喬莉

QIAO Li

安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

鋁合金立式粉罐半掛車罐體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

喬莉

QIAO Li

安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

基于彈塑性理論，采用有限元方法分析了鋁合金立式粉罐半掛車罐體在常規(guī)工作壓力情況下的應(yīng)力、位移情況，分析結(jié)果表明，整車應(yīng)力分布較為均勻，但第一個(gè)錐與第二個(gè)錐之間的過渡區(qū)域處應(yīng)力集中較為明顯。對此，提出了在第一錐與第二錐之間增加加強(qiáng)圈并延伸至車架處的優(yōu)化措施，分析結(jié)果顯示改進(jìn)方案可有效降低應(yīng)力集中問題。通過制作試驗(yàn)車輛，并進(jìn)行罐體強(qiáng)度等相關(guān)試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際使用狀況進(jìn)行跟蹤觀察，結(jié)果良好。

立式粉罐半掛車 有限元分析 輕量化 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 前言

粉粒物料運(yùn)輸車（簡稱粉罐車）通過可重復(fù)使用的專用容器，可代替并節(jié)約一次性物料包裝袋，降低了物料運(yùn)輸過程中的資源消耗，同時(shí)可以避免包裝袋破損及流通過程中的物料損耗，且可以防止物料受潮變質(zhì)，保證物料質(zhì)量[1]。

2 立式粉罐半掛車的優(yōu)勢

2.1 散裝運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)［2］

散裝運(yùn)輸與傳統(tǒng)運(yùn)輸相比，具有以下優(yōu)勢：

a.運(yùn)輸效率高。可以直接將散裝物料從工廠運(yùn)輸?shù)街修D(zhuǎn)站或工地，減少了包裝程序；

b.提高了運(yùn)輸?shù)陌踩?。由于粉罐車罐體都是密封式的，有效地減小了在運(yùn)輸和裝卸過程中發(fā)生事故的可能性，安全性得到提高；

c.保證物料的質(zhì)量。物料在密閉式罐體內(nèi)基本不受外界環(huán)境和氣候條件的影響，而且運(yùn)輸過程中，可以對罐體內(nèi)的溫度、濕度等進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而保證物料不會(huì)變質(zhì)和損壞，物料的完好率得到大幅提高；

d.改善裝卸條件，降低裝卸強(qiáng)度。傳統(tǒng)物料運(yùn)輸采用袋裝，裝卸時(shí)耗費(fèi)大量的人力，且裝卸時(shí)粉塵飛揚(yáng)，散發(fā)出異味，裝卸工人的身體健康得不到保障。而采用粉罐車，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化裝卸，大大減輕了工人裝卸時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，還減少了粉塵污染；

e.降低運(yùn)輸成本。實(shí)行散裝物料可以實(shí)現(xiàn)的裝卸、運(yùn)輸、貯存、加工等的全面機(jī)械化，在提高運(yùn)輸效率的同時(shí)，節(jié)省了大量人力、物力。

粉粒物料散裝運(yùn)輸在國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普及應(yīng)用，粉粒物料散裝運(yùn)輸率已達(dá)到80%以上。近年來，國內(nèi)外知名企業(yè)，越來越注重粉粒物料產(chǎn)品的運(yùn)輸方式，除了需要滿足質(zhì)量要求外，還要避免粉粒物料在包裝與運(yùn)輸過程中可能帶來的各種潛在的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)，并且簡化粉粒物料使用企業(yè)的操作過程，因此，散裝技術(shù)在粉粒物料企業(yè)的運(yùn)用大量增加。

2.2 立式粉罐半掛車的優(yōu)點(diǎn)

