沙鵬

摘? 要：液體箱憑借其較大的體積容量、較高的安全可靠性能和較靈活便捷的運(yùn)輸方式，在多式聯(lián)運(yùn)和工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在此背景下，該文探究了液體箱強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)，在分析有限元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對液體箱的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及設(shè)計條件進(jìn)行了綜述，并探討了它優(yōu)化參數(shù)的確定方法和材料的選擇，進(jìn)而對液體箱的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行深入探討，旨在為液體箱強(qiáng)度分析和設(shè)計水平的穩(wěn)步提升提供更多參考。

關(guān)鍵詞：液體箱;強(qiáng)度分析;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： TE28? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

當(dāng)前我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會飛速發(fā)展，液體箱在液體運(yùn)輸和氣體儲存與移動式運(yùn)輸?shù)戎T多方面有較廣泛的應(yīng)用，憑借其投資額度小、實(shí)際裝載能力大、運(yùn)輸安全性能高和成本效益強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，得到了各行各業(yè)的廣泛青睞。其具有較高的安全可靠性、穩(wěn)定性和足夠的強(qiáng)度，更是保證液體危險品安全運(yùn)輸?shù)闹匾?。在考慮液體箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)際使用過程中復(fù)雜度不斷提升這一基本前提下，液體箱的設(shè)計往往參照ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范分析，液體箱的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度設(shè)計以及罐體連接部位設(shè)計應(yīng)用水平不斷提升，但強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計仍舊存在一定問題，因此，對液體箱的強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行深入探討與研究有其必要應(yīng)用價值。

1 液體箱強(qiáng)度計算判據(jù)

不論是在液體箱的規(guī)則設(shè)計，還是在液體箱的應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析過程中，強(qiáng)度計算判斷依據(jù)都主要涉及材料應(yīng)力設(shè)計和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計兩大部分內(nèi)容。在液體箱的正常運(yùn)輸過程中，當(dāng)液體箱處于慣性力荷載作用時，罐體、罐體框架甚至連接部位的材料屈服強(qiáng)度除以1.5計算，即：許用應(yīng)力 = Re/1.5 ，盡可能地保證液體箱連接部位在慣性力荷載下正常工作。在液體箱的應(yīng)力分析和強(qiáng)度判斷過程中，根據(jù)液體箱檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)依據(jù)可知，液體箱的板殼單元實(shí)際應(yīng)力判斷對象中心為單元中心點(diǎn)，且應(yīng)選擇表面應(yīng)力值的最大合成值。

在我國，罐式集裝箱的相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中明確指出，罐式集裝箱的有限元計算規(guī)則主要依賴于板、殼單元的分類，判斷對象應(yīng)該為罐式集裝箱的單元中心點(diǎn)和表面應(yīng)力值的最大合成值。也就是說，罐式集裝箱有限元板、殼單元的應(yīng)力表面彎曲應(yīng)力值和中部應(yīng)力值的平均合成值大小，即為罐式集裝箱應(yīng)力值大小的最終確定。在此過程中，罐式集裝箱應(yīng)力值最終合成過程中的平面y方向的合成正應(yīng)力與單元平面x方向的合成剪應(yīng)力，最終得到最大合成應(yīng)力。在慣性力條件下，罐式集裝箱的整體或部分單元的危險截面最大合成應(yīng)力值大小應(yīng)滿足相關(guān)條件。與此同時，根據(jù)國家關(guān)于鋼制壓力容器分析的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程可知，以彈性計算為基礎(chǔ)計算原理的壓力容器分析過程中依照塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則，應(yīng)分別采用應(yīng)力分類的方式精確計算，實(shí)際評定辦法主要根據(jù)板殼結(jié)構(gòu)評定方法相互區(qū)分。對罐式集裝箱來說，當(dāng)罐式集裝箱的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度許用值已知時，局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的使用值為總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度許用值的1.5倍，而一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的許用值應(yīng)為一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度許用值的1.5倍，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度許用值應(yīng)為一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度許用值的3倍。進(jìn)一步分析可知，罐式集裝箱的支座局部、框架局部以及罐式集裝箱罐體和框架連接處局部往往為高壓應(yīng)力區(qū)，同一高壓應(yīng)力區(qū)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評定。由于罐式集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范中，進(jìn)一步將應(yīng)力值控制在許用應(yīng)力值范圍內(nèi)，而按照J(rèn)B4732標(biāo)準(zhǔn)計算時，上述局部高應(yīng)力區(qū)往往存在著二次應(yīng)力的情況，因此，其總應(yīng)力必須控制在3倍許用應(yīng)力范圍內(nèi)，由此可知，罐式集裝箱檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范強(qiáng)度要求過高，較一般情況下的力學(xué)估計和驗(yàn)算過于保守，從而造成罐式集裝箱內(nèi)壁厚度往往較大，造成材料、人力、物力等的浪費(fèi)，也進(jìn)一步增加了罐式集裝箱的整體質(zhì)量，造成運(yùn)輸類設(shè)備的浪費(fèi)。最后，由于罐式集裝箱的各部件往往大多采用塑性、韌性較好的材料，而罐式集裝箱局部發(fā)生塑性變形時，并不會引起罐式集裝箱的整體效能失去，因此，采用JB4732分析方法對罐式集裝箱進(jìn)行設(shè)計，能在一定程度上降低罐式集裝箱設(shè)備成本，也能滿足罐式集裝箱工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸要求，具備較強(qiáng)的科學(xué)性與合理性。

