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        淺談液體罐式運(yùn)輸車(chē)罐體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

        2018-12-03 08:25:18謝忠輝
        機(jī)電工程技術(shù) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:罐式罐車(chē)運(yùn)輸車(chē)

        謝忠輝

        (東莞市永強(qiáng)汽車(chē)有限公司,廣東東莞 523400)

        0 引言

        圖1 液罐車(chē)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

        液體罐式運(yùn)輸車(chē)主要是通過(guò)車(chē)輛上自帶的罐式容器,將介質(zhì)從一個(gè)地方運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的運(yùn)輸車(chē)輛(圖1)。有些罐式運(yùn)輸車(chē)還自帶多種功能模塊,能完成不同的專用功能,比如飛機(jī)運(yùn)加油車(chē)等。罐式運(yùn)輸車(chē)有多種,而使用最多的卻是運(yùn)輸危險(xiǎn)液體的危險(xiǎn)品液罐運(yùn)輸車(chē)。由于液體像汽柴油都存在蒸汽且溫度高會(huì)發(fā)生膨脹,一般危險(xiǎn)品液罐車(chē)均保有5%的膨脹容積。而液罐運(yùn)輸車(chē),特別是大容量的液罐車(chē)在曲線、加速、減速、坡道行駛時(shí),在未裝滿的情況下,會(huì)發(fā)生質(zhì)心轉(zhuǎn)移,影響其行駛穩(wěn)定性。因此在油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需采取有效措施,給介質(zhì)的流動(dòng)增加阻力,減少液體的質(zhì)心的過(guò)度轉(zhuǎn)移。在實(shí)際應(yīng)用中,主要是在罐內(nèi)增加阻浪板,可有效減少浪涌對(duì)罐體和整個(gè)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)的圖形技術(shù),真實(shí)而精確地描述產(chǎn)品的幾何特性及各零件之間的相互關(guān)系,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB18564的要求,模擬罐體幾種極限工況下對(duì)整體的影響,通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行預(yù)先檢驗(yàn)和修正,分析罐體受力情況及其頻率進(jìn)行分析,增加車(chē)輛穩(wěn)定性[1]。

        1 模型建立

        1.1 罐體材料的選型

        液體罐式運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)多種多樣,而標(biāo)準(zhǔn)GB18564附錄B中危險(xiǎn)品能被罐式運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸?shù)臄?shù)量就有36種,罐式車(chē)輛作為危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)淖畲笕后w,主要承擔(dān)壓縮氣體、液化氣體及液體物質(zhì)運(yùn)輸,所運(yùn)貨物性質(zhì)包括易燃、易爆、腐蝕及毒性等。[2]而主要罐體的材料主要就是鋁合金、304不銹鋼、316不銹鋼。根據(jù)介質(zhì)的不同,可以采用不同的材料。

        液罐車(chē)經(jīng)常運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)主要是汽柴油。汽柴油本身物理特性比較穩(wěn)定,對(duì)板材腐蝕性較小,但由于其易燃易爆也需要做特別的設(shè)計(jì)。比如罐內(nèi)的浪涌的摩擦不能產(chǎn)生大量的靜電,否則會(huì)讓介質(zhì)爆炸。因此,在大多數(shù)的汽柴油運(yùn)輸車(chē)上,都是使用鋁合金材質(zhì)作為罐體的材料。鋁合金與油摩擦,靜電倒除容易,而且質(zhì)量輕,能使車(chē)輛承載的介質(zhì)增多,具有多種實(shí)用價(jià)值。而國(guó)內(nèi)液罐運(yùn)輸車(chē)的主要使用的鋁合金材料為牌號(hào)為5083的鋁合金,其物理特性如表1所示[3]。

        表1 材料屬性

        1.2 液體罐式運(yùn)輸車(chē)UG模型

        將液罐車(chē)按其功能區(qū)分,可分為行走支撐部分的底盤(pán)、副車(chē)架等結(jié)構(gòu),用于貯存介質(zhì)的罐式容器結(jié)構(gòu),作為安全附件的側(cè)護(hù)欄、爬梯、消防裝置等。罐體及附件通過(guò)螺栓或者其他的活連接方式與底盤(pán)連接,底盤(pán)對(duì)上裝的作用力與罐體內(nèi)部應(yīng)力綜合對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)定性有決定性的影響。

        用CAM軟件模擬罐車(chē)的工作狀態(tài),進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析,找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中及較大位置以及各部件的固有頻率,對(duì)液體罐式運(yùn)輸車(chē)的設(shè)計(jì)和改良有很大的指導(dǎo)意義。本文作者選用某公司典型的易燃液體罐式運(yùn)輸車(chē)為例進(jìn)行分析,主要介質(zhì)是汽柴油,其主要的參數(shù)如表2所示。

        表2 液罐車(chē)參數(shù)

        根據(jù)參考液罐車(chē)實(shí)車(chē)結(jié)構(gòu),將罐體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后進(jìn)行三維建模工作,模型主要反映的是罐體和主要用于罐體與底盤(pán)固定部分的主要結(jié)構(gòu),如圖2所示的易燃液體罐式運(yùn)輸車(chē)的罐體UG三維模型。

