夏德偉，王雪飛，史文寶

(遼寧忠旺集團(tuán)北京技術(shù)與發(fā)展中心， 北京 100026)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)的不斷提高以及人們生活的改善，城市建設(shè)及規(guī)劃一直都是重中之重，瀝青作為道路和建筑中必不可缺的材料，其需求量日益增大，對(duì)瀝青罐車(以下簡(jiǎn)稱瀝青車)的需求也與日俱增。運(yùn)輸瀝青的路況不比城市道路，因此，對(duì)罐車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度分析十分必要。有限元作為一種通用的分析手段，以其精準(zhǔn)、快速、便捷的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)瀝青罐車進(jìn)行有限元分析，了解并掌握其在運(yùn)輸過程中結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度及剛度狀態(tài)，對(duì)罐車的使用壽命、部件更換及故障進(jìn)行精確的掌握及預(yù)測(cè)有著重要的指導(dǎo)意義。同樣在對(duì)罐車的優(yōu)化設(shè)計(jì) 、縮短開發(fā)周期及降低生產(chǎn)成本等方面也有著重要價(jià)值。

筆者主要對(duì)鵝頸式瀝青車進(jìn)行有限元仿真分析，了解該車在結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度上的優(yōu)缺點(diǎn)，為瀝青車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化

瀝青車主要由罐體和車架組成，如圖1所示。罐車罐體長9.7 m，高1.9 m，寬2.3 m，由三塊材料為5454-0的鋁合金板焊接而成。罐體截面近似梯形，屬于上窄下寬型，這樣的結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性能。且整車質(zhì)心高度比市場(chǎng)上同種類型的罐車低100～300 mm。罐體內(nèi)部由防浪板、隔艙板、左右對(duì)稱的T字型材及底部加強(qiáng)板等組成，彼此通過焊接連接。整個(gè)罐體分為三層：內(nèi)層為5454-0鋁合金板材，中間為巖棉材質(zhì)的保溫層，外層為Q235B熱軋板。車架為鵝頸式結(jié)構(gòu)，主要材料為6082-T6。

圖1 鵝頸式瀝青車3D數(shù)模

模型處理過程中忽略非主要承載件，去掉側(cè)防護(hù)及懸架系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化模型，將罐車殼體看成一個(gè)連續(xù)體。在不影響罐車整體強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，忽略罐體和車架上的倒角、小孔以及小附件等。

1.2 網(wǎng)格處理

對(duì)模型進(jìn)行抽中面處理，用殼單元模擬型材及板材，螺栓連接及焊接的連接方式如圖2所示。單元信息如表1所列。

表1 單元信息

圖2 有限元模型及連接方式

1.3 材料屬性

該瀝青車除了牽引板以及連接懸架的連接板采用Q345B，其余結(jié)構(gòu)部件均采用高強(qiáng)度鋁合金材料。罐車殼體及內(nèi)部防浪板和隔艙板采用5454-0鋁合金，該鋁合金屬于鋁鎂合金系，鎂的含量低于3%，具有較強(qiáng)的耐晶間腐蝕能力，常被用作制造高溫工作環(huán)境的容器或海洋管道設(shè)備等長期處于腐蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)部件。罐體內(nèi)部支撐筋采用6061-T6鋁合金，車架采用6082-T6鋁合金。

根據(jù)JBT04734-2002[1]以及GB/T1591-2008[2]規(guī)定，罐車材料屬性如表2所示。

表2 瀝青車材料屬性 /MPa

瀝青具有極復(fù)雜的化學(xué)組成，在不同的溫度區(qū)域具有不一樣的流動(dòng)狀態(tài)。瀝青粘度隨溫度的升高而降低，高溫下的瀝青接近牛頓流體，但低于200℃下的瀝青仍具有相當(dāng)?shù)恼扯戎礫3]。因此，運(yùn)輸中瀝青對(duì)罐車的沖擊遠(yuǎn)小于油或水的沖擊。本文以水的密度代替瀝青的密度，設(shè)計(jì)安全系數(shù)高于一般罐車。

2 剛度分析

2.1 抗扭剛度

抗扭剛度的大小直接影響罐車在崎嶇路面行駛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此十分有必要對(duì)車身進(jìn)行抗扭剛度分析。將罐車一側(cè)懸架耦合到一點(diǎn)，施加垂向載荷1 000 N，另一側(cè)施加-1 000 N，這樣就形成一對(duì)力偶；約束牽引板處節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度。具體約束及位移云圖如圖3所示。

根據(jù)材料力學(xué)[4]，罐車單位長度上的抗扭剛度為:

(1)

式中：GIp為抗扭剛度(N·m2/rad)；me為力偶矩(N·m)；F為形成力偶的載荷(N)；L為力偶臂(m)；l為軸距(m)；φ為罐體的扭轉(zhuǎn)角度(rad)。

