铝合金液罐车局部损伤分析与维修

李自生 范雪峰 石磊

以一款铝合金运油半挂罐车在长期使用后鞍座位置的局部损伤问题为例，系统地探讨引发损伤的主要原因，并针对引发损伤的主要原因建立维修方案，为此类型车辆的局部损伤原因分析及维修方案制定提供借鉴。

铝合金材料应用于载重货运车辆以来，因其优越的经济性能、安全性能、环保性能，逐渐成为货运车行业的主要制造材料。尤其在成品油运输方面，铝合金液罐车更以其较低的材料密度，优越的导电性能，并且与成品油相容性好，不污染油品等优势，成功替代碳钢油罐成为主流运输车型。

但随着铝合金罐车在成品油运输行业的广泛应用，罐车局部损伤与维修问题也逐渐成为一个新的行业热点。由于铝合金材料的自身特性及焊接时的环境要求有别于碳钢材料，故维修市场上基于碳钢罐车的维修经验，应用于铝合金液罐车并不适用，经常出现维修后，车辆经短期使用又发生二次损伤的问题。针对这一状况，本文以一款铝合金运油半挂罐车鞍座位置罐体损坏原因分析及维修方案确认为例，系统阐述铝合金运油半挂罐车局部损伤后的原因研究与维修方案制定流程。同时针对维修后使用情况进行长期跟踪记录，以理论验证与实践验证相结合的方式，验证维修方案的可行性。

鞍座位置局部损伤描述及模型建立

1.鞍座位置局部损伤描述

铝合金运油半挂罐车在长时间使用后，罐车与牵引车鞍座连接的位置附近常有结构件损伤发生。如不及时修理将导致罐体漏液，危害运营安全。经对国内多地区不同运营车辆的调研总结，此位置的损伤形式多呈现为裂纹形式，偶见断裂形式。损伤多集中发生在牵引车鞍座对应的外部支撑角件根部、罐内防波板下过油孔边缘处、罐内防波板背部加强环处等3处，如图1～5所示。因使用区域路况不同，营运使用里程亦不同，罐车损伤程度差异较大。三种损伤有的同时存在，有的独立存在。牵引用机车均为钢板弹簧式悬架系统的牵引汽车。

2.铝合金运油半挂罐车组成

图1 支撑根部损伤

图2 支撑对应位置

图3 防波板下过油孔位置

图4 过孔损伤

图5 防波板背部加强环损伤

铝合金运油半挂罐车主要由罐体、行走系统、防护装置、管路系统、人孔、灭火器、支撑装置、扶梯、备胎及备胎升降器、牵引座板等组成，如图6所示。行走系统采用空气悬挂形式 ，罐体与行走系统采用螺栓连接。罐体通过牵引座板与牵引车鞍座连接。在鞍座位置，由于底盘对罐体的作用力及罐体内部的综合作用力，鞍座位置的罐体结构形式及结构件焊接时的焊接缺陷对罐体的可靠性影响最大。

3.模型的建立

综合调研情况，考虑不同使用区域、不同路况及不同行驶里程情况下，罐体损伤的位置及程度不同，为了能对各损伤集中分析，模型建立时将损伤情况放大至已知的损伤全部发生，不同区域营运路况则定义为1级公路，以牵引销为原点建立仿真模型，如图7示。

考虑液罐罐体采用5系铝合金板材制造，车架采用6系铝合金型材制造，故模型采用以壳单元为主，辅以实体单元及梁单元的形式建立。罐内液体采用均布载荷等效，主要参数如表1所示。

计算与分析

一般引起机械结构损伤的涉及静态、动态、撞击三类设计因素，静态设计是针对结构的强度和刚度；动态设计是针对使用寿命的疲劳特性，撞击设计是针对操作或碰撞过程的能量吸收。从损伤的情况可以判断损伤原因为静态或动态设计因素导致的。对于哪一种是导致损伤的主要原因，笔者采用排除法，先利用有限元单元法对罐车模型进行静态设计因素分析[2]。

1.静态数据分析

有限元模型的简化：a.不考虑罐内液体的晃动对结构的影响；b.附件如管路箱、备胎、罐顶围框等，相对总质量较小予以省略。同时对牵引座上部罐体结构进行局部细化，以保证计算精度。模型单元数量为320244，节点数量为352793。

