郝 亮, 劉永強, 廖英英, 鄭 濤

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

基于LS-DYNA的移動式壓力容器側(cè)翻碰撞分析

郝 亮, 劉永強, 廖英英, 鄭 濤

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

運用有限元和瞬態(tài)動力學(xué)的有關(guān)理論和方法對移動式壓力容器動態(tài)側(cè)翻的安全性進(jìn)行了研究。首先采用三維建模軟件建立了移動式壓力容器運輸車的實體模型，然后分別利用有限元分析軟件ANSYS和瞬態(tài)動力學(xué)仿真軟件LS-DYNA對模型進(jìn)行前處理分析和求解計算，得到滿載車速為36 km/h時因過度轉(zhuǎn)彎造成側(cè)翻后，壓力容器罐體、組合支座、車架及牽引銷的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)情況。計算結(jié)果表明：運輸車整體吸收沖擊的能力較強，車架、支座起到了一定的緩沖作用，但壓力容器焊縫的強度需要提高。

壓力容器; 側(cè)翻; 碰撞; 應(yīng)力分析；LS-DYNA

0 引言

經(jīng)統(tǒng)計近年的交通事故表明[1-2]，雖然重型汽車側(cè)翻引起的交通事故比例普遍低于正面、側(cè)面的碰撞，但相比其傷亡率則普遍偏高，尤其是裝載有低溫高壓的工業(yè)氣體時，側(cè)翻對周邊環(huán)境造成的損害也非常之大。由于我國已經(jīng)制定了GB/T17578—1998《客車上部結(jié)構(gòu)強度的規(guī)定》的標(biāo)準(zhǔn)，并且前人已在此基礎(chǔ)上針對大型客車做了比較完善的研究，對客車的側(cè)翻仿真已經(jīng)有了很好的把握。在重型貨車側(cè)翻的研究中，國外的研究相對較少，主要側(cè)重于如何提高重型貨車的抗側(cè)翻能力；而國內(nèi)在側(cè)翻方面的研究主要集中于車架、懸架系統(tǒng)的抗側(cè)翻性能和側(cè)翻后的響應(yīng)，在對重型移動式壓力容器運輸車整體的大型仿真則尚屬空白[3-4]，況且我國重型貨車種類繁雜，種類有十幾種之多，相對造成了對這方面車種整體側(cè)翻碰撞研究的缺失。

本文重點針對某型移動式壓力容器運輸車滿載時在運行狀態(tài)下因轉(zhuǎn)彎而引起的車輛側(cè)翻的情況作分析，并綜合利用SolidWorks、Workbench和LS-DYNA進(jìn)行聯(lián)合動態(tài)仿真，這種方法特別適合解決大型、超大型動態(tài)模型的仿真問題，探索出了一條新的仿真思路，供同行參考。首先利用三維建模軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYS Workbench，建立三維有限元模型，然后根據(jù)實際運行狀態(tài)做適當(dāng)精簡和換算后將仿真條件加載，并用LS-DYNA對其進(jìn)行運算，最后在LS-PREPOST中觀察仿真結(jié)果，為該型移動式壓力容器運輸車的后續(xù)設(shè)計制造提供理論依據(jù)和改進(jìn)方案。

1 三維模型的建立

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，它采用非全約束的特征建模技術(shù)，允許用戶在設(shè)計的任何階段修改模型，同時自動更新與之相關(guān)的模型，因而以其卓越的三維建模能力在三維建模軟件市場中占據(jù)了不少的份額[5]。移動式壓力容器運輸車模型十分復(fù)雜，涉及眾多零部件的建模和裝配等問題，因此采用SolidWorks進(jìn)行建模，其整體裝配模型如圖1所示。

2 有限元模型的建立

ANSYS Workbench是ANSYS公司開發(fā)的新一代產(chǎn)品研發(fā)平臺，不但繼承了ANSYS經(jīng)典平臺在有限元仿真分析上的所有功能，還融入了SolidWorks、Pro/E等CAD軟件強大的幾何建模功能[6]，同時還具有與SolidWorks、PRO/E、UG等CAD軟件無縫轉(zhuǎn)換接口，為本仿真的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