        1.3 有限元模型建立

        圖2 易燃液體罐式運(yùn)輸車(chē)的罐體的UG模型圖

        在建立模型時(shí),不考慮焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,將焊縫與各部件看作一個(gè)連續(xù)體[4],對(duì)罐式運(yùn)輸車(chē)的罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,主要采用殼單元模擬,單元大小約為22 mm,厚度取各自設(shè)計(jì)值。罐體各質(zhì)量件按照各部件重量,采用質(zhì)量單元模擬(圖3)。罐體內(nèi)壁施加垂直于壁面0.2 MPa壓強(qiáng)。罐體和底座采用剛性連接,螺栓連接處定義節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行簡(jiǎn)化(圖4)。整個(gè)模型單元共765 953個(gè),節(jié)點(diǎn)597 524個(gè)。將罐內(nèi)的15 t介質(zhì)以7個(gè)質(zhì)量點(diǎn)方式平均分布于罐體(兩端封頭+5段罐體)的回轉(zhuǎn)中心軸線上,并與罐體內(nèi)壁耦合。

        圖3 罐殼整體有限元模型

        圖4 罐殼內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)有限元模型

        2 液罐車(chē)模態(tài)分析計(jì)算工況

        2.1 靜強(qiáng)度

        在標(biāo)準(zhǔn)GB18564.1-2006的5.4.2.2條款中規(guī)定,罐體在運(yùn)輸工況中所承受的靜態(tài)力按下列原則確定。

        (1)縱向:最大充裝質(zhì)量乘以2倍的重力加速度;

        (2)橫向:最大充裝質(zhì)量乘以重力加速度;

        (3)垂直向上:最大充裝質(zhì)量乘以重力加速度;

        (4)垂直向下:最大充裝質(zhì)量(包括重力作用的總負(fù)荷)乘以2倍的重力加速度[5]。

        根據(jù)如上要求,此處規(guī)定靜強(qiáng)度計(jì)算包含6個(gè)工況,如表3所示,此6種工況涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)要求的方面,并考慮到加速、減速、轉(zhuǎn)彎和顛簸工況。

        表3 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

        2.2 疲勞工況

        疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況如表4所示。

        表4 疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況

        3 液罐車(chē)模態(tài)分析

        3.1 靜強(qiáng)度

        在整車(chē)設(shè)計(jì)中,會(huì)不可避免地存在一些尖角、對(duì)接溝槽等,產(chǎn)品應(yīng)力集中于此,而應(yīng)力集中部位則是大多數(shù)結(jié)構(gòu)失效的原因。在應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力的最大值(峰值應(yīng)力)與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。在有限元分析中,通過(guò)對(duì)罐體不同部位進(jìn)行應(yīng)力分量計(jì)算并歸類(lèi),對(duì)不同部位的應(yīng)力分量分別計(jì)算其主應(yīng)力,進(jìn)而得到各不同部位的應(yīng)力強(qiáng)度,[6]分析最大應(yīng)力的部分,能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。而根據(jù)以上的靜強(qiáng)度計(jì)算工況,計(jì)算所得各種工況的最大應(yīng)力情況如表5所示,整體的應(yīng)力大點(diǎn)主要分布在副車(chē)架上面,而罐體上的應(yīng)力相對(duì)較小,但各工況的最大應(yīng)力值都小于材料的屈服強(qiáng)度,因此罐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

        3.2 固有頻率

        液罐車(chē)固有振型有罐車(chē)的整體振動(dòng)和以罐車(chē)一個(gè)或幾個(gè)部分振動(dòng)為主的局部振動(dòng)兩大類(lèi)。文中主要考慮局部振動(dòng)模態(tài)。根據(jù)以上的條件進(jìn)行計(jì)算,液罐車(chē)的固有頻率計(jì)算前六階如表6所示。

        表5 應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        表6 各部件模態(tài)的共振頻率

        通常,路面不平是汽車(chē)振動(dòng)的基本輸入,頻率范圍[7]約為0.5~25 Hz。解決在隨機(jī)不平路面激勵(lì)下,液罐車(chē)整車(chē)機(jī)零部件的振動(dòng)問(wèn)題,是提高汽車(chē)平順性、安全性和可靠性的基礎(chǔ)。通過(guò)液罐車(chē)的固有頻率計(jì)算,其第一階的固有頻率為26.88 Hz,此頻率已經(jīng)大于路面激勵(lì),也大于大部分的內(nèi)在頻率,可以確定外界頻率的激勵(lì)對(duì)液罐車(chē)整車(chē)的各階模型的影響可以忽略。

        3.3 疲勞強(qiáng)度分析

        疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示,由表7可見(jiàn),各工況的最大應(yīng)力均低于DVS 1608-2011規(guī)定的相應(yīng)材料的最大許用應(yīng)力,利用系數(shù)均不大于0.30,具有較高的強(qiáng)度裕量[8]。

        表7 疲勞計(jì)算工況應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        4 結(jié)束語(yǔ)

        根據(jù)以上對(duì)液罐車(chē)罐體的結(jié)構(gòu)分析,可以看出液罐體所選用的鋁合金材料和設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要;固有頻率的分析說(shuō)明液罐車(chē)的固有頻率較高,比路面隨機(jī)頻率高且比液罐車(chē)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的頻率高,因此外界對(duì)其影響較小??傮w來(lái)說(shuō),此型液罐的罐體設(shè)計(jì)符合整車(chē)穩(wěn)定性的要求。

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