轻量化沥青罐车结构仿真分析

2018-05-10夏德伟王雪飞史文宝

机械研究与应用 2018年2期

夏德伟，王雪飞，史文宝

(辽宁忠旺集团北京技术与发展中心，北京 100026)

0 引言

随着我国经济实力、国防建设、科学技术的不断提高以及人们生活的改善，城市建设及规划一直都是重中之重，沥青作为道路和建筑中必不可缺的材料，其需求量日益增大，对沥青罐车(以下简称沥青车)的需求也与日俱增。运输沥青的路况不比城市道路，因此，对罐车的结构强度及刚度分析十分必要。有限元作为一种通用的分析手段，以其精准、快速、便捷的优势应用于各个领域。对沥青罐车进行有限元分析，了解并掌握其在运输过程中结构部件的强度及刚度状态，对罐车的使用寿命、部件更换及故障进行精确的掌握及预测有着重要的指导意义。同样在对罐车的优化设计、缩短开发周期及降低生产成本等方面也有着重要价值。

笔者主要对鹅颈式沥青车进行有限元仿真分析，了解该车在结构刚度及强度上的优缺点，为沥青车的结构设计提供理论参考。

1 有限元模型

1.1 结构及简化

沥青车主要由罐体和车架组成，如图1所示。罐车罐体长9.7 m，高1.9 m，宽2.3 m，由三块材料为5454-0的铝合金板焊接而成。罐体截面近似梯形，属于上窄下宽型，这样的结构具有较好的稳定性能。且整车质心高度比市场上同种类型的罐车低100～300 mm。罐体内部由防浪板、隔舱板、左右对称的T字型材及底部加强板等组成，彼此通过焊接连接。整个罐体分为三层：内层为5454-0铝合金板材，中间为岩棉材质的保温层，外层为Q235B热轧板。车架为鹅颈式结构，主要材料为6082-T6。

图1 鹅颈式沥青车3D数模

模型处理过程中忽略非主要承载件，去掉侧防护及悬架系统。为了简化模型，将罐车壳体看成一个连续体。在不影响罐车整体强度和刚度的基础上，忽略罐体和车架上的倒角、小孔以及小附件等。

1.2 网格处理

对模型进行抽中面处理，用壳单元模拟型材及板材，螺栓连接及焊接的连接方式如图2所示。单元信息如表1所列。

表1 单元信息

图2 有限元模型及连接方式

1.3 材料属性

该沥青车除了牵引板以及连接悬架的连接板采用Q345B，其余结构部件均采用高强度铝合金材料。罐车壳体及内部防浪板和隔舱板采用5454-0铝合金，该铝合金属于铝镁合金系，镁的含量低于3%，具有较强的耐晶间腐蚀能力，常被用作制造高温工作环境的容器或海洋管道设备等长期处于腐蚀环境中的结构部件。罐体内部支撑筋采用6061-T6铝合金，车架采用6082-T6铝合金。

根据JBT04734-2002[1]以及GB/T1591-2008[2]规定，罐车材料属性如表2所示。

表2 沥青车材料属性 /MPa

沥青具有极复杂的化学组成，在不同的温度区域具有不一样的流动状态。沥青粘度随温度的升高而降低，高温下的沥青接近牛顿流体，但低于200℃下的沥青仍具有相当的粘度值[3]。因此，运输中沥青对罐车的冲击远小于油或水的冲击。本文以水的密度代替沥青的密度，设计安全系数高于一般罐车。

2 刚度分析

2.1 抗扭刚度

抗扭刚度的大小直接影响罐车在崎岖路面行驶的结构强度，因此十分有必要对车身进行抗扭刚度分析。将罐车一侧悬架耦合到一点，施加垂向载荷1 000 N，另一侧施加-1 000 N，这样就形成一对力偶；约束牵引板处节点的平动自由度。具体约束及位移云图如图3所示。

根据材料力学[4]，罐车单位长度上的抗扭刚度为:

(1)

式中：GIp为抗扭刚度(N·m2/rad)；me为力偶矩(N·m)；F为形成力偶的载荷(N)；L为力偶臂(m)；l为轴距(m)；φ为罐体的扭转角度(rad)。

当φ足够小时：

(2)

式中：ΔUz为两加载点的垂向位移差。

则式(1)为:

(3)

通过计算可知，罐车的抗扭刚度为4.13e5 N·m/(°)，满足整车刚度需求。

图3 抗扭刚度边界条件及位移云图

2.2 抗弯刚度

选取罐体底部120 mm宽的节点，进行刚性耦合，施加垂向载荷1 000 N；约束牵引板和悬架处连接钢板的平动自由度。边界约束及位移云图如图4。

图4 抗弯刚度边界条件及位移云图

根据材料力学[4]，在材料的线弹性范围内，固体的单向拉伸形变与所受的外力成正比，即应力σ与应变ε成正比。考虑物体受到一恒定载荷F，在载荷方向上产生弹性形变x，则其刚度可表示为:

(4)

罐车抗弯刚度可表示为:

(5)

式中：F为一恒定载荷(N)；Uz为载荷方向上的位移(m)。

通过计算可知，罐车的抗弯刚度为6.89e7 N/m，满足整车刚度需求。

3 强度分析

3.1 边界条件

沥青车前部通过牵引销支撑在牵引鞍座上，后部通过三个车桥进行支撑。规定全局坐标系的y向沿罐车纵向并指向车头，x向垂直y向指向右侧，z向垂直地面指向罐顶。为了能够真实地模拟沥青车在作业过程中的状态，将牵引板简化成刚性支撑并约束x、y、z方向的平动自由度；忽略后部支撑板簧的刚度，将连接钢板同样简化成刚性支撑，约束一侧钢板的x、z向平动自由度，约束另一侧钢板的z向平动自由度。具体约束如图5所示。