2.1 模型簡化

移動式壓力容器運輸車的模型本身就非常復(fù)雜，加之許多零件的圓角、倒角以及螺紋等非關(guān)鍵特征，不僅給以后的網(wǎng)格劃分造成了很大困難，而且還會不得已增加大量的網(wǎng)格單元，造成大量的計算量的浪費，延長仿真時間，甚至降低了計算精度，結(jié)果得不償失。因此，對有限元模型的化簡是很有必要的，對其進(jìn)行高質(zhì)量的化簡將極大地提高后續(xù)的仿真效率。

本文仿真的重點是壓力容器，車體的受力和形變則不是研究的重點，故可對其作適當(dāng)?shù)幕?。將車頭向后簡化為一質(zhì)量塊，并使質(zhì)量塊的質(zhì)量與原車頭的質(zhì)量一致，有效保證了運輸車慣性沖量的不變；將車輪的外部特征全部刪除，只保留其基本輪廓，并保證輪胎的質(zhì)量不變；將車軸從中間部分刪減，并將刪減的質(zhì)量以等效配重的方式分布在周圍的節(jié)點上[7]；罐體及內(nèi)部的小開孔、圓角、倒角等非關(guān)鍵特征全部刪除?；喓蟮挠邢拊Ｐ腿鐖D2所示。

2.2 材料機械性能

模型中，壓力容器的材料為主要為16MnR，連接螺柱的材料為35CrMoA，凸緣的材料為16MnⅡ，車體及相關(guān)附件的材料為45鋼，表1列出了相關(guān)材料的機械性能[8]。

表1 材料的相關(guān)參數(shù)材料密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比屈服強度/MPa切線模量/GPa16MnR7．82100．34459035CrMoA7．82100．374012016MnⅡ7．92790．33157545鋼7．82100．335581

2.3 接觸設(shè)置

移動式壓力容器運輸車的裝配模型非常復(fù)雜，手動設(shè)置接觸關(guān)系極為耗時，而且容易出現(xiàn)疏漏，造成仿真不準(zhǔn)確。而Workbench本身就具有自動識別接觸關(guān)系的特點，因此在充分利用自動識別接觸功能的基礎(chǔ)上，手動進(jìn)行檢查其接觸情況，并手動為輪胎與軸、螺柱與主梁、左右封頭與筒體等接觸指定接觸類型。

2.4 網(wǎng)格劃分

一個模型的網(wǎng)格質(zhì)量是有限元分析的重要指標(biāo)，質(zhì)量較差的網(wǎng)格會影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致計算失敗，而高質(zhì)量的網(wǎng)格不僅能保證計算的精確性，而且能縮短仿真時間，加快計算速度。本文綜合利用了自由劃分、四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格主導(dǎo)、掃掠以及多區(qū)掃掠的方法，利用全局網(wǎng)格控制和局部網(wǎng)格控制，并綜合手動控制和自動網(wǎng)格來劃分。模型中，螺柱連接、封頭與筒體、筒體與支座等的網(wǎng)格都是有接觸網(wǎng)格劃分，并保證了節(jié)點共享，使之更加符合實際情況。模型整體都是遵循先簡單后復(fù)雜，先劃零散小零件、后劃復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，先局部后整體的原則，并以Mesh Metric的統(tǒng)計數(shù)據(jù)反復(fù)修改各個零部件的網(wǎng)格參數(shù)，不斷提高網(wǎng)格質(zhì)量，保證了網(wǎng)格的最優(yōu)化以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

2.5 條件加載

2.5.1 仿真條件的設(shè)定

本文仿真的移動式壓力容器運輸車側(cè)翻試驗特指其在正常運行狀態(tài)下因過度轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的側(cè)翻，運輸車從開始側(cè)傾到觸地有一個較長的運動過程，這不是研究的重點，對仿真結(jié)果也沒有影響，故無需進(jìn)行仿真分析。從運輸車側(cè)翻觸地的最后一刻開始模擬，直到運輸車基本不再變形為止。只需算出運輸車觸地一瞬間的角速度和直線速度，作為仿真初始條件加載在模型即可[9]。罐體內(nèi)部已充滿液氨，在本仿真中忽略其振蕩對側(cè)翻碰撞的影響，液氨在模型中以點質(zhì)量的形式均勻地分布在罐體內(nèi)部。整個模型的仿真過程中，考慮重力的影響。

