蔡加加,劉 晨,瞿繪軍
(1.揚(yáng)州中集通華專用車有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225000;2.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225000)
飛機(jī)運(yùn)油車作為航空業(yè)可移動(dòng)燃料補(bǔ)充裝置,運(yùn)油方量大小關(guān)系到飛機(jī)加油的時(shí)間與效率。目前,國(guó)內(nèi)尚未有對(duì)45 kL以上方量航空運(yùn)油車的研究和制造,以此為契機(jī),根據(jù)航空運(yùn)油車使用和運(yùn)輸情況,揚(yáng)州中集通華專用車有限公司設(shè)計(jì)了一款超大方量(65 kL)的飛機(jī)運(yùn)油車。結(jié)合工作實(shí)際設(shè)計(jì)建立航空運(yùn)油車的三維模型,以ADR(Australian Design Rules)標(biāo)準(zhǔn)為參照,分析向下2G(G為整車重量(含內(nèi)部介質(zhì)))、側(cè)向1G、向上1G、向前2G這4種極限工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文以罐車主要結(jié)構(gòu)(罐體、車架、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu))為研究對(duì)象,對(duì)標(biāo)分析剛度和強(qiáng)度,增設(shè)車架減載槽,同時(shí),以墊板和外側(cè)加強(qiáng)筋的厚度為參數(shù)進(jìn)行多次優(yōu)化以驗(yàn)證罐體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。該車的研制有效填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大方量航空運(yùn)油車型號(hào)空白,切實(shí)有效地滿足國(guó)內(nèi)客戶的使用需求[1]。
近年來,汽車輕量化的趨勢(shì)愈演愈烈,為保證在整車重量不變的情況下,使得單次運(yùn)油的方量有所增加,本次設(shè)計(jì)采用了全鋁制材料。鋁制材料按照GB18564.1—2019《道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛第1部分:金屬常壓罐體技術(shù)要求》,其斷后伸長(zhǎng)率大于等于12%,相鄰焊接材質(zhì)應(yīng)采用同質(zhì)材料。模型采用EN14286的標(biāo)準(zhǔn)延伸率為12%的H321材質(zhì),屈服強(qiáng)度Rp0.2為220 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm為305 MPa[2-3]。依據(jù)JB/T4732—2002《鋁制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn),許用應(yīng)力要求Rm/4和Rp0.2/1.5取小值,材料許用應(yīng)力為76.25 MPa。
由于航空業(yè)飛機(jī)運(yùn)油車輛使用存放環(huán)境的限制,其外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與常規(guī)的罐車有本質(zhì)的區(qū)別。為降低整車質(zhì)心高度、減少罐車側(cè)翻可能,整車結(jié)構(gòu)采用V形對(duì)接,封頭和防浪板采用凹凸結(jié)構(gòu),整車采用市場(chǎng)上運(yùn)用比較廣泛的鞍座式結(jié)構(gòu),具體如圖1所示。
圖1為利用UG軟件建立的大方量航空運(yùn)油車三維模型,基于該模型分析ADR 4種極限工況下筒體、車架處重要焊縫的應(yīng)力情況,結(jié)果見表1[4]。
圖1 航空運(yùn)油車結(jié)構(gòu)模型
表1 各工況下外側(cè)加強(qiáng)筋根部焊縫處應(yīng)力 MPa
由于航空飛機(jī)加油車使用過程中剎車情況較為頻繁,向前工況下車輛點(diǎn)頭現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在向前2G工況下,存在介質(zhì)沖擊時(shí)有能量累計(jì)的過程。此時(shí),車架區(qū)域的焊縫應(yīng)力較大。在向下2G工況下,即過凸輪凸包時(shí),筒體的應(yīng)力相對(duì)較大。限于文章篇幅,本文僅展示向下2G時(shí)筒體和車架應(yīng)力云圖,分別如圖2、圖3所示。
圖2 向下2G工況筒體應(yīng)力云圖
圖3 向下2G工況車架應(yīng)力云圖
為解決上述方案中筒體和車架應(yīng)力過高的問題,以外側(cè)加強(qiáng)筋的厚度為參數(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。在此基礎(chǔ)上,改進(jìn)筒體和車架的結(jié)構(gòu),增設(shè)車架卸載槽,對(duì)罐車進(jìn)行整體力學(xué)性能的二次優(yōu)化[5]。
加強(qiáng)筋與墊板相連,墊板與筒體緊密相連,因此以墊板與加強(qiáng)筋的厚度t為優(yōu)化參數(shù)。分別選擇t=8 mm、10 mm、12 mm作為墊板和外側(cè)加強(qiáng)筋優(yōu)化對(duì)比參數(shù),結(jié)合本文筒體和車架實(shí)際應(yīng)力較大區(qū)域位置,分析筒體和車架的應(yīng)力,具體結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 不同厚度加強(qiáng)筋下筒體應(yīng)力
圖5 不同厚度加強(qiáng)筋下車架應(yīng)力
從圖4和圖5的分析結(jié)果可以看出:隨著墊板和外側(cè)加強(qiáng)筋的厚度增加,在一定程度上有效降低了筒體和車架的應(yīng)力,但是與材料的許用應(yīng)力相比較,尚未達(dá)到要求。為盡量提高罐車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,墊板和外側(cè)加強(qiáng)筋厚度均選擇t=12 mm。
結(jié)合罐體結(jié)構(gòu),在變截面位置給筒體增設(shè)V形貼板、在車架腹板開設(shè)減載槽以優(yōu)化罐車性能,減載槽結(jié)構(gòu)如圖6所示。因篇幅影響,V型貼板在本文中暫不討論,本文主要討論有無減載槽對(duì)筒體、車架的影響,具體如圖7、圖8所示。
圖6 減載槽示意圖
圖7 有、無減載槽筒體應(yīng)力對(duì)比
圖8 有、無減載槽車架應(yīng)力對(duì)比
從圖7、圖8中可看出:增加了減載槽的筒體和車架應(yīng)力有所下降。因此,為解決零件的應(yīng)力集中問題,提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度,可采用減載槽結(jié)構(gòu)改變零件的力流線來降低應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。
針對(duì)航空業(yè)較為急需的大方量飛機(jī)加油車建立模型并進(jìn)行極限工況仿真分析,提出優(yōu)化支架墊板和加強(qiáng)筋厚度方案,同時(shí),通過增加車架豎筋板減載槽形式進(jìn)一步進(jìn)行卸載。具體結(jié)論如下:
(1)隨著支架墊板和外側(cè)加強(qiáng)筋板厚度增加,筒體應(yīng)力和車架應(yīng)力有一定下降。
(2)通過對(duì)罐車后車架增設(shè)減載槽結(jié)構(gòu),有效降低了筒體和車架的應(yīng)力。