基于有限元的液罐車側防護裝置結構強度分析

摘要：以某型液罐車為研究對象，運用Solidworks建立液罐車側防護裝置三維模型，利用Workbench對側防護裝置在靜壓力作用下的結構強度進行分析。結果表明，采用鋁合金材質的側防護裝置可以滿足GB 11567-2017的強度要求。研究結論可為液罐車的設計提供參考。

關鍵詞：液罐車；側防護裝置；結構強度；有限元分析

中圖分類號：U463.9 收稿日期：2023-06-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.012

1 前言

隨著經濟的快速發展，道路交通事故日益頻發。據統計，70%～80%的危險貨物道路交通事故涉及液罐車[1]，且在該類事故中碰撞和側翻事故的發生率較高，液罐車發生事故時容易將行人、非機動車以及乘用車卷入車底造成嚴重的傷亡事故，由此給人民生命財產帶來嚴重的威脅[2-3]。

側防護裝置作為液罐車的重要組成部分，主要用于避免未受保護的道路使用者跌入車輛側面而被卷入車輪底下[4-5]，因此，研究側防護裝置對于提升液罐車整體被動安全性，減輕行人、非機動車的傷害程度意義重大。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型建立

以某型液罐車為研究對象，如圖1所示，對側防護裝置進行結構強度仿真分析。

2.2 有限元模型的建立

在Solidworks軟件中對液罐車側防護裝置進行三維建模，將三維模型以x_t格式保存，然后導入Workbench中進行網格劃分，得到側防護裝置的有限元模型如圖2所示，單元平均尺寸4 mm，共計單元數200 637個，節點數796 024個。

2.3 材料參數的選擇

進行側防護裝置結構強度分析時，各個構件的材料屬性對分析結果具有重要影響。側防護裝置設計時，各部件材料選取在滿足結構強度要求的前提下，兼顧輕量化及經濟性等因素考慮。其中，安裝護欄支架選用Q235，護欄面板和護欄支架選用鋁型材6061T6，材料屬性如表1所示。

2.4 加載位置的選取

根據液罐車側防護裝置的結構特點，選擇4個最惡劣的工況點，即側防護裝置前端圓弧P1、側防護裝置末端橫桿P2、側防護裝置中部橫桿P3和P4，如圖3所示。

根據GB 11567-2017的要求，用直徑220 mm±10 mm的圓形平壓頭施以1 kN的靜壓力垂直作用于側防護裝置。作用于該裝置外表面的各部分時，其因受力而產生的變形在施壓中心點測量應滿足以下要求[4]：

a.防護裝置在最后250 mm段的變形量不超過30 mm。

b.其余部分變形量不超過150 mm。

3 側防護裝置強度分析

3.1 加載位置P1的仿真結果

加載位置P1時，在Workbench中求解后得到的應力云圖和總變形圖分別見圖4和圖5。由圖可知，側護欄支架處所受最大應力為80.499 MPa，側護欄端板圓弧處最大變形量為0.944 57 mm。

3.2 加載位置P2的仿真結果

加載位置P2時，在Workbench中求解后得到的應力云圖和總變形圖分別見圖6和圖7。由圖可知，側護欄支架處所受最大應力為139.37 MPa，側護欄面板處最大變形量為1.327 8 mm。

3.3 加載位置P3的仿真結果

加載位置P3時，在Workbench中求解后得到的應力云圖和總變形圖分別見圖8和圖9。由圖可知，側護欄支架處所受最大應力為127.31 MPa，側護欄面板處最大變形量為4.045 7 mm。

3.4 加載位置P4的仿真結果

加載位置P4時，在Workbench中求解后得到的應力云圖和總變形圖分別見圖10和圖11。由圖可知，側護欄支架處所受最大應力為80.249 MPa，側護欄面板處最大變形量為1.636 5 mm。

3.5 結果分析

綜上分析結果，在側防護裝置各個加載點時的最大應力值如表2所示，最大總變形值如表3所示。根據表 2的仿真結果表明，4種情況下的最大應力為139.37 MPa，小于屈服極限235 MPa；根據表3的仿真結果可以得到側面防護裝置的最大變形為4.045 7 mm，遠小于GB 11567-2017對側防護裝置所要求的30 mm。因此，可以得出本方案側防護裝置結構強度滿足GB 11567-2017相關要求。

4 結語

本文以液罐車側防護裝置為研究對象，建立了側防護裝置的數值模擬有限元模型，根據GB 11567-2017要求對側防護裝置施加不同部位載荷，進行了結構強度仿真分析。仿真結果表明，4種情況下的最大應力為139.37 MPa，小于屈服極限235 MPa，最大變形為4.045 7 mm，遠小于GB 11567-2017對側防護裝置所要求的30 mm，因此該側防護裝置能夠滿足GB 11567-2017所規定的要求。相較于傳統普通碳鋼材質側防護裝置，本文采用鋁合金型材結構能夠提升液罐車的輕量化指標，研究結論為液罐車優化設計提供參考。

參考文獻：

[1]沈小燕，張凡，呂卉燾，等.追尾碰撞下液罐車罐體變形失效仿真研究[J].中國安全科學學報，2019，29（4）：37-42.

[2]張凡，沈小燕，閆艷，等.非滿載罐車罐體在追尾碰撞中變形失效研究[J].汽車工程學報，2019，9（1）：52-60.

[3]畢朋飛，余顯忠，黃暉，等.基于路譜的車輛側防護欄隨機振動疲勞分析[J].計算機輔助工程，2023，32（1）：16-20.

[4]GB/T 11567-2017 汽車及掛車側面和后下部防護要求[S].

[5]季小冬.汽車和掛車側面防護標準解讀[J].專用汽車，2017（4）：36-38.

作者簡介：

程偉林，男，1988年生，工程師，研究方向為專用汽車設計。