立式粉罐半掛車按結(jié)構(gòu)劃分是粉罐車的三大車型之一，如圖1所示。目前，立式粉罐半掛車在國內(nèi)主要承擔(dān)著散裝面粉、飼料、PVC、石灰石顆粒等粉狀、顆粒狀物料的運(yùn)輸。其與我國常用的流化氣帶臥式粉罐半掛車相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

a.由于具有合理的罐體形狀以及先進(jìn)的流化元件，立式粉罐半掛車卸料殘余率極低，幾乎可達(dá)到零殘余，具有卸料干凈的優(yōu)點(diǎn)。

b.使用范圍廣，可以輸送流化性能不好的粉狀、顆粒狀物料，如面粉、潮細(xì)粉煤灰、加粒粉煤灰、重質(zhì)純堿、飼料、花崗巖石料、PA66等物料。

立式粉粒物料運(yùn)輸半掛車的罐體結(jié)構(gòu)由柱狀筒體和若干錐形倉體組成，需確保錐倉與水平面夾角不小于物料安息角，物料僅依靠重力即可流動(dòng)到出料口。因立式粉罐罐體采用此種結(jié)構(gòu)，且連接處采用圓弧切線過渡，所以可杜絕罐內(nèi)死角，防止物料出現(xiàn)掛壁、殘留的現(xiàn)象，但此種制作工藝較為復(fù)雜。另外，立式粉罐可根據(jù)容積需求，從單倉結(jié)構(gòu)可做到五倉或更多倉結(jié)構(gòu)，滿足不同容積要求。

隨著新GB1589實(shí)施，輕量化已經(jīng)成為國內(nèi)專用車發(fā)展的趨勢。目前國內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化主要有兩個(gè)途徑：a. 選用強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕的新材料，如鋁合金、高強(qiáng)鋼；b. 優(yōu)化罐體、車架結(jié)構(gòu)，使零件壁薄化、中空化、小型化。其中途徑a是目前各專用汽車生產(chǎn)企業(yè)采取的主要措施；途徑b是利用CAE分析軟件對罐體、車架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)，降低自重。目前，國內(nèi)多數(shù)專用車企業(yè)在輕量化方面均采用新材料的方法，而對于采用新材料后罐體、車架的強(qiáng)度分析涉及較少。

圖1 立式粉罐半掛車

在歐洲，立式粉罐半掛車發(fā)展程度很高，占據(jù)的粉罐半掛車市場超過一半。在我國，立式粉罐半掛車目前占有率較低，但其是粉罐半掛車未來的發(fā)展方向。近年來，隨著國內(nèi)食品、化工行業(yè)對散裝物料運(yùn)輸需求的增加，立式粉罐半掛車已得到了一定程度的發(fā)展。相信隨著市場的發(fā)展，這種物料殘余少、質(zhì)心低、便于裝卸的立式粉罐車將得到長足發(fā)展。

筆者公司于2015年開發(fā)了鋁合金結(jié)構(gòu)的立式粉罐半掛車，下面對鋁合金立式粉罐半掛車罐體厚度進(jìn)行理論計(jì)算，并對罐體強(qiáng)度問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 整車強(qiáng)度計(jì)算分析

3.1 基本參數(shù)

以某三軸立式粉罐半掛車為例，車輛罐體為五錐結(jié)構(gòu)，筒體直線段（不含兩端封頭）長度為11 670 mm，最大截面高度為3 300 mm，寬度為2 550 mm。該車罐體的有效容積為60 m3，運(yùn)輸介質(zhì)為PVC。整車外廓尺寸為13 000 mm×2 550 mm×4 000 mm，軸距為7 990 mm+1 310 mm+1 310 mm。

筒體采用鋁合金5083-H111板材[3-4]，板材抗拉強(qiáng)度Rb=275～350 MPa，屈服極限Rs≥125 MPa，斷后伸長率A≥17%，名義厚度為5/6/8 mm；筒體加強(qiáng)圈采用鋁合金5083-H111材料，厚度為6 mm；前后封頭采用鋁合金5083-O材料，厚度為6 mm。該粉罐半掛車總質(zhì)量為40 000 kg，整備質(zhì)量為7 300 kg，載貨質(zhì)量為32 700 kg，前/后懸分別為1 470/930 mm，輪距為2 040 mm。整車結(jié)構(gòu)和罐體外輪廓圖分別如圖2、3所示。

