罐體傾覆保護(hù)裝置動態(tài)工況的有限元分析

中圖分類號：U461 收稿日期：2025-06-20

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.020

Finite Element Analysis on Dynamic Test of Tank Overturning Protection Device

Qiao Songlin Chen Xiao Yang Peng Hua Jinyong CATARCAutomotive Test Center（Wuhan）Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China

Abstract：Curentlyresearchonoverturmingprotectiondevicesfortank structuresremainsrelativelyscarcebothdomesticallynd interationally.Toinvestigatewetherdynamicdroptestingcaneectivelyevaluatetestrengthrequirementsofsuchprotectiondevic es，thisstudyexaminsaverifcatiomethodologybasedostrengthasessmentciteria.Afrefalldropsenariowasmodeledandsiulatedthroughfiniteelementanalysis toconductdynamicsimulationoftankoverturningconditions.Thesimulationresultswerethen usedtovalidatetespondingexperimetalappoachestressdistrtionndeforationharacteristsoftertungpro tectioneviceunderverticaldropconditionsweresstematicallyaalyzd.Tefindingsdemonstratethatteverticaldroptstanadequatelyreproduceteiertialforsquvalettotwietestadardequiremet，provingitssuitabilitysatadardedtiget od for tank overturning protection devices.

KeyWords：Dynamic experiments;Overturning protection device;Finite elements

1前言

罐體傾覆保護(hù)裝置可以有效防止車輛罐體在事故中發(fā)生泄漏。該裝置是否能有效保護(hù)閥體及管線，取決于自身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，而決定罐體本身強(qiáng)度的因素主要有其結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、壁厚、焊接質(zhì)量等因素。由于罐體結(jié)構(gòu)及幾何尺寸方面的問題，導(dǎo)致其強(qiáng)度不足，側(cè)翻時容易破損，因此對罐體傾覆保護(hù)裝置的剛度和強(qiáng)度檢測極其重要。

為初步探究罐體傾覆保護(hù)裝置的試驗(yàn)方法，擬研究垂直自由落體試驗(yàn)對罐體傾覆保護(hù)裝置的破壞程度。目前，針對罐體傾覆保護(hù)裝置強(qiáng)度測試的研究方法并不完善，無法確定靜壓試驗(yàn)?zāi)芊裉娲鷥A覆試驗(yàn)。且現(xiàn)場試驗(yàn)成本高，難度大，所需時間長，無法通過試驗(yàn)的方法來對比各種試驗(yàn)方法的優(yōu)劣。因此，擬在現(xiàn)場試驗(yàn)前對罐體垂直跌落工況進(jìn)行CAD建模，并采用顯式動力學(xué)仿真進(jìn)行有限元分析，通過觀察罐體變形云圖和應(yīng)力云圖，觀察自由落體試驗(yàn)方法是否合理。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

如今國內(nèi)對于罐式危險品運(yùn)輸車安全性要求逐漸提高，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和碰撞安全性的要求也逐漸提升，如《機(jī)動車安全運(yùn)行技術(shù)條件》（GB7258—2012）明確罐式危險貨物運(yùn)輸車安全距離至少為 150mm^[1] ，《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》（GB11567.2—2001）[2]、《危險貨物運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)要求》（GB21668—2008）3]《液化氣體運(yùn)輸車》（GB/T19905—2005）[4]對罐體安全附件提出了明確的要求，《道路運(yùn)輸爆炸品和劇毒化學(xué)品車輛安全技術(shù)條件》（GB20300—2006）5中也有關(guān)于罐體防護(hù)的要求。

為了完善《車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》管理制度，提高罐式危險品運(yùn)輸車及半掛車的安全技術(shù)性能，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，2012年工信部發(fā)布了《罐式危險品運(yùn)輸車及半掛車補(bǔ)充安全技術(shù)要求》的通知（工信部產(chǎn)業(yè)（2012）504號）6]。肖超波[7以實(shí)際檢驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對罐體定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷與問題，運(yùn)用“合理使用”原則，對罐體存在的隱患進(jìn)行分類，形成了一套完整的評定與處理系統(tǒng)，降低事故率并保障物流安全。

馮赫驛等8針對汽車在側(cè)翻事故中發(fā)生碰撞破壞失效的安全性影響因素進(jìn)行研究。采用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系和ANSYS/LS-DYNA對罐體側(cè)翻后的碰撞過程進(jìn)行建模分析，研究碰撞速度、接觸摩擦系數(shù)和接觸倒角半徑的影響，并根據(jù)研究結(jié)果證明可以監(jiān)測罐車入彎前的運(yùn)行速度，結(jié)合智慧監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險防控。曹源等[9]針對柔性材料大變形，非線性等特點(diǎn)，使用ALE方法重點(diǎn)關(guān)注了表面關(guān)鍵部位在罐體高度、裝水量等影響罐體動態(tài)響應(yīng)的因素改變時的變化情況，得到了柔性儲液罐動態(tài)應(yīng)力和變形均與拋落高度成正比的關(guān)系。