當(dāng)φ足夠小時(shí)：

(2)

式中：ΔUz為兩加載點(diǎn)的垂向位移差。

則式(1)為:

(3)

通過計(jì)算可知，罐車的抗扭剛度為4.13e5 N·m/(°)，滿足整車剛度需求。

圖3 抗扭剛度邊界條件及位移云圖

2.2 抗彎剛度

選取罐體底部120 mm寬的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行剛性耦合，施加垂向載荷1 000 N；約束牽引板和懸架處連接鋼板的平動(dòng)自由度。邊界約束及位移云圖如圖4。

圖4 抗彎剛度邊界條件及位移云圖

根據(jù)材料力學(xué)[4]，在材料的線彈性范圍內(nèi)，固體的單向拉伸形變與所受的外力成正比，即應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧取？紤]物體受到一恒定載荷F，在載荷方向上產(chǎn)生彈性形變x，則其剛度可表示為:

(4)

罐車抗彎剛度可表示為:

(5)

式中：F為一恒定載荷(N)；Uz為載荷方向上的位移(m)。

通過計(jì)算可知，罐車的抗彎剛度為6.89e7 N/m，滿足整車剛度需求。

3 強(qiáng)度分析

3.1 邊界條件

瀝青車前部通過牽引銷支撐在牽引鞍座上，后部通過三個(gè)車橋進(jìn)行支撐。規(guī)定全局坐標(biāo)系的y向沿罐車縱向并指向車頭，x向垂直y向指向右側(cè)，z向垂直地面指向罐頂。為了能夠真實(shí)地模擬瀝青車在作業(yè)過程中的狀態(tài)，將牽引板簡(jiǎn)化成剛性支撐并約束x、y、z方向的平動(dòng)自由度；忽略后部支撐板簧的剛度，將連接鋼板同樣簡(jiǎn)化成剛性支撐，約束一側(cè)鋼板的x、z向平動(dòng)自由度，約束另一側(cè)鋼板的z向平動(dòng)自由度。具體約束如圖5所示。

圖5 強(qiáng)度分析邊界條件

3.2 工況介紹

瀝青車工作過程中會(huì)分為不同的工況，如滿載(規(guī)定95%的容積為滿載狀態(tài))下的靜止、扭轉(zhuǎn)以及制動(dòng)等[5-8]。本文忽略瀝青車附屬設(shè)備及隔熱材料、襯里、管道、扶梯、平臺(tái)等的自重，不考慮在極端環(huán)境，如大風(fēng)、暴雪以及地震等自然災(zāi)害的影響，同樣不考慮由于溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力。瀝青車工況要求如下所示。

(1) 垂直工況：瀝青車滿載靜止或勻速行駛，載荷由車體自重以及瀝青重量組成；

將瀝青近似成水，施加靜水壓來模擬瀝青在自重作用下對(duì)罐壁的壓力，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式:

p=ρgh

(6)

(2) 扭轉(zhuǎn)工況：瀝青車滿載勻速行駛時(shí)，左前輪胎懸空，載荷由車體自重及瀝青重量組成。

(3) 制動(dòng)工況：瀝青車以a=0.3 g的加速度減速制動(dòng)時(shí)，載荷由車體自重、瀝青重量及慣性力組成。

瀝青車在制動(dòng)減速度的作用下，瀝青液面發(fā)生傾斜，傾斜狀態(tài)如圖6所示。

圖6 制動(dòng)工況下罐體的液面狀態(tài)

圖6為車體制動(dòng)時(shí)液面狀態(tài)，可計(jì)算得到液面傾斜角度及靜水壓：

(7)

p=ρa(bǔ)Δh=1.044ρg·Δh

(8)

式中：θ為液面傾斜角度；Δh為傾斜狀態(tài)下，液面距罐壁上任意一點(diǎn)的距離。

仿真分析時(shí)，需要在傾斜液面的局部坐標(biāo)系下進(jìn)行加載，模擬車體在制動(dòng)時(shí)的真實(shí)狀態(tài)。

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)材料力學(xué)[4]第四強(qiáng)度理論，當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的形狀改變能密度達(dá)到單向拉伸時(shí)使材料屈服的形狀改變能密度時(shí)，材料即會(huì)發(fā)生屈服，即：

Uf≥Uu

(9)

式中：

(σ3-σ1)2]

(10)

單向拉伸時(shí)，σ1=σs，σ2=σ3=0

則此時(shí)形狀改變能密度為：

(11)

將式(10)和式(11)代入到式(9)中，破壞準(zhǔn)則可表示為:

σs≤

(12)

