葉德宏 姜祖勇

（江蘇澳瑞凱板橋礦山機械有限公司）

隨著工業(yè)散裝炸藥在國內(nèi)的不斷推廣應(yīng)用，現(xiàn)場混裝炸藥車在國內(nèi)民用爆破行業(yè)的保有量也越來越多，目前全國各種類型的現(xiàn)場混裝炸藥車保有量超400臺。作為工業(yè)散裝炸藥技術(shù)推廣應(yīng)用的重要一環(huán)，現(xiàn)場混裝炸藥車不僅作為炸藥原料裝載運輸?shù)膯卧?，又是進行現(xiàn)場裝藥的核心設(shè)備。

1 概述

現(xiàn)場混裝炸藥車（下稱“混裝車”）除了進行公路運輸遠程投遞外，更多時間在礦山道路和爆破作業(yè)平臺上行駛作業(yè)；混裝車能夠穩(wěn)定安全的工作，特別是承載主要原料和輸送設(shè)備的箱體能夠滿足復(fù)雜惡劣的路況和使用過程中的各種工況，在正常設(shè)計使用年限內(nèi)不會因箱體設(shè)計的結(jié)構(gòu)和強度問題，出現(xiàn)箱體變形、破損、結(jié)構(gòu)件斷裂等現(xiàn)象，進而造成各種生產(chǎn)問題和安全隱患，這就對原料罐體的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計提出了很高的要求［1］。同時上路行駛的危險品運輸?shù)妆P有總質(zhì)量限制，料倉結(jié)構(gòu)強度提升后造成載料量下降過多也不符合經(jīng)濟效益；所以既減輕裝備質(zhì)量、增加物料裝載質(zhì)量，又能滿足強度使用要求尤為重要。

本研究簡述一款混裝車乳化基質(zhì)料罐的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計、料罐材料選擇，并對設(shè)計的箱體進行材料和結(jié)構(gòu)強度驗證［2-3］。

2 模型建立及有限元分析

2.1 箱體結(jié)構(gòu)簡介

該乳化基質(zhì)料罐如圖1所示，長度為3 175 mm，寬度為2 295 mm，高度為2 250 mm。箱體和支架材料是采用2種鋁合金材料焊接而成，所有拼接部位全部滿焊。

原始模型使用SolidWorks2013建立模型，使用Rhinoceros CAD軟件將實體模型轉(zhuǎn)換為表面模型，為有限元建模做準備。

圖1為乳化基質(zhì)罐體的縱向剖視圖，罐體內(nèi)部分2個獨立的倉，中間隔開，倉的容積依據(jù)炸藥配方比例設(shè)計，存儲的量不一樣；2個倉可同時裝滿基質(zhì)，也可以分開獨立使用，倉底部設(shè)計成坡度錐形向罐體底部匯聚，出料口就設(shè)置的在最底部，便于基質(zhì)排空。

2.2 建立有限元模型

乳化基質(zhì)罐的有限元模型是根據(jù)Rhinoceros CAD幾何模型生成，由大型有限元分析軟件Strand7建立，模型由一個4節(jié)點的四邊形主導(dǎo)板/殼單元網(wǎng)格組成，網(wǎng)格代表了乳化基質(zhì)罐的外殼、底部支架、防溢出槽。乳化基質(zhì)罐的底部支架安裝到混裝車大梁，使用剛性連接進行建模。

用于乳化基質(zhì)罐分析的有限元模型如圖2所示。乳化基質(zhì)和硝銨粒料罐的有限元模型質(zhì)量列于表1，表1中滿載質(zhì)量包含罐體質(zhì)量。

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乳化基質(zhì)罐有限元模型由67 868個板殼單元、181個剛性桿件、2個釘桿件和67 623個節(jié)點組成。檢查網(wǎng)格質(zhì)量和密度，確定適合模型。