在研究罐體傾覆保護(hù)裝置本身，國內(nèi)外研究內(nèi)容主要為Full-ScaleTankCarRollover Test[1o]，主要介紹了一種罐體傾覆保護(hù)裝置強(qiáng)度測試的研究方法，文中通過有限元仿真和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分別對無保護(hù)裝置、閥體添加法蘭補(bǔ)強(qiáng)和在閥體周圍添加傾覆保護(hù)裝置三種試驗(yàn)條件，不但確定了有限元仿真的真實(shí)性，還通過對比研究確定了罐體傾覆保護(hù)裝置對罐頂閥體的保護(hù)作用十分明顯，以及比較了不同傾覆保護(hù)裝置之間的優(yōu)劣，確定了罐體傾覆保護(hù)裝置的合理構(gòu)造。

3結(jié)構(gòu)模型建立

在Catia中的零件設(shè)計模塊初步建立模型，根據(jù)已有數(shù)據(jù)，建立截面半徑為 500mm 長度為 1 800mm 的圓柱形罐體，罐體壁厚為 5mm 。由于罐體內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)未知，且罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對仿真分析影響無法預(yù)估，因此內(nèi)部暫時不添加任何加強(qiáng)筋或加強(qiáng)肋等結(jié)構(gòu)。罐體頂部閥體部分按圖紙和實(shí)際測量值進(jìn)行建模。根據(jù)圖紙和實(shí)際測量，并為防止前處理階段的網(wǎng)格劃分實(shí)時計算機(jī)在缸蓋處的復(fù)雜曲面上投入過多的算力，因此對閥體缸蓋模型進(jìn)行簡化。

對于罐頂保護(hù)裝置，根據(jù)GB18564.1—2019中第5.2.16條和第5.2.16.2條[1]分別明確要求，“當(dāng)罐頂?shù)陌踩郊脱b卸附件等突出罐體時，應(yīng)設(shè)置傾覆保護(hù)裝置，該裝置可設(shè)置為加強(qiáng)環(huán)或保護(hù)頂蓋、橫向或縱向構(gòu)件等形式”和“罐體頂部的安全附件和裝卸附件的最高點(diǎn)應(yīng)低于該裝置的最高點(diǎn)至少 20mm ，該裝置應(yīng)能承受車輛總質(zhì)量的2倍乘以重力加速度的慣性力”。

因此，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)要求，以閥體最高表面為基準(zhǔn)面向上 20mm 建立平面，根據(jù)實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。罐體CAD模型尺寸參數(shù)見表1，建模見圖1。

4有限元模型的建立

4.1網(wǎng)格劃分

由于罐體由多種幾何體組合而成，幾何模型比較復(fù)雜，無法直接生成六面體網(wǎng)格。為了在劃分過程中充分考慮幾何體的微小特征，對于包含倒角、圓孔等特征也能獲得較好的集合質(zhì)量，采用四面體網(wǎng)格劃分法并用采網(wǎng)格質(zhì)量更好的協(xié)調(diào)修補(bǔ)算法。集合體選擇整個罐體，網(wǎng)格密度為 0.02m 。

圖1罐體垂直跌落試驗(yàn)建模表1罐體模型尺寸參數(shù)表

由于主要分析對象為罐體頂部傾覆保護(hù)裝置，此保護(hù)裝置體積大，且與罐體連接方式為焊裝，可認(rèn)為傾覆保護(hù)裝置和罐體為一個整體，推測應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在焊接處，因此本次網(wǎng)格劃分為均勻劃分，不對主要分析對象做網(wǎng)格細(xì)化。

4.2添加邊界條件

本次仿真數(shù)據(jù)根據(jù)美國運(yùn)輸部聯(lián)邦鐵路管理局于2016年5月發(fā)布文獻(xiàn)報告《Full-ScaleTankCarRolloverTests-Survivability of Top Fittings and Top Fittings Pro-tective Structures》[12]鐵路油罐車罐體全尺寸側(cè)翻試驗(yàn)-頂部保護(hù)裝置的安全性能研究項目的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