考慮材料的安全系數(shù)n，則結(jié)構(gòu)安全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：

σmax=

(13)

式中：σs為材料的屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)；[σ]為安全系數(shù)下的許用應(yīng)力。

表3為各工況下罐車應(yīng)力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 各材料的強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) /MPa

3.4 小 結(jié)

(1) 垂直工況

模擬罐車在平整路面上的靜止或勻速行駛狀態(tài)，主要考察車身在負(fù)載和自重情況下的應(yīng)力分布。

圖7(a)為罐體5454-0材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于前一防浪板與罐壁的焊接處，最大值為51.04 MPa。圖7(b)為罐體6061-T6材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于前一防浪板的支撐筋處，最大值為63.59 MPa。圖7(c)為罐車底架6082-T6材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于與牽引板連接的螺栓孔周圍，最大值為146.7 MPa。圖7(d)為鋼件Q345B材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于牽引板的螺栓孔周圍，最大值為118 MPa。

以上結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超出材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖7 垂直工況下罐車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

(2) 扭轉(zhuǎn)工況

該工況模擬罐車在崎嶇路面上的行駛狀態(tài)，考慮罐車后懸左前輪過坑時(shí)車身的應(yīng)力狀態(tài)。

圖8(a)為罐體5454-0材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于前一防浪板與罐壁的焊接處，最大值為58.31 MPa。圖8(b)為罐體6061-T6材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于前一防浪板的支撐筋處，最大值為60.28 MPa。圖8(c)為罐車底架6082-T6材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于與牽引板連接的螺栓孔周圍，最大值為163.4 MPa。圖8(d)為鋼件Q345B材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于牽引板的螺栓孔周圍，最大值為129.9 MPa。

以上結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超出材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖8 扭轉(zhuǎn)工況下罐車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

(3) 制動(dòng)工況

該工況模擬罐車剎車時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。罐體分為兩艙，按照3.2加載方式分別進(jìn)行加載設(shè)置。

圖9(a)為罐體5454-0材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于前封頭與支撐筋的焊接處，最大值為94.81 MPa。圖9(b)為罐體6061-T6材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于前一防浪板的支撐筋處，最大值為69.7 MPa。圖9(c)為罐車底架6082-T6材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于與牽引板連接的螺栓孔周圍，最大值為139.5 MPa。圖9(d)為鋼件Q345B材料的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力位于牽引板的螺栓孔周圍，最大值為130.4 MPa。

圖9 制動(dòng)工況下罐車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

該工況下罐車前封頭與支撐筋焊接處的應(yīng)力超過了許用值，屬于薄弱部位，可通過加厚前封頭或支撐筋來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其他結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均未超出材料的許用值，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 論

主要對(duì)輕量化后的瀝青車進(jìn)行了強(qiáng)度及剛度的仿真分析，研究了罐車在不同的作業(yè)環(huán)境下的受力狀態(tài)，為罐車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)及優(yōu)化提供了理論參考。

(1) 剛度的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有著直接的影響，該罐車具有很強(qiáng)的抗扭剛度和抗彎剛度，其剛度滿足性能要求。

(2) 該罐車主要由輕質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)組成，在減輕整車重量的同時(shí)，整車的強(qiáng)度也面臨的重大挑戰(zhàn)。本文主要對(duì)罐車的幾種作業(yè)工況進(jìn)行了研究，圖10為三種工況下不同材料的結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與許用值的對(duì)比。圖中可以看出，制動(dòng)工況下，罐體(5454-0)的最大應(yīng)力超過了許用值，但未超過材料的屈服強(qiáng)度，這就要求在罐體設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮前后封頭、防浪板、隔艙板以及各部分之間的焊接質(zhì)量。其他工況的最大應(yīng)力均未超過材料的許用值，滿足強(qiáng)度要求。

圖10 各工況下不同材料結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力

參考文獻(xiàn)：

[1] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 4734-2002.鋁制焊接容器[M].昆明:云南科技出版社, 2003.

[2] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T1591-2008低合金高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)鋼[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].第四版.北京：高等教育出版社,2004.

[4] 陳惠敏,鄭毓權(quán).道路瀝青的粘度和粘溫關(guān)系[J].石油煉制與化工, 1989(5):51-56.

[5] 趙倫峰,成 凱,燕偉華,等.半掛液罐車罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有限元分析[J].專用汽車,2003(4):9-11.

[6] 劉 奎,康 寧.罐車制動(dòng)時(shí)液體晃動(dòng)的仿真分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(7):1403-1407.

[7] 王若平,韋 偉.輕量化鋁合金罐車罐體有限元分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2011(4):59-62.

[8] 陳 哲,高建和.液罐車車體制動(dòng)工況下的仿真分析研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2016(2):96-97.