圖2 整車結(jié)構(gòu)圖

圖3 罐體外輪廓圖

3.2 罐體及車架建模

該車三維模型采用較先進(jìn)的基于Pro/E的自頂向下設(shè)計(jì)手段建模，把80%的部件間的關(guān)系通過骨架進(jìn)行規(guī)定和控制，便于檢查核對，極大減少出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，罐體及車架三維模型如圖4所示。

圖4 罐體及車架三維模型

3.3 罐體厚度理論計(jì)算

根據(jù)GB/T 150.3-2011，罐體和封頭的厚度計(jì)算如下[5]。

3.3.1 筒體厚度計(jì)算

由于Pc≤[σ]tΦ，設(shè)計(jì)溫度下圓筒受內(nèi)壓的厚度計(jì)算公式為：

式中，Pc為計(jì)算壓力，取Pc=0.22 MPa；Di為筒體直徑，取D=2 550 mm；[σ]t為材料許用應(yīng)力，鋁合金5083-H111材料的

i許用應(yīng)力為68 MPa，鋁合金5083-O材料的許用應(yīng)力為67 MPa（查JT/T 4734-2002《鋁制焊接容器》[6]）；Φ為焊接接頭系數(shù)，采用雙面焊全部無損檢測，取Φ=1.0。

將相應(yīng)參數(shù)代入公式計(jì)算得到，外筒體計(jì)算厚度δ=4.13 mm。

3.3.2 封頭厚度計(jì)算［7］

受內(nèi)壓（凹面受壓）橢圓封頭的厚度計(jì)算公式：

其中，K為橢圓封頭形狀系數(shù)，公式為：

將標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭Di=4hi，K=1代入公式，計(jì)算得到封頭理論計(jì)算厚度δh=4.19 mm。又有鋼板腐蝕余量0.3 mm，厚度負(fù)偏差0.3 mm，加工減薄量0.25 mm。而該型號(hào)罐車筒體名義厚度為5 mm、6 mm、8 mm，封頭名義厚度為6 mm，可見筒體及封頭厚度均能夠滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.4 力學(xué)計(jì)算

3.4.1 計(jì)算方法

根據(jù)該車型的車架結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn)，在計(jì)算時(shí)引入了2點(diǎn)簡化與假設(shè)：

a.載荷均勻分布在縱梁上翼面；

b. 將縱梁看做簡支梁結(jié)構(gòu)。

3.4.2 彎矩方程

依據(jù)載荷分布及結(jié)構(gòu)尺寸，作出彎矩方程，車架受載示意如圖5所示。

圖5 車架受載示意圖

式中，M為彎矩，q為均布載荷，R1、R2分別為牽引銷及后橋支座反力，L1、L2、L3分別為前懸、軸距及后懸，g為重力加速度。

上式可以看出，兩端支撐的中部，彎矩最大處：

可以求得，M1=90 613 619 Nmm。

牽引銷處最大彎矩：M2=－16 741 156 Nmm。

懸架中心處最大彎矩：M3=－61 664 134 Nmm。

3.4.3 彎曲應(yīng)力

縱梁采用工字型結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)資料查詢，抗彎截面模量參數(shù)W和 應(yīng)力參數(shù)σ分別為：

圖6 縱梁截面示意圖

計(jì)算可得，懸架、支撐中部、牽引銷部的最大彎曲應(yīng)用分布為110.9 MPa、102.9 MPa、86.2 MPa。均小于材料的許用應(yīng)力，可見縱梁的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 整車強(qiáng)度有限元分析［9-14］

3.5.1 罐體車架模型說明

筒體采用鋁合金5083-H111板材，板材抗拉強(qiáng)度Rb=275～350 MPa，屈服極限Rs≥125 MPa，伸長率A≥15%。

3.5.2 整車坐標(biāo)系定義

整車坐標(biāo)系定義如下：X軸為運(yùn)輸拖車行進(jìn)方向，向前為正，向后為負(fù)；Y軸為拖車行進(jìn)方向，右側(cè)為正，左側(cè)為負(fù)；Z軸為垂直于地面，向上為正，向下為負(fù)。

3.5.3 軟件支持要求

三維設(shè)計(jì)軟件采用 Siemens NX 軟件，版本為 NX8.0；有限元前處理軟件采用 Altair 公司 Hypermesh，版本為 11.0；有限元求解器采用采用 Dassault 公司 Abaqus，版本為 8.0；有限元后處理軟件采用 Altair 公司 Hyperview，版本為 11.0。