1.1 静载工况

图6 运油半挂罐车外观

图7 罐车仿真模型

表1 铝合金运油半挂罐车基本参数表

车辆在静载荷工况下，外部支撑处、防波板背部加强环处 、防波板下过油孔处应力云图如图8～10所示。

由图中可见，静载工况下，支撑角件根部最大应力为93MPa，加强环最大应力为83MPa，过油孔边缘最大应力56MPa。

1.2 扭曲工况

车辆在扭曲工况下，外部支撑处、防波板背部加强环处 、防波板下过油孔处应力云图如图11～13所示。

图8 外部支撑处静载荷应力云图

图9 防波板背部加强环处静载荷应力云图

图10 防波板下过油孔处静载荷应力云图

扭曲工况，支撑角件根部最大应力为123MPa，加强环最大应力为117MPa，过油孔边缘最大应力为98MPa。

经过计算分析，可以发现在静载工况时罐车自身结构强度满足使用要求，扭曲工况时也未超过板材许用应力，满足使用需求。静态设计因素可以排除。

那么该处损伤的主要原因应为在营运过程中应力频繁变化、波动引起的疲劳损伤。即路面的冲击和振动经牵引车传导至罐车牵引座板位置，引起该连接位置附近应力的频繁变化波动，导致罐体自身结构件在小于允许静载的低应力条件下产生的结构性损坏。即为动态设计因素。

2. 损伤原因分析

疲劳损伤通常是由高应力点产生最初裂纹导致的。一般在恒定负载情况下，裂纹会保持稳定状态。但疲劳应力在周期应力频繁变化、波动的情况下会增大，当裂纹以外的剩余截面不能够充分承担施加的峰值负荷，损坏就会发生。

图11 外部支撑处扭曲应力云图

图12 防波板背部加强环处扭曲应力云图

图13 防波板下过油孔处扭曲应力云图

在结构上疲劳损伤一般多发生在几何形状的突然变化点、结构中突然出现的断点、熔焊的焊趾和焊根、紧固件螺纹的根部、机械损坏产生的断点、焊接缺陷处、因腐蚀引起的凹坑处等位置。比对罐车与牵引车鞍座连接的位置附近结构件损伤的情况可发现，此位置为罐体上的高应力区，同时受路况影响，所受应力频繁变化波动。牵引车鞍座对应的外部支撑角件根部损伤为沿焊接结合处裂纹，应为高应力区里熔焊的焊趾位置发生的疲劳损伤。罐内防波板下过油孔边缘处损伤为横向焊接结合处裂纹，应为高应力区里焊接缺陷处发生的疲劳损伤。罐内防波板背部加强环处损伤为沿焊接结合处裂纹，应为高应力区里结构中突然出现的断点处发生的疲劳损伤。

图14 外部支撑维修情况实例

图15 防波板背部加强环维修实例

维修方案的确认

1. 牵引车鞍座对应的外部支撑角件根部损伤

该位置的应力既相对较大，又有频繁变化、波动。直接对损伤处焊道采用重新焊接的维修方式不能解决该处应力相对较大的问题，对改善使用情况没有降低损害风险的趋势。故维修时考虑对该处结构进行改变，增加过渡垫板，垫板与纵梁螺接。此方案的目的为给予其一定的变形补偿，改善该处的受力情况。维修后结构见图14。

2. 罐内防波板下过油孔边缘处损伤

该位置为焊接缺陷处，对该处采用去除焊接缺陷，重新焊接的方式。

3. 罐内防波板背部加强环处损伤

该位置出现了结构上的断点，断点出现在高应力区范围内，直接对损伤处焊道采用重新焊接的维修方式不能解决断点处的高应力。故对焊道补焊的同时还需对加强环进行补强，延长加强环的长度，使其断点远离高应力区范围。维修后结构见图15。

维修方案验证

对制定的维修方案进行必要的设计验证，以尽可能规避维修后发生二次损伤的风险。维修前采用有限元单元法进行理论验证。考究静态设计下的应力峰值变化情况。由于扭曲时应力变化明显，校验时只考究扭曲工况。维修后对维修车辆进行质量跟踪验证。

1. 理论验证

针对先期分析结果，对设计维修方案进行理论验算。因维修方案改变了外部支撑角件根部及防波板背部加强环位置的结构，故对这两处进行扭曲工况校核。应力云图如图16、17所示。

图16 外部支撑维修后扭曲应力云图

图17 防波板背部加强环维修后扭曲应力云图

扭曲工况支撑角件根部最大应力52MPa，比维修前降低71MPa；加强环最大应力55MPa，比维修前降低62MPa。

2. 实际验证

依据对损害问题原因分析情况，笔者在不同区域对类似损伤的车辆进行了指导、维修。并对车辆维修后使用情况进行了跟踪记录，所维修车辆在2年以上的营运时间里，超过20万km的行驶里程下，维修位置未发生二次损伤。

结论

本文通过介绍某一款铝合金运油半挂罐车鞍座位置罐体损坏原因的分析及维修方案的确认。阐述了铝合金运油半挂罐车局部损伤后的原因分析研究及维修方案制定的流程。为铝合金罐车使用过程中的损伤原因分析，维修方案制定提供了参考借鉴。对维修原因的分析及维修方案的设计，经过理论及实践验证，合理有效。所计算数据及实际营运验证结果可作为铝合金罐车使用过程中的同类损伤维修方案制定的依据。