2.5.2 側(cè)翻角速度的計算

本模型可通過能量守恒定律計算出觸地時運輸車的角速度，并將之加載。文獻(xiàn)[7]中提到，運輸車接觸地面時的動能為

(1)

也可表示為

(2)

式中,M為運輸車滿載整車質(zhì)量，45 990 kg，仿真假設(shè)液氨完全充滿，并忽略其對側(cè)翻造成的影響；h為運輸開始側(cè)傾時重心的高度和即將觸地時的重心高度之差，890 mm；g為重力加速度，9.8 m/s2;J為運輸車?yán)@轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，3.0×105kg·m2；ω為運輸車?yán)@轉(zhuǎn)軸角速度。

聯(lián)立(1)、(2)式求解得

(3)

計算得

(4)

2.5.3 其他關(guān)鍵字的設(shè)置

對模型定義速度36 km/h，和整體施加重力速度g后，由LS-DYNA EXPORTE模塊輸出K文件，打開K文件設(shè)置內(nèi)存空間、合理的時間步長控制、沙漏控制、能量控制和輸出控制等相關(guān)參數(shù)，以及為提高計算速度而適當(dāng)進(jìn)行質(zhì)量縮放[10]的修改。由于生成的K文件非常龐大，導(dǎo)致計算時間過長，遠(yuǎn)超人力物力所及，故正確設(shè)置這些關(guān)鍵字對提高仿真效率是很有必要的。

2.6 路面的創(chuàng)建

為了盡量減少模型的計算量，本模型中沒有在SolidWorks、或Workbench中建立路面，為了提高路面的可控制性，直接在K文件中利用關(guān)鍵字的相關(guān)參數(shù)建立路面[11]。由于路面的響應(yīng)不在研究范圍之內(nèi)，故將其設(shè)定為剛性。由于實際的路面是有摩擦力作用的，因此需將該剛性路面的摩擦系數(shù)給定，仿真中設(shè)定的剛性路面的動摩擦系數(shù)為0.5。如圖3所示是施加給運輸車的初始條件，下方的平面即為剛性路面。

圖3 移動式壓力容器運輸車計算模型

3 有限元分析及結(jié)果處理

3.1 有限元求解

LS-DYNA是專門用于求解各種二維、三維的幾何非線性結(jié)構(gòu)的大位移、大轉(zhuǎn)動、大應(yīng)變的動力學(xué)問題和材料非線性、摩擦、接觸分離等界面狀態(tài)非線性問題的瞬態(tài)動力學(xué)仿真軟件，具有廣泛的好評和極高的可靠性[9]。LS-DYNA在求解超大型碰撞模型時占用的資源更少、資源利用率更高、求解速度更快，中途由于K文件設(shè)置不當(dāng)可停止糾錯后重新啟動分析，不會造成前面的計算全部浪費。由于K文件的文本可操作性，使得能在K文件中設(shè)置求解參數(shù)和控制參數(shù)，這是其他前處理軟件所做不到的。將得到的K文件輸入LS-DYNA中進(jìn)行運算，并將得到的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到LS-PREPOST中查看仿真結(jié)果。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 仿真整體分析

在LS-PREPOST中即時查看動態(tài)碰撞的受力和變形情況，按預(yù)先設(shè)置好的時間步逐步分析側(cè)翻對移動式壓力容器運輸車造成的整體和關(guān)鍵部件的影響。從LS-PREPOST觀察到，運輸車側(cè)翻與地面發(fā)生碰撞后經(jīng)過與地面的振動和摩擦，使碰撞后的速度逐漸降至零附近，仿真過程結(jié)束。整個過程耗時約1 500 ms。其中，以運輸車與地面的第一次碰撞所造成的影響尤為嚴(yán)重，此次碰撞是造成壓力容器變形的重要因素。圖4為碰撞結(jié)束時的整體狀態(tài)圖。

3.2.2 壓力容器受力分析

側(cè)翻后，壓力容器與路面發(fā)生撞擊，由此而產(chǎn)生一系列振蕩響應(yīng)。隨著速度降低，振蕩逐漸減小，壓力容器各個部位的應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。壓力容器的應(yīng)力響應(yīng)如圖5所示，圖上應(yīng)力響應(yīng)非常明顯的地方有兩處。圖6所示分別為圖5中的兩處應(yīng)力較大的單元1293344、1278194的應(yīng)力曲線。對比圖6的兩條曲線并結(jié)合材料的力學(xué)性能可知，單元1293344即壓力容器尾部的應(yīng)力已經(jīng)超出壓力容器材料屈服極限9.4%、超出焊縫屈服極限12.0%。鑒于以上數(shù)據(jù)，罐體尾部需要重點加強。