3.5.4 有限元前處理要求

3.5.4.1 單元類型

所有可變形部件的網(wǎng)格應(yīng)該劃在幾何中面上，采用SHELL 單元模擬，并賦予對應(yīng)的厚度信息和材料信息。對于不可抽取中面的 part，如支座等，采用 Solid 單元模擬。

3.5.4.2 網(wǎng)格的正交性

應(yīng)盡可能保證網(wǎng)格規(guī)則，與幾何邊平行并成直角。

3.5.4.3 網(wǎng)格尺寸的設(shè)置

不同網(wǎng)格密度之間的過渡盡可能平滑整齊。

3.5.4.4 節(jié)點(diǎn)合并

與1D單元連接的所有節(jié)點(diǎn)，都需用0.1 mm的誤差進(jìn)行合并，可防止自由的1D單元。該方法同樣適用于單元檢查并防止重復(fù)的焊點(diǎn)梁單元。

3.5.5 單元尺寸

在不影響總體強(qiáng)度和剛度的前提下，為了使計(jì)算更為簡單并合理，可忽略焊縫、小部件、人孔等結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的影響，采用板殼單元對整車進(jìn)行建模，可承受法向載荷，也可承受面內(nèi)張力載荷，網(wǎng)格平均尺寸為20 mm，單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，有限元模型劃分后共有415 143個(gè)單元和406 738個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.5.6 載荷與邊界條件

罐車的載荷主要來自于車輛自重、貨物質(zhì)量及慣性力。因有多種載荷聯(lián)合作用，故需采取逐步施加載荷的方法，第一個(gè)載荷步施加罐車自重產(chǎn)生的重力載荷，即在豎直方向上施加大小為9.8 m/s2的慣性載荷；第二個(gè)載荷步施加物料自重壓力，本文采用液體壓強(qiáng)的方法進(jìn)行加載，即：將滿載時(shí)物料總質(zhì)量，采用均布載荷方式施加在罐體底面上。

半掛車通過牽引銷在牽引車的牽引座上支撐，可簡化為一個(gè)剛性支撐進(jìn)行全約束。半掛車后支座由三個(gè)橋組成的三軸組，是超靜定結(jié)構(gòu)，通過車橋支座支撐在車橋上。各輪支承剛度直接影響其支承的反力，考慮到綜合因素，在懸掛處前進(jìn)方向和垂直方向上進(jìn)行約束。

3.5.7 計(jì)算工況

立式粉罐半掛車在實(shí)際工作中最大工作壓力為0.2 MPa，安全閥整定壓力為0.22 MPa，對罐體內(nèi)部施加均勻的0.22 MPa的壓力載荷。

3.5.8 分析結(jié)果

根據(jù)以上條件，建立了有限元分析模型，在施加載荷和邊界條件后，用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算和求解，得到內(nèi)壓在0.22 MPa情況下的罐體、車架應(yīng)力云圖，如下圖7～9所示，位移云圖如圖10所示。

圖7 罐體應(yīng)力云圖

圖8 罐體局部應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示，整車應(yīng)力分布較為均勻，第一個(gè)錐與第二個(gè)錐之間的過渡區(qū)域應(yīng)力集中較為明顯，應(yīng)力值達(dá)到299 MPa。遠(yuǎn)超過材料的屈服強(qiáng)度，因此需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。

圖9 車架應(yīng)力云圖

圖10 整體位移云圖

最大位移位于第二個(gè)錐體上，最大位移為10.2 mm，筒體整體剛度較好，能夠滿足使用要求。

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

為了解決第一個(gè)錐與第二個(gè)錐之間過渡區(qū)域應(yīng)力集中較為明顯的問題，采取兩種優(yōu)化方案。第一種采用在第一錐與第二錐之間增加加強(qiáng)圈，并將其延伸至車架位置的方案，如圖11所示。第二種是在第一種方案的基礎(chǔ)上增加一道加強(qiáng)圈，具體位置如圖12所示。

