基于等效载荷法对液罐车制动工况下罐体强度分析_赵志国.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 007基于等效载荷法对液罐车制动工况下罐体强度分析赵志国，张磊，徐连高，孙中，刘台凤(淮阴工学院交通工程学院，江苏 淮安223001)摘要:利用有限元法对液罐车制动工况下罐体受力仿真是对其进行优化设计的重要手段。结合等效载荷法对液罐车不同制动加速度下罐体的受力进行仿真，结果表明防波板能够有效地减少液体对罐体的冲击，在满足防波板屈服极限的情况下，充液量为 50%时的最大加速度为 5 m/s2，充液量为 65%时的最大加速度为 4 m/s2，充液量为 80%时的最大加速度为 4 m/s2。研究结果表明在非紧急情况下根据罐内液体装载量进行合理的制动，可以有效避免罐体损坏，为液罐车罐体优化设计提供理论依据。关键词:液罐车;罐体;等效载荷法;强度中图分类号:TH114文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0039 04随着国家经济建设的快速发展，石油、天然气等资源需求量越来越大1。罐车是车体呈罐形的运输车辆，用来装运各种液体、液化气体和粉末状货物。据不完全统计，我国液罐车数量约占货车总数的 18%。运输行业的快速发展，使得装载易燃、易爆、剧毒货物的罐车成为我国资源运输的主要交通工具2。虽然国家政策对液罐车行业给予了大力支持，但是相对于发达国家，我国的罐车行业发展水平还不够高，仍有提升空间。兰州交通大学的余金铃等3 研究了不同行驶工况下液罐车车架的受力情况，结果表明，在颠簸路面车架受到的力最大，存在损坏风险;重庆理工大学的左永刚等4 研究了油罐截面形状对转弯工况下油罐车横向稳定性的影响，结果表明，充液比较低时，窄而高的油罐横向稳定性好，充液比较高时，宽而矮的油罐横向稳定性好;徐燕龙等5 基于谱分析法对船用 LNG(liquefied natural gas)储液罐进行了不同布置方向上的疲劳分析，结果表明，纵向布置时罐体疲劳损伤度最小，结构偏于安全。在现有的文献中，对罐车的研究大多是在指定车速下对罐车进行的多工况研究，并没有考虑不同加速度下液体惯性力对罐体的影响。本文基于等效载荷法对不同加速度下液罐车制动进行罐体强度分析，并将制动工况的液体惯性载荷转换成等效静力施加在罐体表面，该研究对液罐车优化改进具有重要意义。等效荷载法是按照要求把惯性力转变为等效静力，即压力容器中介质的质量与运输状态下在每个方向上设定的加速度相乘。所产生的载荷施加到每个运动的投影表面上，并且将惯性冲击载荷转换成平均运动方向投影表面上的压力。若罐内介质是流体，则可以将流体所受惯性力作静载荷处理，加载方式可分为等效质量法和平均压强法6。等效质量法是将液体的质量加到罐体上，通过改变罐体罐壁的密度来进行简化，没有考虑罐内介质的惯性力对罐体的作用。当罐式集装箱受不同方向的惯性力时，平均压强法将由介质质量产生的惯性力全部作用于罐体对应方向的投影面上，并且认为投影面上每一点产生的压强相等。鉴于以上考虑，本文采用平均压强法进行惯性力加载6。1模型简化与建立1 1模型的简化本文研究的罐体是一个复杂的焊接、装配结合体，在建立模型时忽略焊缝对罐体结构的影响，将焊缝看作是罐体的连续部分，忽略螺纹、罐体上端的加油孔等焊接小部件对罐体强度的影响。不考虑液体流动的影响，未采用流固耦合计算7。1 2模型的建立罐体的几何尺寸:罐体长10 600 mm，横截面收稿日期:2021 02 19基金项目:国家自然科学基金(51675212)作者简介:赵志国(1977)，男，教授，博士，主要从事危化品车辆运输安全技术与装备研究，1413776113 qq com932023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6直径为 2 000 mm，罐体壁厚为 6 mm，封头厚度为 7mm，防波板厚度为 5 mm，防波板人孔直径为 500mm。罐体和防波板的材料均为 Q235，其弹性模量为 2 07 105MPa，泊松比为 0 3，屈服极限为 235MPa;支座和牵引销材料为 16Mn，其弹性模量为2 01 105MPa，泊松比为 0 3，屈服极限为 350MPa。图 1 给出的是罐体剖面图，罐体内的防波板是一个圆形板，每块防波板均开设一个偏置人孔，在安装防波板时人孔呈左右对称分布。图 1半挂液罐车罐体模型剖面图2有限元网格划分与载荷施加2 1网格划分以充液量 50%、65%、80%为例，研究不同加速度下罐体的应力状况。Solid186 和 Solid187 单元是三维实体单元，其每个节点均具有 x、y、z 3 个方向自由度，具有塑性、超弹性、大变形、大应变的能力，因此采用 Solid186 和 Solid187 单元对模型进行网格划分，并且对防波板、封头、罐体底座进行了网格加密处理。此外，对于现有的模型，进行了网格无关性研究。选取了 467 711、526 817、640 931、994 401 四个计算网格，比较了四种情况下充液比为 50%时罐车制动应力情况，结果表明，当网格数量增加到 526 817 以后计算值变化不大，为了节省计算资源，提高计算精度，接下来的数值计算选择526 817 个网格。2 2载荷与边界条件对罐车紧急制动工况分析可知8，紧急制动时汽车的最大加速度为 8 0 m/s2，因此取加速度1 0 m/s2到 8 0 m/s2进行分析，共 8 种工况。其中，罐内液体用液态水的参数来模拟。1)重力载荷:液体介质对罐体壁面有一定的压力。罐体内盛装的液体为水，该介质常温下的密度为 1 103kg/m3，因此根据式(1)得到 50%充液量下液体对罐体下壁面的压强为 9 810 Pa，65%充液量下液体对罐体下壁面的压强为 12 753 Pa，80%充液量下液体对罐体下壁面的压强为 15 696Pa。