試驗(yàn)將罐體放置于試驗(yàn)臺架上，罐體中裝有 98% 容積的水，通過液壓系統(tǒng)控制夾具中的罐體繞固定軸轉(zhuǎn)動，罐體被推到即將旋轉(zhuǎn)的臨界點(diǎn)，然后在重力的作用下完成旋轉(zhuǎn)，沖擊碰撞混凝土目標(biāo)物。罐體支座被抬高到?jīng)_擊表面以上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。為簡化計算，擬將裝有液體的罐體旋轉(zhuǎn)跌落近似地轉(zhuǎn)化為空罐體從一定高度下落，并保證撞擊混凝土塊時有和旋轉(zhuǎn)跌落時撞擊混凝王塊時相同的初速度。

在碰撞工況中，為保證計算量在電腦算力內(nèi)，需要對計算時長進(jìn)行設(shè)置，在workbenchexplicitdynamics中，影響計算的因素主要為終止時間和時間步長。其中，顯示動力學(xué)分析的結(jié)束時間指的是仿真計算終止時間，根據(jù)部件需要完成的位移除以設(shè)定的速度來設(shè)定。整個工況計算時間預(yù)設(shè)為0.01s，最大循環(huán)次數(shù)設(shè)置為107次。分析設(shè)置如表2所示。

表2仿真分析設(shè)置表

4.3添加載荷

在理想狀況下，瞬時突加載荷 G 到被沖擊結(jié)構(gòu)件上，相當(dāng)于自由落體沖擊 h=0 的情況， K_d=2 ，可見突加載荷產(chǎn)生的動載荷為靜載荷的兩倍，因此初步推測49CFRS 178.337-10 事故損害的保護(hù)（b）[13]中的描述：“該靜載荷的大小為罐體滿載時，罐體及其附件總質(zhì)量的2倍”為突加滿載質(zhì)量到傾覆保護(hù)裝置任意位置：

F_d=K_dG₁=K_dm₁g

F=8t

F_d=F

式中， m₁ 為空罐體質(zhì)量； m₂ 為滿載液體罐體總質(zhì)量; F_d為沖擊載荷大小； F 為等效載荷。

自由落體的動荷系數(shù)公式為：

式中， h 為下落高度； 為 G 以靜載荷形式作用于沖擊點(diǎn)處被沖擊物體的靜變形。

代入數(shù)據(jù)， m₁=3360.528kg ， m₂=1 051.222kg. 整理得：

h=14.05Δs_t

混凝土材料在到達(dá)屈服極限前可以視為線彈性材料，可以使用上述公式，根據(jù)前期試驗(yàn)得出的仿真結(jié)果，保護(hù)裝置在8t的壓力下產(chǎn)生的型變量為 5mm ，代人得h=70.25mm 。

5仿真結(jié)果

5.1變形情況

下面通過觀察變形云圖來分析罐體保護(hù)裝置的變形情況。變形云圖如圖2所示。在撞擊后 9.5ms 時變形最大值曲線達(dá)到峰值，具體型變量值為 25.8mm 。型變量最大值發(fā)生在罐體底部。通過觀察應(yīng)力云圖可以看出，最小值所在位置始終處于罐體傾覆保護(hù)裝置周邊區(qū)域。罐體傾覆保護(hù)裝置的變形量始終小于 20mm ，成功地避免了閥體在跌落過程中受撞擊造成的影響。

圖2罐體變形云圖

5.2應(yīng)力情況

下面通過觀察應(yīng)力云圖來分析罐體保護(hù)裝置的應(yīng)力情況。通過觀察圖3可知，發(fā)生碰撞在0.01s時，罐體應(yīng)力最大值達(dá)到極限，最大值為 1.7Gpa 。罐體撞擊最大應(yīng)力值超過材料的屈服極限，造成了局部破壞，但閥體本身沒有被破壞。

圖3罐體應(yīng)力云圖

6結(jié)語

本文基于GB7258中提出罐體傾覆保護(hù)裝置強(qiáng)度要求在行業(yè)內(nèi)無法體現(xiàn)的問題，通過垂直跌落試驗(yàn)方法模擬罐體傾覆工況，使用有限元仿真，建立罐體從一定高度垂直跌落至撞擊塊的仿真模型，得到了如下結(jié)論：

a.垂直跌落試驗(yàn)可以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傾覆保護(hù)裝置應(yīng)能承受住兩倍車輛總質(zhì)量的要求，在現(xiàn)實(shí)場地試驗(yàn)中可以采用此種試驗(yàn)方法進(jìn)行保護(hù)裝置的強(qiáng)度測試。

b.本次仿真結(jié)果可以清晰地觀察罐體傾覆保護(hù)裝置在跌落到撞擊塊上并產(chǎn)生不小于8t的沖擊載荷的情況下的變形和應(yīng)力情況，為日后現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證時應(yīng)力布點(diǎn)和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置提供了有力的支撐。

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