2.3 材料特性

乳化基質(zhì)罐使用的鋁合金材料分2種:用于底部支架、安裝板和水平約束點連接支架，機械性能與EN-AW 5083-H34級鋁相同；其余罐壁和結(jié)構(gòu)部件使用EN-AW 5083-O/H111級鋁。用于有限元分析對比的乳化基質(zhì)罐鋁材力學(xué)性能表見表2。

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在有限元分析中采用雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線表征5083-O/H111級鋁的非線性材料性能。

雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線以2條直線段描述材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，見圖3。此模型適用于各向同性材料的小應(yīng)變問題，包括大多數(shù)金屬材料。

雙線性應(yīng)力應(yīng)變簡化公式和模型如下。

式中，σ為應(yīng)力，MPa，N/mm2；E為彈性模量，MPa，N/mm2；E1為屈服彈性模量，GPa；ε為應(yīng)變，無量綱常用百分數(shù)表示；εs為屈服極限應(yīng)變；σs為屈服極限應(yīng)力，MPa。

2.4 載荷和工況邊界條件

進行有限元模擬分析主要是計算乳化基質(zhì)罐固定在底盤上后，在滿載情況下靜置、移動運輸和正常使用過程中，遇到極端工況下乳化基質(zhì)的變形和應(yīng)力情況，對結(jié)構(gòu)的強度驗證和后續(xù)更改提供幫助。

經(jīng)過對比歐洲關(guān)于危險貨物國際公路運輸?shù)膮f(xié)議2012版（簡稱ADR）中6.8.2.1.2節(jié)內(nèi)容［4］和國家標準道路運輸液體危險貨物罐式車輛第一部分金屬常壓罐體技術(shù)要求5.2.2.2項［5］，二者標準是近似的，這里以ADR標準進行舉例說明。

（1）在最大允許負荷下，儲罐及其緊固件應(yīng)能在最大允許載荷下吸收下列因素產(chǎn)生力量；在行進方向:載荷質(zhì)量的2倍；與運動方向成直角的總質(zhì)量；垂直向上為總質(zhì)量；垂直向下為2倍的總質(zhì)量。

（2）罐形容器及其緊固件在最大允許載荷下，應(yīng)能吸收與下列所施加的相等的力。在運動方向為總質(zhì)量的2倍；水平方向與運動方向成直角時為總質(zhì)量（當運動方向不確定時，為各方向總質(zhì)量的2倍）；垂直向上為總質(zhì)量；垂直向下為總質(zhì)量的2倍。

ADR協(xié)議的描述是要求計算本罐體在運輸工況中所承受的慣性力載荷時，最大質(zhì)量為最大允許裝載的乳化基質(zhì)質(zhì)量，計算罐體和附件連接在底盤上的運輸工況中承受慣性力載荷時，最大質(zhì)量為最大允許裝載的乳化基質(zhì)質(zhì)量、罐體質(zhì)量、附件質(zhì)量之和。各工況為在前進方向進行加速行駛和緊急制動，過彎時的離心力，顛簸時向上的慣性載荷以及向下的慣性載荷；下面以罐體空載和兩個獨立罐滿載乳化基質(zhì)量以及依據(jù)ADR要求列出運動工況載荷進行列表說明，表中X、Y、Z代表三維空間坐標，+、-代表方向。

2.4.1 空罐體載荷

將ADR中規(guī)定的定向載荷相對應(yīng)的空罐體應(yīng)用于表示空載的乳化基質(zhì)罐的有限元模型。表3總結(jié)了空載罐體載荷情況。

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2.4.2 裝載載荷

在罐體上施加正壓載荷，模擬ADR要求的定向載荷相對應(yīng)的乳化基質(zhì)靜壓力分布。基質(zhì)靜壓分布選擇計算的產(chǎn)品密度為1 350 kg/m3。荷載情況總結(jié)在表4中。

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在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置：①雙線性應(yīng)力應(yīng)變曲線假設(shè)極限強度發(fā)生在20%應(yīng)變時；②完全反向應(yīng)力（應(yīng)力幅度）。