2 有限元分析

在對液體箱的強(qiáng)度設(shè)計進(jìn)行應(yīng)力分類研究時，研究人員須在應(yīng)力分析前對液體箱進(jìn)行有限元分析，從而得到液體箱的整體應(yīng)力分布圖，并給予線性化處理。在液體箱的有限元分析過程中，可利用節(jié)點(diǎn)在液體箱單元外表面、內(nèi)表面甚至中間面的各項應(yīng)力分量，計算出液體箱薄膜應(yīng)力和整體彎曲應(yīng)力值，進(jìn)而根據(jù)薄膜應(yīng)力值和彎曲應(yīng)力值直接計算液體箱實(shí)際探查位置的薄膜應(yīng)力大小，研究液體箱內(nèi)外壁的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度和相當(dāng)應(yīng)力大小。

在對液體箱的實(shí)體單元進(jìn)行有限元分析時，可借助積分理論對其有限元進(jìn)行處理探究?？山柚诤翊笮≈祵Σ煌瑧?yīng)力分量進(jìn)行積分，從而確定液體箱的薄膜和實(shí)際彎曲應(yīng)力值分量大小，由此計算出液體箱應(yīng)力處理線上薄膜的應(yīng)力大小和內(nèi)外壁薄膜彎曲應(yīng)力值大小[1]。

在此基礎(chǔ)上，該文利用三維設(shè)計軟件建立了液體箱的實(shí)體模型。在導(dǎo)入相關(guān)軟件分析液體箱實(shí)體模型圖的基礎(chǔ)上，對實(shí)體模型圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元網(wǎng)格模型。以液體箱的4個底部角件部位全約束為主要條件，將不同情況下的不同荷載分布加載于液體箱對應(yīng)位置，從而經(jīng)過軟件計算，按照液體箱受到內(nèi)壓力、重力和運(yùn)動方向慣性力這一基本受力情況施加荷載時，根據(jù)液體箱整體部位應(yīng)力圖和液體箱框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖可知，不同工況下的液體箱整體應(yīng)力變化值并不大，而液體箱的框架、連接支架等應(yīng)力變化往往較大。同時，液體箱的應(yīng)力往往由內(nèi)壓決定，整個液體箱框架和連接支架的實(shí)際應(yīng)力則受到外在慣性力較明顯的影響。

3 液體箱的優(yōu)化設(shè)計

3.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及設(shè)計條件

罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和強(qiáng)度設(shè)計主要采用第四強(qiáng)度理論。在罐式集裝箱的許用應(yīng)力設(shè)計過程中，選擇某一標(biāo)準(zhǔn)確定罐式集裝箱的許用應(yīng)力是罐式集裝箱強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的重要問題。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確指出，罐式集裝箱整個罐體承受壓力荷載時，必須采用規(guī)則設(shè)定的罐體材料計算許用應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且嚴(yán)格按照相關(guān)國家規(guī)范采取和選用。當(dāng)采用分析設(shè)計的罐式集裝箱方式時，材料設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度和許用應(yīng)力必須按照國標(biāo)4732選擇。一般來說，罐式集裝箱的實(shí)際工作溫度往往為-40 ℃～50 ℃，整個罐式集裝箱的表面工作壓力往往為0.1 MPa～1.97 MPa。