图5 强度分析边界条件

3.2 工况介绍

沥青车工作过程中会分为不同的工况，如满载(规定95%的容积为满载状态)下的静止、扭转以及制动等[5-8]。本文忽略沥青车附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的自重，不考虑在极端环境，如大风、暴雪以及地震等自然灾害的影响，同样不考虑由于温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力。沥青车工况要求如下所示。

(1) 垂直工况：沥青车满载静止或匀速行驶，载荷由车体自重以及沥青重量组成；

将沥青近似成水，施加静水压来模拟沥青在自重作用下对罐壁的压力，根据液体压强公式:

p=ρgh

(6)

(2) 扭转工况：沥青车满载匀速行驶时，左前轮胎悬空，载荷由车体自重及沥青重量组成。

(3) 制动工况：沥青车以a=0.3 g的加速度减速制动时，载荷由车体自重、沥青重量及惯性力组成。

沥青车在制动减速度的作用下，沥青液面发生倾斜，倾斜状态如图6所示。

图6 制动工况下罐体的液面状态

图6为车体制动时液面状态，可计算得到液面倾斜角度及静水压：

(7)

p=ρaΔh=1.044ρg·Δh

(8)

式中：θ为液面倾斜角度；Δh为倾斜状态下，液面距罐壁上任意一点的距离。

仿真分析时，需要在倾斜液面的局部坐标系下进行加载，模拟车体在制动时的真实状态。

3.3 评价标准

根据材料力学[4]第四强度理论，当复杂应力状态下材料的形状改变能密度达到单向拉伸时使材料屈服的形状改变能密度时，材料即会发生屈服，即：

Uf≥Uu

(9)

式中：

(σ3-σ1)2]

(10)

单向拉伸时，σ1=σs，σ2=σ3=0

则此时形状改变能密度为：

(11)

将式(10)和式(11)代入到式(9)中，破坏准则可表示为:

σs≤

(12)

考虑材料的安全系数n，则结构安全的评价标准为：

σmax=

(13)

式中：σs为材料的屈服强度；n为安全系数；[σ]为安全系数下的许用应力。

表3为各工况下罐车应力的评价标准。

表3 各材料的强度评价标准 /MPa

3.4 小结

(1) 垂直工况

模拟罐车在平整路面上的静止或匀速行驶状态，主要考察车身在负载和自重情况下的应力分布。

图7(a)为罐体5454-0材料的应力状态，最大应力位于前一防浪板与罐壁的焊接处，最大值为51.04 MPa。图7(b)为罐体6061-T6材料的应力状态，最大应力位于前一防浪板的支撑筋处，最大值为63.59 MPa。图7(c)为罐车底架6082-T6材料的应力状态，最大应力位于与牵引板连接的螺栓孔周围，最大值为146.7 MPa。图7(d)为钢件Q345B材料的应力状态，最大应力位于牵引板的螺栓孔周围，最大值为118 MPa。

以上结构应力均未超出材料的许用应力，结构满足强度要求。

图7 垂直工况下罐车结构的应力云图

(2) 扭转工况

该工况模拟罐车在崎岖路面上的行驶状态，考虑罐车后悬左前轮过坑时车身的应力状态。

图8(a)为罐体5454-0材料的应力状态，最大应力位于前一防浪板与罐壁的焊接处，最大值为58.31 MPa。图8(b)为罐体6061-T6材料的应力状态，最大应力位于前一防浪板的支撑筋处，最大值为60.28 MPa。图8(c)为罐车底架6082-T6材料的应力状态，最大应力位于与牵引板连接的螺栓孔周围，最大值为163.4 MPa。图8(d)为钢件Q345B材料的应力状态，最大应力位于牵引板的螺栓孔周围，最大值为129.9 MPa。

以上结构应力均未超出材料的许用应力，结构满足强度要求。

图8 扭转工况下罐车结构的应力云图

(3) 制动工况

该工况模拟罐车刹车时的应力状态。罐体分为两舱，按照3.2加载方式分别进行加载设置。

图9(a)为罐体5454-0材料的应力状态，最大应力位于前封头与支撑筋的焊接处，最大值为94.81 MPa。图9(b)为罐体6061-T6材料的应力状态，最大应力位于前一防浪板的支撑筋处，最大值为69.7 MPa。图9(c)为罐车底架6082-T6材料的应力状态，最大应力位于与牵引板连接的螺栓孔周围，最大值为139.5 MPa。图9(d)为钢件Q345B材料的应力状态，最大应力位于牵引板的螺栓孔周围，最大值为130.4 MPa。

图9 制动工况下罐车结构的应力云图

该工况下罐车前封头与支撑筋焊接处的应力超过了许用值，属于薄弱部位，可通过加厚前封头或支撑筋来提高结构强度。其他结构的最大应力均未超出材料的许用值，结构满足强度要求。

4 结论

主要对轻量化后的沥青车进行了强度及刚度的仿真分析，研究了罐车在不同的作业环境下的受力状态，为罐车的结构设计、改进及优化提供了理论参考。

(1) 刚度的大小对结构的强度有着直接的影响，该罐车具有很强的抗扭刚度和抗弯刚度，其刚度满足性能要求。

(2) 该罐车主要由轻质铝合金结构组成，在减轻整车重量的同时，整车的强度也面临的重大挑战。本文主要对罐车的几种作业工况进行了研究，图10为三种工况下不同材料的结构的最大应力与许用值的对比。图中可以看出，制动工况下，罐体(5454-0)的最大应力超过了许用值，但未超过材料的屈服强度，这就要求在罐体设计时，需重点考虑前后封头、防浪板、隔舱板以及各部分之间的焊接质量。其他工况的最大应力均未超过材料的许用值，满足强度要求。