1、半掛液罐車(chē)罐體強(qiáng)度分析作者：張景 瞿繪軍 王琳1 前言 半掛液罐車(chē)是用于裝運(yùn)液體物質(zhì)的專(zhuān)用車(chē)輛，由于它具有靈活、方便、制造周期短等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前水、燃油、酸類(lèi)、飲料、牛奶等的主要運(yùn)載設(shè)備之一。罐車(chē)在運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境多變，設(shè)計(jì)制造要求較高，必須可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。罐體的設(shè)計(jì)與制造是最重要的因素，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析是很有必要的。鑒于此，本文針對(duì)我司研發(fā)的新型常壓保溫半掛液罐車(chē)進(jìn)行了有限元分析，針對(duì)其液壓試驗(yàn)進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試，并比較了計(jì)算值與試驗(yàn)值，以充分了解其應(yīng)力分布，最終得到更加安全合理的設(shè)計(jì)方案。 2 有限元分析 2.1 基本假設(shè)與簡(jiǎn)化 （1）罐體為線(xiàn)彈性系統(tǒng)。 （2）罐體和裝載介質(zhì)是各向同性，密

2、度均勻分布。 （3）結(jié)構(gòu)上的小圓角等工藝因素不考慮。 2.2 單元類(lèi)型的選擇 根據(jù)有限元分析的基本理論，單元類(lèi)型選擇的恰當(dāng)與否，對(duì)計(jì)算的精度和速度有著直接的影響。板殼結(jié)構(gòu)是指在幾何上一個(gè)方向的尺寸比另外兩個(gè)方向的尺寸要小得多的薄壁結(jié)構(gòu)，一般當(dāng)厚度t與另外兩個(gè)方向的最小尺度L之比小于1/10，即可視為薄壁板。組成罐體及車(chē)架的各種構(gòu)件采用的大多是薄壁構(gòu)件 , 截面厚度與其它兩個(gè)方向的長(zhǎng)度相比滿(mǎn)足薄壁構(gòu)件的假設(shè)，因此采用板殼單元是合適的。綜合考慮罐體的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，選取4節(jié)點(diǎn)四邊形單元SHELL181單元。在 SHELL181單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有 6個(gè)自由度，即沿坐標(biāo)軸的位移自由度 UX、UY、U

3、Z和繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 ROTX、ROTY、ROTZ。 整個(gè)結(jié)構(gòu)基本左右對(duì)稱(chēng)，但考慮罐體內(nèi)部防浪板的設(shè)計(jì)，仍然對(duì)整車(chē)建立完整模型，如圖 1所示。網(wǎng)格的劃分應(yīng)用 ANSYS軟件自帶的 Meshtool工具，選用合適的面和邊長(zhǎng)尺寸，可以方便快捷地將模型劃分網(wǎng)格。 圖1 整車(chē)實(shí)體模型2.3 材料特性參數(shù)及邊界條件處理 該車(chē)主要由罐體總成和車(chē)架總成構(gòu)成，使用的材料分別為為 SUS304及 Q345A，材料的特性參數(shù)見(jiàn)表 1。 表1 材料特性參數(shù)簡(jiǎn)表 由于該車(chē)的實(shí)際變形量相對(duì)于整個(gè)罐體的變形量很小，本文主旨在于罐體的分析，故在此不考慮鋼板彈簧的影響，并簡(jiǎn)單作以下約束處理： (1) 在懸架對(duì)應(yīng)位置采用固

4、定約束； (2) 在牽引銷(xiāo)對(duì)應(yīng)位置采用固定約束； 計(jì)算工況分別對(duì)應(yīng)于液壓試驗(yàn)下，水滿(mǎn)充壓 0.03Mpa及 0.06Mpa。載荷施加為： （1）罐車(chē)自重產(chǎn)生的重力載荷 ,即在 Y軸的負(fù)方向上施加大小為 g=9.81m/s2的慣性載荷； （2）施加液體自重壓力載荷，考慮沖裝介質(zhì)為水，按壓力梯度加載。 2.4 分析計(jì)算結(jié)果 根據(jù)計(jì)算結(jié)果圖片可以發(fā)現(xiàn)，罐體最大應(yīng)力出現(xiàn)在封頭折彎處。罐體其余部分應(yīng)力較低。這主要是由于碟形封頭制作時(shí)的折彎半徑不合理造成的。在液壓試驗(yàn)工況下（該壓力大于垂直向下 2g載荷），圖 2表明，水滿(mǎn)沖壓 0.03Mpa時(shí)，罐體應(yīng)力最大值為 214Mpa，已經(jīng)達(dá)到材料的屈服極限；而水

5、滿(mǎn)沖壓 0.06Mpa時(shí)，在封頭局部小范圍，材料已經(jīng)屈服。因此，在封頭折彎處較容易發(fā)生破壞。除此之外，罐體其余部分應(yīng)力較低，是絕對(duì)安全的。 圖2 水滿(mǎn)沖壓0.03Mpa時(shí)von mises應(yīng)力分布云圖3 應(yīng)力測(cè)試 3.1 測(cè)試過(guò)程 通過(guò)電測(cè)法測(cè)定該車(chē) (額定載荷為 30t)的罐體和車(chē)架上特定點(diǎn)的靜態(tài)應(yīng)力時(shí)，卸去了罐車(chē)的車(chē)輪、保溫層以及護(hù)欄部分，制做出專(zhuān)用支架，分別放置于牽引銷(xiāo)及懸架對(duì)應(yīng)位置。 測(cè)量?jī)x器使用了江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司的 YE2539靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。試驗(yàn)前根據(jù)有限元軟件分析的結(jié)果，同時(shí)考慮實(shí)際情況，將測(cè)點(diǎn)主要布置在左半部罐體，并在右半部分罐體貼有少量應(yīng)變片。 考慮到罐體橫截面形狀由

6、8條不同曲率半徑的圓弧線(xiàn)組合而成，在液壓試驗(yàn)工況下，主應(yīng)力的方向較容易確定，因而在罐體上主要布置單向應(yīng)變片。 3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與對(duì)比 由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，現(xiàn)取出液壓試驗(yàn)時(shí)水滿(mǎn)沖壓0.06Mpa工況進(jìn)行比較。為了得到測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，根據(jù)材料力學(xué)公式計(jì)算出了各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力。 單向應(yīng)力=E 從有限元模型提取出相同工況下對(duì)應(yīng)于電測(cè)試驗(yàn)的部分測(cè)試點(diǎn)的分析結(jié)果，點(diǎn)的位置及應(yīng)力分布如圖46所示。由于貼片的位置不同，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同轉(zhuǎn)換成局部柱坐標(biāo)系。將其和有限元計(jì)算結(jié)果加以比較，如表2所示(其余所有測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)略)。圖3更加明確的給出了計(jì)算值與試驗(yàn)值的關(guān)系。 圖3 計(jì)算值與測(cè)試值比較圖圖4 封頭徑向應(yīng)力云圖圖5 罐體中部徑向應(yīng)力云圖圖6 罐體中下部徑向應(yīng)力云圖4 結(jié)論 (1) 半掛液罐車(chē)是一種很重要的運(yùn)輸工具，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于罐體的設(shè)計(jì)。采用有限元軟件ANSYS給出了液壓工況下的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性與可行性。 (2) 利用電