3.2 設(shè)計參數(shù)的確定

由于通常情況下的液體箱工作溫度為-40 ℃～50 ℃，而根據(jù)IMDG（國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則）標(biāo)準(zhǔn)可知，其設(shè)計溫度不應(yīng)低于50 ℃，因此，該文所研究設(shè)計的液體箱優(yōu)化設(shè)計最高溫度為55 ℃，最低設(shè)計溫度為-40 ℃。該文所設(shè)計的液體箱設(shè)計壓力為4 bar。與此同時，進(jìn)一步探究罐式集裝箱的等效壓力、計算壓力、單位容量充裝量、水壓試驗(yàn)以及氣密性試驗(yàn)壓力等，該文所優(yōu)化設(shè)計的液體箱水壓試驗(yàn)壓力值為6 bar，氣密性試驗(yàn)壓力值為1 bar。

就罐式集裝箱運(yùn)輸過程中的等效壓力和計算壓力問題來說，由于罐式集裝箱承受整個內(nèi)部介質(zhì)對其各個部分所產(chǎn)生的各個方向的慣性力，也就存在著不同運(yùn)動方向，甚至與運(yùn)動方向相互垂直的水平方向等應(yīng)力值不同。通過相關(guān)計算可知，罐式集裝箱運(yùn)動方向上的慣性力荷載為2 g，與運(yùn)動方向相垂直的水平方向慣性力荷載為1 g，垂直向上方向慣性力荷載為1 g，垂直向下方向慣性力荷載為罐式集裝箱最大質(zhì)量的2 g[2]。等效計算罐式集裝箱運(yùn)輸過程中的壓力值，應(yīng)取各個方向上的慣性力除以所對應(yīng)力的罐式集中箱所有有效截面值中的最大值。根據(jù)計算可知，縱向運(yùn)動方向上兩個的慣性力荷載轉(zhuǎn)變?yōu)?.06 MPa，也就是說，罐式集裝箱的整個計算壓力值為2.26 MPa。就罐式集裝箱的單位容積充裝量問題而言，由于液化氣液體的罐式集裝箱單位容積充裝量應(yīng)滿足其所裝介質(zhì)50 ℃時，罐式集裝箱罐體內(nèi)部至少保留5%左右的氣相空間。同時，由于50 ℃溫度條件下的罐式集裝箱內(nèi)部介質(zhì)實(shí)際重量不應(yīng)超過罐式集裝箱所允許的最大承載力大小。此外，還應(yīng)進(jìn)一步確保罐式集裝箱罐體在60 ℃的溫度條件下不全部充滿液體。因此，該文所論述的罐式集裝箱單位容積充裝量為530 kg/m3。

3.3 材料的選擇

在選擇液體箱材料材質(zhì)的過程中，由于液體箱所輸送介質(zhì)的特殊性，液體箱在實(shí)際運(yùn)行過程很容易受到周圍環(huán)境及空氣的污染，持續(xù)的拉應(yīng)力很容易對液體箱材料造成損害，因此，在選擇材料時，應(yīng)避免選用較高強(qiáng)度的鋼材，盡可能地采用屈服強(qiáng)度小于355 MPa的材料，且應(yīng)盡可能地選用低溫鋼，保證材料使用狀態(tài)為正火狀態(tài)或正火+回火狀態(tài)，盡可能地降低周圍環(huán)境和不良運(yùn)行條件對液體箱的損害。

3.4 框架設(shè)計

在液體箱的框架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計過程中，借助其連接，強(qiáng)化罐體兩端端頭的焊接，加強(qiáng)對兩端端框的支撐設(shè)計，不斷提高連接框架和罐體部分的緊密程度。與此同時，保證液體箱框架結(jié)構(gòu)尺寸符合ISO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在液體箱有限元分析過程中，確保框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足橫向要求、豎向要求、垂直向上要求和垂直向下的慣性力荷載要求，確保液體箱各模塊荷載承受強(qiáng)度評定等級為安全。此外，針對特殊運(yùn)送條件的液體箱，其有限元分析還應(yīng)通過ISO1496-3 標(biāo)準(zhǔn)中所要求的堆碼試驗(yàn)、吊頂試驗(yàn)等各項力學(xué)試驗(yàn)，確保液體箱底部角柱和角件焊接完成后的承載力符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，更應(yīng)保證框架部分對罐體甚至液體箱閥件的良好防護(hù)作用，避免在使用液體箱的過程中外界突發(fā)事件沖擊力對液體箱的破壞。

4 結(jié)語

在液體箱的優(yōu)化設(shè)計過程中，必須遵循ISO 相關(guān)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)液體箱強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計和外在條件保護(hù)，充分發(fā)揮其自重較小、安全性能較高和容積較大等諸多優(yōu)勢，為工業(yè)經(jīng)濟(jì)的騰飛做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉元勇，馮延伸，陳明華.罐式集裝箱的強(qiáng)度分析[J].制造業(yè)自動化，2015（4）：115-118.