2.4.3 約束條件

對于乳化基質(zhì)罐，在底部支架底板螺栓連接上施加平移約束（DX，DY）。在底部支架的底部應(yīng)用彈性支撐，以防止垂直方向（DZ）的移動。對于代表頂部連接限位支點的剛性桿件，采用DX、DY和DZ組合水平剛性彈簧模擬栓接。

2.4.4 組合荷載

根據(jù)上述中描述規(guī)定的設(shè)計荷載，基于空載和滿載的線性疊加產(chǎn)生組合荷載。組合結(jié)果情況見表5。

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2.5 分析

對乳化基質(zhì)儲罐有限元模型進行了考慮材料非線性特性的靜力結(jié)構(gòu)分析。計算結(jié)果中列舉了結(jié)構(gòu)位移量等值線圖和馮米斯等效應(yīng)力等值線圖（圖4~圖10），馮米斯應(yīng)力沒有力的方向性指標，屬于標量，使用應(yīng)力等值線來表示模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，它可以清晰地描述出一種結(jié)果在整個模型中的變化，從而快速地確定模型中的最危險部分。由于篇幅原因只取幾幅冠梁數(shù)值較大圖形作為展示說明。

（1）在行進方向為載荷質(zhì)量的2倍。

（2）與運動方向成直角的總質(zhì)量；罐體基本對稱取一個方向等值線圖展示。

（3）垂直方向為總質(zhì)量。

（4）垂直向下為總質(zhì)量的2倍。

2.6 分析結(jié)果

2.6.1 變形撓度和應(yīng)力

變形撓度和應(yīng)力結(jié)果總結(jié)在表6中。

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在這個分析中，忽略了螺栓連接附近的局部應(yīng)力。模型未考慮受拉螺栓、結(jié)構(gòu)、底板表面接觸和摩擦受力。

2.6.2 結(jié)果總結(jié)

根據(jù)表6中計算總結(jié)的最大變形撓度和應(yīng)力值，可以看出2.0g水平載荷（-X）（混裝車在行駛中緊急剎車）的工況為最為嚴重的載荷工況，應(yīng)力值為145 MPa，分析載荷峰值應(yīng)力超過了5083-O/H111級鋁的屈服應(yīng)力，但小于5083-O/H111級鋁5×108次循環(huán)時的疲勞應(yīng)力幅值150 MPa。

生產(chǎn)建議如下。

（1）焊接結(jié)構(gòu)板和截面的連接應(yīng)采用與連接構(gòu)件最小厚度強度相當?shù)娜竿笇雍缚p或連續(xù)角焊縫。

（2）底部支架安裝板和水平約束桿連接支架應(yīng)使用與EN-AW 5083-H34級鋁相同的結(jié)構(gòu)板和截面。

（3）所有剩余的結(jié)構(gòu)部件應(yīng)使用相當于EN-AW 5083-O/H111級鋁的結(jié)構(gòu)板和截面。

（4）為保證固定螺栓的牢固可靠，所有連接用的固定螺栓設(shè)置相應(yīng)的擰緊力矩。因為不同的人擰螺栓時所用的力不同，有時光憑感覺不可靠。

3 結(jié)論與建議

對乳化基質(zhì)罐結(jié)構(gòu)進行有限元分析得出，本設(shè)計符合ADR 2012標準第6.8.2.1.2節(jié)對設(shè)計荷載條件的要求。乳化基質(zhì)箱在正常運輸和作業(yè)情況下不會發(fā)生破壞。乳化基質(zhì)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后的驗證，實物驗證存在成本高、安全風險和耗時長的問題，本研究介紹的鋁合金為原料的乳化基質(zhì)箱體達到了輕量化的目的，同時使用有限元進行模擬仿真分析方法大幅降低了現(xiàn)場混裝炸藥車的原料罐體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計驗證的成本，縮短了設(shè)計到產(chǎn)品定型的時間。