P=gh(1)式中:P 为液体压强，为液体密度，g 为重力加速度，h 为物体浸在液体中的深度。2)惯性力载荷:忽略防波板的厚度和开孔。设液体质量为 m，罐体体积为 v，加速度为 a，罐体半径为 r，则 50%充液量下罐内液体惯性力 F 为:F=ma=12va(2)惯性力投影方向上的投影面积 S 为:S=12r2(3)平均压强 P 为:P=FS=var2(4)可知，在同样的液体和罐体情况下，平均压强只与加速度有关，因此在相同加速度情况下，不同充液比对应的平均压强相同，只是投影面积的大小不同。据此可以得出不同加速度对应的平均压强，具体见表 1。表 1不同加速度对应的平均压强加速度/(m/s2)1234平均压强/Pa1 514293 028574 542866 05714加速度/(m/s2)5678平均压强/Pa7 571439 0857110 60000 12 114293)位移边界条件:液罐车底部支撑由牵引销和后部梁支座组成，梁支座与底盘固定在一起。牵引销与牵引车相连，可以沿着轴向相对滑动较短的距离，因此综合考虑将牵引销和梁支座设为固定约束。3结果分析根据上面建立的有限元模型，在施加载荷和边界条件之后进行求解，得到罐体最大应力位置及应力值，见表 2。第四强度理论也可以称为畸变能理论(vonMises 理论)，这一理论假设:不管处于什么样的应力状态下，只要构件内任意一处的形状改变能密度达到了材料的极限值，则该点处的材料就会发生塑性屈服9。从表 2 可以看出，在不同减速加速度制动下，罐体最大应力均出现在防波板上，防波板的存在大大减少了筒体所受的力，符合防波板设计的初衷。042023 年第 52 卷机械设计与制造工程表 2不同加速度下的最大应力位置及应力值加速度/(m/s2)最大应力/Pa50%充液量65%充液量80%充液量最大应力位置1456E+075 25E+07602E+07防波板2862E+071 04E+08114E+08防波板3128E+071 50E+08161E+08防波板4170E+081 99E+08206E+08防波板5213E+082 48E+08259E+08防波板6256E+082 98E+08311E+08防波板7299E+083 47E+08363E+08防波板8342E+083 96E+08415E+08防波板在相同充液量下，随着加速度的增加，罐体所受最大应力值也在逐渐变大。在满足罐体不发生屈服破坏的情况下，当充液量为 50%时，罐车制动加速度最大可达到5 m/s2，此时防波板所受最大应力为213 MPa;当充液量为 65%时，罐车制动加速度最大可达到 4 m/s2，此时防波板所受最大应力值为199 MPa;当充液量为 80%时，罐车制动加速度最大可达到 4 m/s2，此时防波板所受最大应力值为206 MPa。从图 2 可以看出，罐体整体最大应力随着加速度的增加而增加，在相同加速度下，随着充液量的增加，罐体所受的最大应力也均在增加。图形整体呈线性分布，这与材料的特性吻合，证明了仿真的正确性。图 3 给出了罐体应力集中的典型位置。图 2不同加速度下罐体最大应力图 3罐体应力集中典型位置图不同加速度下支座最大应力值见表 3，图 4 为不同加速下支座所受最大应力折线图，从图中可以看出，在 50%充液量下支座所受到的最大应力为9 9 MPa，在 65%充液量下所受到的最大应力为12 9 MPa，在 80%充液量下所受到的最大应力为15 6 MPa，应力值均远远小于材料的屈服极限。对比图 2 和图 4 可以看出，液罐车在减速过程中，防波板的应力要大于支座的应力，说明支座受液体惯性力的影响较小。图 5 给出了支座应力集中的典型位置。表 3不同加速度下支座最大应力加速度/(m/s2)最大应力/Pa50%充液量65%充液量80%充液量1980E+06115E+07140E+072981E+06116E+07141E+073983E+06117E+07142E+074985E+06119E+07143E+075988E+06122E+07146E+076991E+06124E+07149E+077995E+06127E+07153E+078999E+06129E+07156E+07图 4不同加速度下支座最大应力图 5支座应力集中典型位置图4结论本文利用等效载荷法对液罐车制动时不同加速度下罐体的受力情况进行了仿真分析，得到以下结论:1)随着制动加速度的增加，罐体受到的应力142023 年第 6 期赵志国:基于等效载荷法对液罐车制动工况下罐体强度分析呈线性增加，与材料的特性相匹配，证明了仿真数据的正确性。2)从罐体的最大应力位置可以看出，防波板能够有效地降低罐车减速过程中液体对罐体的冲击，在满足防波板屈服极限的情况下，充液量为50%时的最大加速度为 5 m/s2，充液量为 65%时的最大加速度为 4 m/s2，充液量为 80%时的最大加速度为 4 m/s2。因此在行驶过程中根据罐内液体装载量进行制动，可以有效避免罐体损坏。3)支座的应力值最大为 15 6 MPa，远远小于材料的屈服极限，可以考虑使用新型材料来代替。参考文献:1HAN Dong，SHEN Bingyun，ZHOU Wei，et al The study of tank-er semi-trailers steering stability on the fluid-structure interactionC/Intelligent Information Technology Application Associa-tion Prcoeedings of the 2011 International Conference of Envi-ronmental Science and Engineering(ICESE 2011 Part B)S l :Intelligent Information Technology Application Associa-tion，2011:369 375 2于鹏程