在罐體內(nèi)部施加0.22 MPa壓力對罐體進(jìn)行受力分析，兩種方案的應(yīng)力云圖分別如圖13、14所示。

4.2 結(jié)果分析

圖11 改進(jìn)方案1

圖12 改進(jìn)方案2

圖13 改進(jìn)方案1應(yīng)力云圖

圖14 改進(jìn)方案2應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示，整車應(yīng)力分布較為均勻，改進(jìn)方案1與改進(jìn)方案2中第一個(gè)錐與第二個(gè)錐之間的過渡區(qū)域應(yīng)力分別為230 MPa和112 MPa。改進(jìn)方案2中，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，因此，改進(jìn)方案2的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

此型鋁合金立式粉罐半掛車于2015年1～3月進(jìn)行了試驗(yàn)車生產(chǎn)。并按QC/T560-2010《散裝水泥車技術(shù)條件及性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行了罐體強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)[8]。

5.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

a. 罐體焊好后，關(guān)閉人孔蓋及出料蝶閥，罐體無變形情況；

b. 要求外接氣源壓力不低于0 .3 MPa，閥門控制的體積流量約 12 m3/min（ 換算成常溫、常壓下的體積流量，通過外接氣源從進(jìn)氣管道向罐內(nèi)充壓縮空氣）；

c. 向罐內(nèi)充壓至0.2 MPa，穩(wěn)壓3 min，罐體無明顯變形及無滲漏；

d. 繼續(xù)向罐內(nèi)充氣，每增加0.02 MPa，穩(wěn)壓3 min，直至試驗(yàn)壓力為0.3 MPa，穩(wěn)壓5 min，觀察罐體均無明顯變形或滲漏。

5.2 氣密性試驗(yàn)

在罐體強(qiáng)度試驗(yàn)后，對罐體和氣路系統(tǒng)進(jìn)行密封性試驗(yàn)，方法如下：關(guān)閉進(jìn)/卸料口、風(fēng)口、閥門，并向罐體內(nèi)充壓縮空氣，待達(dá)到0.2 MPa的工作壓力后，停止送氣，保持5 min后測量，該罐體氣壓無明顯下降和泄漏情況。

6 結(jié)語

基于彈塑性理論，采用有限元方法分析了鋁合金立式粉罐半掛車在罐體常規(guī)工作壓力情況下的應(yīng)力、位移情況并提出了改進(jìn)措施，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

a. 原方案的第一錐與第二錐間筒體存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到299 MPa，最大位移為10.2 mm。

b. 通過對第一錐與第二錐間加加強(qiáng)圈并延伸至車架，可有效改善應(yīng)力集中問題，改善后的最大應(yīng)力為112 MPa，最大位移為7.28 mm。應(yīng)力在鋁合金5083-H111材料的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，應(yīng)力集中問題得到徹底解決。

c. 通過制作試驗(yàn)車驗(yàn)證，對罐體進(jìn)行強(qiáng)度及氣密性試驗(yàn)，在罐內(nèi)壓力為0.3 MPa時(shí)，罐體無明顯變形及滲漏；試驗(yàn)車銷售后，客戶均反映使用效果良好。

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Optimization Design of Semi-trailer Tank of Aluminum Alloy Vertical Powder Tank

Based on the theory of elastic-plastic finite element method analysis of the aluminum alloy vertical powder tank semi-trailer tank under the condition of normal working pressure of the stress and displacement, the analysis results show that the stress distribution of the vehicle is relatively uniform, but the first cone and the second the transition between the cone area of stress concentration is more obvious. In this paper,the optimization measures are proposed to strengthen the ring between the first and second cones and extend to the frame. The analysis results show that the improved scheme can effectively reduce the stress concentration problem. By making test vehicle and carrying out the test of tank strength and other related tests, the results are good.

vertical powder tank semi-trailer; finite element analysis;lightweight; the optimization design

U469.6+1.02

A

1004-0226(2017)12-0089-06

喬莉，女，1982年生，工程師，現(xiàn)從事技術(shù)研發(fā)及管理方面的工作。

2017-10-18