圖4 碰撞后整體狀態(tài)圖 圖5 壓力容器應(yīng)力云圖

壓力容器內(nèi)部的防波板的應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖7所示，圖中防波板焊接部位的最大應(yīng)力達(dá)到了450 MPa，這個過程極有可能造成防波板的焊縫產(chǎn)生裂紋；但是在壓力容器罐體的變形上，防波板起到了一定的支撐和防護(hù)的作用，阻止了罐體進(jìn)一步產(chǎn)生變形。

圖6 罐體單元應(yīng)力曲線 圖7 防波板的應(yīng)力云圖

3.2.3 罐體支座受力分析

罐體支座的主要作用是對罐體進(jìn)行支撐。壓力容器側(cè)翻觸地后，，支座也受到不同程度的沖擊，產(chǎn)生了應(yīng)力響應(yīng)，如圖8所示，圖上應(yīng)力響應(yīng)最大的單元為1300952，代表了罐體支座上最危險的單元的應(yīng)力，該單元的應(yīng)力響應(yīng)時間曲線如圖9所示，其應(yīng)力最大時可達(dá)372 MPa，穩(wěn)定后應(yīng)力在325 MPa左右，相對其屈服極限而言，支座在碰撞時是有可能因支座變形而被扯裂，但是范圍不會太大，因此罐體支座只需稍微加強就可以達(dá)到良好的抗損壞能力。

圖8 罐體支座的應(yīng)力云圖 圖9 支座應(yīng)力曲線

4 結(jié)論

綜合應(yīng)用SolidWorks、ANSYS Workbench、LS-DYNA、LS-PREPOST對移動式壓力容器運輸車進(jìn)行了整體三維建模和有限元動態(tài)側(cè)翻仿真，分別得到了壓力容器、支座、車架和牽引銷的應(yīng)力響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，移動式壓力容器達(dá)到破壞極限，需要采用高強度材料制造；與之相連的支座組件所受的影響雖然較大，但是其受力在其材料的可承受范圍之內(nèi)，只需稍微加強即可。綜合考慮移動式壓力容器運輸車的側(cè)翻仿真，與之相連的結(jié)構(gòu)件都出現(xiàn)了不同程度的接近其材料的屈服點，但是都沒有發(fā)生破壞性的失效，它們作為一個整體，吸收了來自路面的沖擊，使得壓力容器的損傷降到最低；但是，壓力容器在左右封頭焊縫處的強度相對比較薄弱，在后續(xù)的制造中應(yīng)適當(dāng)采取措施進(jìn)行加強并輔以相應(yīng)的防護(hù)欄等裝置，以保證壓力容器能有足夠的安全裕度應(yīng)對突發(fā)情況，力求將損失降到最低。

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(責(zé)任編輯 劉憲福)

Side-Tumbling Impact Analysis ofMobile Pressure Vessel Based on LS-DYNA

Hao Liang, Liu Yongqiang, Liao Yingying, Zheng Tao

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

The theories and methods of finite element and transient dynamics are used to study the safety of dynamic side-tumbling of mobile pressure vessel. The physical model of mobile pressure vessel transporter is established by using SolidWorks 3D-modeling software, and then pre-treat analysis and solving are performed by ANSYS finite element analysis software and LS-DYNA transient dynamic software. The dynamic impacting stress response of pressure vessel, combined supports, vehicle frames and traction pin is obtained by side-tumbling on full load at the speed of 36 km/h during over turning. The results show that while the capacity of the whole transporter to absorb impact performs well and vehicle frames and combined supports provide some buffering, the strength of pressure vessel's welds needs to be improved.

pressure vessel; side-tumbling; impact; stress analysis; LS-DYNA

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.11

2013-06-06

郝亮 男 1989年出生 碩士研究生

國家自然科學(xué)基金(10932006、11172182、11227201、11202141、11202142);鐵道部重點項目 (2011J013-A);河北省教育廳項目 (Z2011228)

TH49

A

2095-0373(2014)03-0050-06