質(zhì)，型號5083H111，抗拉強度極限275MPa，屈服極限125MPa;副車架材料Q345A，抗拉強度520MPa，屈服強度345MPa，斷后伸長率A≥21%。懸架采用鋼板懸架，板簧片數(shù)為10片。

3 計算與分析

一般引起機械結(jié)構(gòu)損傷的涉及靜態(tài)、動態(tài)、撞擊三類設(shè)計因素，靜態(tài)設(shè)計是針對結(jié)構(gòu)的強度和剛度;動態(tài)設(shè)計是針對使用壽命的疲勞特性，撞擊設(shè)計是針對操作或碰撞過程的能量吸收。從損傷的情況可以判斷損傷原因為靜態(tài)或動態(tài)設(shè)計因素導致的。對于哪一種是導致?lián)p傷的主要原因，筆者采用排除法，先利用有限元單元法對罐車模型進行靜態(tài)設(shè)計因素分析。

3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

有限元模型的簡化：a.不考慮罐內(nèi)液體的晃動對結(jié)構(gòu)的影響;b.附件如管路箱、備胎、罐頂圍框等，相對總質(zhì)量較小予以省略。同時對牽引座上部罐體結(jié)構(gòu)進行局部細化，以保證計算精度。模型單元數(shù)量為320244，節(jié)點數(shù)量為352793。

3.1.1 靜載工況

車輛在靜載荷工況下，外部支撐處、防波板背部加強環(huán)處、防波板下過油孔處應(yīng)力云圖。靜載工況下，支撐角件根部最大應(yīng)力為93MPa，加強環(huán)最大應(yīng)力為83MPa，過油孔邊緣最大應(yīng)力56MPa。

3.1.2 扭曲工況

車輛在扭曲工況下，外部支撐處、防波板背部加強環(huán)處、防波板下過油孔處應(yīng)力云圖。扭曲工況，支撐角件根部最大應(yīng)力為123MPa，加強環(huán)最大應(yīng)力為117MPa，過油孔邊緣最大應(yīng)力為98MPa。

3.2 損傷原因分析

疲勞損傷通常是由高應(yīng)力點產(chǎn)生最初裂紋導致的。一般在恒定負載情況下，裂紋會保持穩(wěn)定狀態(tài)。但疲勞應(yīng)力在周期應(yīng)力頻繁變化、波動的情況下會增大，當裂紋以外的剩余截面不能夠充分承擔施加的峰值負荷，損壞就會發(fā)生。在結(jié)構(gòu)上疲勞損傷一般多發(fā)生在幾何形狀的突然變化點、結(jié)構(gòu)中突然出現(xiàn)的斷點、熔焊的焊趾和焊根、緊固件螺紋的根部、機械損壞產(chǎn)生的斷點、焊接缺陷處、因腐蝕引起的凹坑處等位置。比對罐車與牽引車鞍座連接的位置附近結(jié)構(gòu)件損傷的情況可發(fā)現(xiàn)，此位置為罐體上的高應(yīng)力區(qū)，同時受路況影響，所受應(yīng)力頻繁變化波動。牽引車鞍座對應(yīng)的外部支撐角件根部損傷為沿焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里熔焊的焊趾位置發(fā)生的疲勞損傷。罐內(nèi)防波板下過油孔邊緣處損傷為橫向焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里焊接缺陷處發(fā)生的疲勞損傷。罐內(nèi)防波板背部加強環(huán)處損傷為沿焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里結(jié)構(gòu)中突然出現(xiàn)的斷點處發(fā)生的疲勞損傷。

4 結(jié)語

建立車架有限元模型，進行滿載工況的靜力學分析，對比分析結(jié)果和經(jīng)典力學計算結(jié)果，從而驗證有限元模型的正確性。有限元分析結(jié)果表明，整車應(yīng)力分布均勻，強度和剛度均滿足設(shè)計要求。相比于不銹鋼和碳鋼，鋁合金車架的重量減輕約30%，從而大幅增加有效載荷，提高運輸效率。因此，鋁合金材質(zhì)在專用汽車零部件及整車結(jié)構(gòu)中將發(fā)揮巨大價值，應(yīng)用前景廣闊。

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